泡沫沥青及其再生混合料老化性能分析

刘小春，凌俊强，邱业绩，李 艳，郭 平

(1. 中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安 710119；2. 陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710075；3. 西安公路研究院，陕西 西安 710065)

0 引 言

随着公路建设事业的发展，国内路网逐渐完善，工作重心已由新建公路转向道路养护[1-2]，发泡沥青等养护、再生材料开始受到更多关注。发泡沥青冷再生技术是一种将沥青路面铣刨后回收的旧料(RAP)进行破碎与筛分，并加入一定比例新集料、活性填料及水等，喷入发泡沥青，在常温下拌合之后进行摊铺及碾压的技术，具有节能环保、便捷、高效等优势。但是，由于新旧集料均未加热，旧集料表面残留不同老化程度的沥青等诸多原因，发泡沥青与集料的黏附性受到质疑。此外，发泡沥青及其再生混合料的老化特性也并不明晰。

本研究基于TFOT、PAV老化试验，结合沥青拉拔试验及混合料冻融劈裂试验，从发泡沥青、发泡沥青胶浆以及再生混合料3个层面，针对热氧老化下的发泡沥青工程性能及黏附性能进行研究。

1 原材料及试验设计

1.1 原材料

1.1.1 泡沫沥青

以SK90号沥青为基质沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，该沥青的主要指标测试结果如表1所示。采用维特根发泡机WLB-10S进行发泡试验，按《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)的相关限定，最佳发泡温度为160 ℃，用水量为2.0%，此时膨胀率为12，半衰期为10 s。

表1 原材料技术参数

1.1.2 集料及级配

本研究涉及RAP回收集料及新拌石灰岩集料，其中RAP集料为公路中修工程现场取样的铣刨料，按JTG/T 5521—2019中的测试方法，确定RAP的级配及其他技术指标[3-5]。RAP的技术指标如表2所示，混合料级配为AC-13，采用了分档添加的方法，保证在40%、50%、60%RAP掺量下各混合料级配曲线不变，RAP级配、各档矿料添加量及总体级配如表3所示。

表2 集料与填料的基本技术指标

表3 再生混合料级配

1.2 样品制备

1.2.1 泡沫沥青胶浆

研究表明，沥青胶浆中的矿粉对热氧老化具有屏蔽作用[6-7]，因此采用1∶1、2∶1、3∶1的粉胶比制作泡沫沥青胶浆，进行老化特性研究。制备过程遵循如下步骤：加热SK90号沥青至140 ℃后，将其加入发泡设备中；当温度达到160 ℃时，以2.0%用水量进行发泡，得到泡沫沥青；加热矿粉至140 ℃，按照预定的3档粉胶比，将发泡沥青与矿粉混合，并迅速搅拌，获得泡沫沥青胶浆。

1.2.2 泡沫沥青再生混合料

如前文所述，采用40%、50%、60%RAP掺量，配合新集料拌合，获得同样的级配曲线。采用击实试验确定2∶1粉胶比的再生混合料最佳用水量为3.8%。按照JTG/T 5521—2019的方法确定该条件下的最佳泡沫沥青用量为2.4%。为控制单一变量，其他粉胶比混合料均采用同样的用水量及泡沫沥青用量。

1.3 试验方法

按照JTG E20—2011，对泡沫沥青进行TFOT老化及PAV老化，老化条件分别为163 ℃、5 h以及100 ℃、20 h、2.1 MPa。同样以规程中的限定方法，测定老化前后的针入度、软化点以及延度。

老化过程将导致沥青中的轻质组分丧失，沥青脆性增加，黏结性能下降[8-10]。为探索老化对泡沫沥青胶浆与集料黏结强度的影响，采用3种粉胶比制得泡沫沥青胶浆，在140 ℃下平铺在平整石灰岩集料表面，在100 ℃下保温2 h，促进胶浆与集料黏结。而后同样采用TFOT及PAV的试验方法，对黏结体系进行老化。对老化前后的黏结试件，用PosiTest AT-A黏附力测试仪表征25 ℃下的黏结强度，如图1所示。

图1 沥青胶浆黏附力测试

针对制备的泡沫沥青再生混合料，在120 ℃下保温2 h，采用金属铲破碎成松散的沥青混合料，在金属盘中摊铺成1 cm的松铺层，在烘箱中进行类似TFOT及PAV的老化，而后按JTG E20—2011中的要求进行劈裂试验。

2 试验结果与讨论

2.1 老化前后泡沫沥青指标的变化

图2呈现了基质沥青、发泡沥青以及通过TFOT和PAV老化后的发泡沥青指标变化情况。TFOT和PAV老化导致的沥青指标变化幅度相近，一方面是由于TFOT采用了更高的老化温度，另一方面是由于沥青老化程度越高，其老化速度越慢。

图2 发泡沥青的三大指标

2.2 老化前后泡沫沥青胶浆-集料黏结性能的变化

图3显示了老化前后不同粉胶比泡沫沥青胶浆与集料的拉拔强度。随着老化程度加剧，沥青-集料拉拔强度随之下降；而随着泡沫沥青粉胶比增大，沥青-集料拉拔强度也迅速降低。试验结果表明，当粉胶比增大时，黏结体系抗拉强度降低，说明增加矿粉对沥青-集料的拉拔强度起较明显的负面作用。

图3 发泡沥青-集料黏结拉拔力

随着老化程度加剧，界面黏结力逐步减小，速度与矿粉掺量相关。由图3可知，随着矿粉掺量增多，发泡沥青胶浆与集料黏结强度随老化降低的幅度逐步下降，且该现象在沥青胶浆的TFOT老化过程中最明显。这是因为对于相同粉胶比的黏结体系，矿粉对沥青胶浆脆性的影响恒定，对老化的屏蔽效果却持续发挥作用[11-13]。因此可知，发泡沥青胶浆中的矿粉掺量增加，会对其与集料黏结的强度起不利影响，却对沥青胶浆的耐老化性能具有改善作用。

2.3 老化前后泡沫沥青混合料劈裂强度的变化

测定不同粉胶比泡沫沥青再生混合料老化前后的劈裂强度及冻融劈裂强度比，结果如图4所示。沥青老化及粉胶比过大均可能使再生沥青混合料的水稳定性降低，这与沥青胶浆-集料拉拔强度的试验结果基本一致。同时也可看出，在粉胶比较大时，同样老化条件导致的沥青混合料性能衰变亦与矿粉掺量呈反比。因此，对于发泡沥青再生混合料而言，矿粉掺量的选择应综合考虑混合料路用性能以及老化特性。

图4 发泡沥青再生混合料劈裂强度

3 结 语

本文结合沥青针入度、延度、软化点、集料黏附强度以及混合料冻融劈裂强度指标，分析了老化对发泡沥青及再生混合料性能的影响，得到以下结论。

(1)由于老化过程沥青轻质组分丧失、黏度增加，导致发泡沥青针入度下降，软化点上升至70 ℃以上，延度下降至30 cm以下；发泡沥青的三大指标与原基质沥青相近，针入度轻微上升，而软化点、延度少量下降，变化幅度小于15%。

(2)当粉胶比增大时，黏结体系抗拉强度降低，但是老化后抗拉强度下降幅度减小，说明矿粉增加对沥青-集料的拉拔强度起较明显的负面作用，同时对老化影响具有屏蔽作用。

(3)随着老化程度加剧，发泡沥青再生混合料老化前后的劈裂强度及冻融劈裂强度比随之下降；随着粉胶比增大，冻融劈裂指标随之劣化，但是老化作用影响减小；对于发泡沥青再生混合料而言，矿粉掺量的选择应综合考虑混合料路用性能以及老化特性。