泡沫再生沥青混合料路用性能试验研究

黄孙科

沥青路面改扩建面临着沥青面层混凝土的破碎、拆除，将其进行再生利用可实现可持续发展。文章以柳南高速公路改扩建工程中产生的铣刨料为研究对象，采用泡沫沥青进行综合再生利用，铣刨料掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%，研究了泡沫再生沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性等路用性能，并对各指标进行归一化赋值处理，推荐再生掺量应控制在20%～30%之间，为其他高等级道路改扩建中路面材料的再利用提供经验参考。

泡沫再生;路用性能;旧料掺量;工程应用

U416.03-A-13-039-4

0 引言

高速公路在长期的服役过程中面临着不同程度的大中修养护和改扩建工程，在此过程中会产生大量的废旧沥青混凝土材料，而将道路改扩建工程产生的废旧沥青混凝土进行回收再利用于路面重新铺筑，不仅可以节约大量的矿料资源和建设成本，还可以实现变废为宝、可持续发展理念[1-3]。国内外很多學者对再生沥青路面技术做了大量研究，认为废旧沥青混凝土（铣刨料）应用于新建道路中最大掺量一般控制在30%～40%[4-5]。对于沥青路面再生技术而言，一般可以分为热再生、冷再生、温拌再生三种典型形式，其中热再生的应用技术最为成熟，冷再生和温拌再生有待进一步研究和应用[6]。温拌再生沥青混合料一般是通过一定温拌外掺剂或机械设备来实现温拌技术的应用。相关的试验室研究已初步实现废旧沥青混合料的可再生应用，但是有待进一步的实体道路铺筑验证[7]。本研究采用泡沫沥青温拌再生技术对废旧沥青混合料进行综合再生利用，有利于为其他道路改扩建工程沥青路面材料综合利用提供技术经验。

1 原材料

1.1 原材料

根据道路设计等级及服役环境不同，高速公路的路面结构的选择可以多样。根据道路设计说明要求，广西柳州（鹿寨）至南宁高速公路改扩建工程K1441+400～K1469+300标段，全长27.9 km采用复合式道路路面结构。分别使用4 cmSMA-13型沥青玛蹄脂碎石混合料表面层、6 cmAC-20型沥青混凝土中面层、8 cmAC-25型沥青混凝土下面层、28 cm水泥混凝土基层。在本次道路改扩建工程中，将上面层和中面层的沥青混凝土进行铣刨重铺，回收铣刨料的技术参数如下页表1所示。

对回收的铣刨料进行抽提，提取老化沥青并进行沥青性能测试（如表2所示），沥青老化类型属于中度老化。

1.2 泡沫沥青

泡沫沥青是通过温拌发泡设备将普通沥青进行泡沫化生产的过程，其本质是热沥青在冷水冲击作用下产生体积膨胀。研究采用美国堪萨斯州TARMAC牌间歇式沥青发泡设备生产泡沫沥青。泡沫沥青的生产质量与发泡温度和用水量直接相关，研究采用150 ℃发泡温度，1.5%的用水量，生产的泡沫沥青性能如表3所示，泡沫沥青制备如图1所示。

1.3 配合比设计

对于道路改扩建工程中回收的废旧沥青混凝土，根据原设计说明将回收材料以AC-20级配再生应用于中面层中。中面层材料介于上面层和下面层之间，混合料的骨架结构稳定，也有利于再生沥青混合料的长期使用。为对比不同铣刨料掺量下再生沥青混合料的性能差异，研究分别采取了0%、10%、20%、30%、40%、50%不同掺量进行配合比设计，对应的目标级配如图2所示，不同旧料掺量所需的油石比如表4所示。

2 泡沫再生沥青混合料路用性能研究

2.1 高温稳定性

高温稳定性是表征沥青混合料在抵抗高温环境下所产生变形的能力。对于沥青路面而言，夏季高温和重载交通易使沥青路面产生不同程度的车辙病害问题，会加剧沥青路面龟裂、坑槽等病害的产生。国内常通过高温车辙试验来测试混合料的高温稳定性，其基本原理是将固定尺寸的车辙板试件置于车辙加载箱内，在设定温度下通过往复车轮进行加载直至产生目标车辙深度或达到指定时间。研究所采用的不同旧料掺量下泡沫再生沥青混合料的动稳定度值如图3所示。

如图3所示，随着铣刨料掺量的增加，泡沫再生沥青混合料的动稳定度数值越高表明混合料的高温稳定性越高，抵抗高温环境下车辙变形能力越强。当旧料掺量为10%时，动稳定度数值提升比率为33.69%，随着旧料掺量的增加，泡沫再生沥青混合料的动稳定度也不断增长，但增长速率逐渐降低。当旧料掺量为50%时，泡沫再生沥青混合料的动稳定度值增长已不明显。铣刨料表面裹附着一层老化沥青，使得“黑色集料”变得更加坚固，在混合料拌和过程中，“黑色集料”再次被泡沫沥青裹附。因此，铣刨料的掺入能提升材料的高温性能，但是掺量过高也会对混合料在其他性能方面产生不利影响，在实际的沥青路面生产过程中要慎重对待。

2.2 水稳定性

水稳定性是评价沥青混合料抵抗水损伤的能力。雨水冲刷会浸入沥青路面表层，若路面产生裂缝、坑槽等问题，雨水会沿孔隙渗入混凝土内部，伴随着交通荷载的往复作用，雨水会进一步损伤内部混凝土，产生集料脱空、砂浆溢出等现象。此外，在冬季寒冷环境下，雨水的浸入会导致内部混凝土结构产生一定的冻融损伤。研究通常采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来表征混合料的水稳定性能，相关试验结果如图4～5所示。

由图4～5可知，随着旧料掺量的增加，混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均不断减小，当旧料掺量达到50%时，残留稳定度和冻融劈裂强度比的下降率分别为9.76%和12.51%。此时，泡沫温拌再生沥青混合料的冻融劈裂强度比已不满足规范要求。泡沫沥青在混合料拌和过程中，将产生的泡沫沥青喷洒在集料表面，加大了集料与沥青的裹附程度。但是，由于铣刨料的存在，“黑色集料”内部易受到雨水的侵蚀，铣刨料呈现硬和脆的特点，在外部荷载作用下易产生开裂。因此，旧料掺量不能过高，否则会影响泡沫温拌再生沥青混合料的综合质量。

2.3 低温抗裂性

在冬季寒冷天气，路面温度常<0 ℃，而沥青混合料在低温环境下会变得更脆，易产生开裂病害。混合料在荷载作用下内部应力集中，在薄弱区会产生断裂，裂缝沿路面结构层会向路面顶部开展，直至路面开始出现各种裂缝及坑槽。研究采用万能试验机，将长250 mm×宽30 mm×高35 mm的小梁试件在-10 ℃环境下进行加载，加载速度为50 mm/min，直至小梁断裂。试验结果如表5所示。

如图6、图7所示，随着旧料掺量的增加，温拌再生沥青混合料的抗弯拉强度和破坏应变均逐渐降低。当旧料掺量在30%时，抗弯拉强度和破坏应变分别下降14.33%和25.06%;当旧料掺量为50%时，抗弯拉强度和破坏应变分别下降20.92%和29.26%。沥青混合料在低温环境下会变得更加脆硬，一旦材料内部呈现不均匀分布状态，易在混合料离析界面处产生开裂问题。尽管泡沫沥青已经较好地喷洒和裹附集料，但铣刨料呈现的不均质、不连续会使得材料的抗弯拉强度降低，从而导致低温抗开裂性能降低。

2.4 溫拌再生沥青混合料掺量比选

为量化分析不同旧料掺量下泡沫再生沥青混合料的综合性能，研究根据泡沫再生沥青混合料的动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比、抗弯拉强度等指标进行归一化赋值处理，并将赋值后各指标随旧料掺量的变化绘制曲线（如图8所示）。

对赋值后各指标随旧料掺量变化分析可知，旧料掺量的增加会提升混合料的高温稳定性，但是，会对材料的水稳定性和低温抗裂性产生不利影响。综合各指标分析，建议在实际泡沫再生沥青路面施工中采用20%～30%的旧料掺量比例。

3 结语

泡沫再生沥青混合料作为一项新型的路面再生技术，不仅可以综合再生利用废旧沥青混合料，还可以降低混合料拌和温度、减少碳排放，研究对不同掺量的旧料进行再生利用路用性能试验，推荐旧料掺量为20%～30%。本文研究可为其他泡沫再生路面工程提供参考经验。

[1]仰建岗，姚玉权，郭 彧，等.就地热再生沥青混合料水稳定性非线性分析[J].华东交通大学学报，2019，36（4）：48-56.

[2]李海燕，王 真.废旧SMA用于热再生沥青混合料的性能研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（8）：88-91.

[3]周志刚，刘 宇，段跃华，等.就地热再生SMA路面路用性能试验研究[J].西部交通科技，2019（8）：1-4.

[4]顾 万，肖 鹏，刘安安，等.城市道路改扩建工程中铣刨料全循环再生应用[J].新型建筑材料，2019，46（7）：8-12，19.

[5]麻继敏.就地热再生技术在公路改扩建工程中的应用[J].西部交通科技，2019（7）：49-52，116.

[6]肖 鹏，顾 万，吴正光，等.泡沫沥青再生沥青路面胶结料的多尺度评价[J].江苏大学学报（自然科学版），2019，40（4）：472-478.

[7]杨宏伟.温拌再生沥青混合料试验研究[J].山东交通科技，2019（3）：101-103，127.