泡沫沥青温拌技术对混合料路用性能影响研究

李宝玉

(陕西高速公路工程咨询有限公司， 陕西 西安 710064)

目前，公路建设沥青路面普遍使用具有良好路用性能的热拌沥青混合料HMA(Hot Mixture Asphalt)。HMA的生产过程为：将沥青从常温加热到140℃左右，矿料从常温加热到160℃～180℃，然后将沥青和矿料在160℃高温下进行拌合，拌合后温度不低于150℃，摊铺和碾压时的温度不低于120℃[1]。随着“绿色”理念的不断加深，热拌沥青混合料也暴露出许多自身不可调和的缺点[2]，主要体现为： ① 高温加速沥青老化过程，对沥青结合料性能造成显著降低；② 不利于“绿色”工程，释放的SO2等气体对人类和环境产生不利影响。

温拌沥青混合料WMA(Warm Mixture Asphalt)能有效降低热拌沥青混合料的不利影响。WMA是通过一定的技术措施，降低沥青黏度，使沥青在相对较低的温度下全面覆盖矿料，与矿料进行充分结合，形成稳定均匀的结合料，并不降低其混合料的性能。目前，WMA的拌合温度一般可以保持在100℃～120℃，摊铺和碾压时的温度保持在80℃～90℃，比HMA温度降低了30℃左右，且与HMA具有相同的路用性能[2，3]。因此，温拌沥青混合料因其降低生产能耗、减少废气和粉尘排放等优点而成为一项十分具有应用前景的新兴技术。本文采用发泡技术生产泡沫沥青，使用温拌技术制备WMA。通过室内试验对WMA的路用性能进行测试，并与传统的热拌AC-13混合料进行对比，分析泡沫WMA性能优劣。

1 原材料

1.1 集料及填料

制备混合料的集料不仅要有一定的强度与合适的形状，同时还需要有良好的粘附性和耐磨性。本研究就近取材选用压碎值、棱角性较高、表面纹理较好而针片状含量较低的满城石灰岩作为混合料的矿质集料。石灰岩具有一定的耐磨性，能够增加路面的抗滑性，且属于碱性集料，与沥青能较好的粘结，提高混合料的水稳定性。试验采用粗集料、细集料和填料均为石灰岩，且根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，其常规性能指标均满足规范要求。

1.2 沥青结合料

WMA与HMA制备均采用克拉玛依生产的70#基质石油沥青，其各项性能指标见表1。

表1 70#沥青技术指标检测项目针入度(25 ℃, 5 s,100 g)/0.1 mm延度(5 cm/min, 10 ℃)/cm软化点/(℃)密度(15 ℃)/(g·cm-3)溶解度/%旋转薄膜老化试验质量损失/%针入度比/%延度(10 ℃)/cm试验值69.592.448.40.97398.6-0.15772.320.1规范值60～80≥20.0≥46.0实测≤99.0≤±1.000≤61.0≥6.0

2 WMA及HMA配合比设计研究

2.1 泡沫沥青制备

试验选用克拉玛依石化公司生产的70#基质沥青，发泡用水采用洁净蒸馏水。最佳发泡条件的确定主要影响因素是沥青加热温度和发泡用水量，评价指标为膨胀率和半衰期。为了确定最佳发泡条件，对所选70#基质沥青进行发泡试验分析。试验存在一定的变异性，因此每一条件下进行3组平行试验以确保参数的准确性。发泡试验结果如表2所示。

表2 基质沥青发泡试验结果发泡温度/℃用水量/%膨胀率半衰期/s1.08.9610.241451.510.2438.542.013.2226.691.012.1431.511551.514.1722.472.015.3819.081.012.9525.171651.514.5719.382.016.1212.99

为对表2中的数据进行分析，将膨胀率与半衰期指标结果绘制在图1～3中。由图可知： 温度一定时，膨胀率随着含水量增大而增大，半衰期随着含水量增大而减小；含水量一定时，膨胀率随着温度升高而增大，半衰期随着温度的升高而减小。膨胀率的增大提高了泡沫沥青与集料粘附性，半衰期的减小降低了泡沫沥青稳定性，减小了分散性，从而降低裹附能力。综合指标确定155℃下，1.0%用水量为最佳发泡条件。

2.2 WMA与HMA制备

混合料的级配设计既要满足混合料的高温抗车辙能力，又要兼顾低温抗裂和抗水损性能的要求。根据规范[1]对密级配沥青混合料AC-13要求的级配范围，形成良好的S型级配曲线，本次热拌沥青混合料的合成级配曲线如图4所示。

图1 基质沥青145 ℃下发泡指标参数

图2 基质沥青155 ℃下发泡指标参数

图3 基质沥青165 ℃下发泡指标参数

图4 AC-13沥青混合料级配设计曲线

根据规范[1]附录B中热拌沥青混合料马歇尔配合比设计方法确定本次热拌AC-13沥青混合料的最佳油石比，同时根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中规定的相关试验方法进行操作，最终确定AC-13的最佳沥青用量为4.8%。WMA采用与HMA相同的合成级配进行对比，沥青用量同样为4.8%。

3 WMA与HMA路用性能试验

3.1 高温稳定性

沥青混合料是由粗集料、砂浆、空隙组成的三相体复杂结构，其中砂浆是由沥青结合料和细集料组成的一种典型粘弹性材料。高温性能是沥青混合料的重要性能，夏季路面温度可高达75℃，高温下粘性性质显著，流动性大。在车辆荷载作用下沥青混合料承受车辆荷载和剪切作用，极易发生车辙，从而进一步降低路面使用质量，影响行车安全。本研究以动稳定度作为评价指标分析2种混合料的高温性能。试验结果如表3所示。

由表3可知，泡沫WHA的高温性能较HMA下降了60.2%，但仍然满足规范要求≥800次/mm。这主要是因为泡沫沥青中有水存在，水降低了沥青与集料的粘附性，从而导致二者间的粘结力下降。当温度升高后，热稳定性就会显著降低。

表3 WMA与HMA高温性能对比混合料类型动稳定度/(次·mm-1)HMA2 253WMA897

3.2 低温稳定性

冬季气温降低，沥青路面多发低温开裂病害。沥青混合料内部由于温度下降导致温度应力的产生，一般情况下，沥青混合料具有应力松弛的能力，因此当温度缓慢变化时，沥青混合料不会轻易产生低温开裂；但当气温出现急剧变化或面层材料的松弛性能不好时，沥青结合料的脆性显著，使得内部温度应力来不及松弛就超过了抗拉强度极限，路面因此出现低温开裂[4]。低温开裂不仅破坏了路面的承载能力，还进一步将大气降水通过裂缝引入路面带入基层，产生更严重的病害。目前我国规范要求使用弯曲蠕变试验来评价混合料的低温性能，因此对泡沫WHA和HMA均进行低温弯曲试验，结果如表4所示。

表4 WMA与HMA最大破坏应变性能对比混合料类型最大破坏应变/μεHMA2 074WMA2 249

由表4可知，泡沫WHA的最大弯拉应变对比HMA提高了8.4%，表明泡沫WHA的低温性能优于HMA。这主要是因为WMA技术降低了拌和所需的温度，减小了沥青老化带来的不利影响，从而提高沥青混合料的低温抗裂性能。但沥青发泡掺入微量的水分，在低温条件下，残留的微量水分会体积膨胀，导致沥青产生低温开裂，因此对混合料的低温性能并不利。因此试验研究证明泡沫沥青对路用性能的正面影响大于负面影响，泡沫WHA具有较好的低温性能。

3.3 水稳定性

沥青路面常见病害除了车辙变形和低温开裂以外，沥青混合料的水损害也是常见破坏之一，并且水损害的影响会随着水作用的时间增长而增大。水的作用使沥青胶结料本身粘聚力下降、沥青胶结料与集料表面的粘结力降低，导致路面结构性破坏，路面使用性能降低，严重影响路面质量和使用寿命。路面早期破坏主要就是由水的作用产生，矿料间的粘结力受水的作用出现下降，致使在车轮碾压作用石料被带走混合料松散剥落，最终导致路面出现坑槽；路面在使用过程中，长期与大气中的水分或降雨雨水接触，而沥青混合料存在空隙，水因此渗入路面结构，外部车辆荷载和温度引起的热胀冷缩作用使得路面内部的水动力冲刷沥青混合料，导致混合料粘结力下降，并随之出现剥落现象。

对泡沫WMA的水稳性研究非常重要，因为沥青加入水进行发泡再拌制混合料，导致混合料中内部含有少量的水，其内部水对混合料性能影响作用需要通过水稳定性试验来分析。目前国内外评价沥青混合料水稳定性的主要相关试验方法有浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、浸水车辙试验、浸水抗压强度试验和浸水劈裂强度试验等。本文采用浸水马歇尔试验与国外普遍采用的汉堡车辙试验来评价泡沫WMA的水稳定性能。

3.3.1浸水马歇尔实验

该试验用来检验沥青混合料受水侵蚀时的抗剥落能力。分别对HMA与泡沫WMA根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行浸水马歇尔试验，其试验结果如表5所示。

表5 WMA与HMA水稳定性能对比混合料类型残留稳定度比/%HMA97.22WMA97.52

由试验结果可知，二者的残留稳定度基本相同，且泡沫WMA的残留稳定度高于HMA残留稳定度0.3%。可以看出泡沫WMA在降低拌合温度的前提下，并没有降低水稳定性，且与HMA的水稳定性能基本相同，均远远高于规范要求。

3.3.2汉堡车辙试验

德国以此试验作为规范要求，用来评估一些交通量较大的行车道路的车辙和抗剥落性能。使用旋转压实仪成型直径150mm、高度(62±2)mm的圆柱形试件，并将2个试件均切去小弓形后组合成1组试件，以适应试验模具，汉堡车辙试验的温度范围为25℃～70℃，常用温度为45℃或50℃[5]。将47mm宽的钢轮施加705N荷载在试件上进行往复运动，运动速度约为52次/min，当钢轮往复运动次数达到20000次或试件产生20mm的变形时，试验停止，试验得到的指标主要以剥落点作为水稳定性评价标准。图5为车辙试验中车辙深度随着碾压次数增加而增大的情况。

图5 汉堡车辙试验曲线图

根据图5可知，泡沫WMA在50℃水浴下进行汉堡车辙试验，在12076次碾压时开始发生剥落，而HMA在14075次碾压时发生剥落，因此泡沫WMA的水稳定性相对较低，这主要是由于水的存在降低了泡沫沥青与集料的粘附性能。汉堡车辙在水浴条件下不仅可以评价混合料的水稳定性，也可以评价混合料的高温性能[6]，试验结果同时印证了高温性能试验中WMA性能较HMA差的结论。

综合分析浸水马歇尔与汉堡车辙试验结果可知，泡沫WMA的水稳定性能相比HMA并未出现明显降低，且二者都满足规范要求，因此泡沫WMA的抗水损能力能保证沥青路面使用要求。

4 结论

通过对70#基质沥青进行发泡试验确定了最佳发泡条件。按照规范要求确定了级配相同的热拌沥青混合料与温拌沥青混合料最佳沥青用量，并在此条件下制备混合料路用性能对比研究。将2种混合料分别进行车辙试验、低温小梁试验、浸水马歇尔实验和汉堡车辙试验，以普通热拌沥青混合料为基础，研究泡沫温拌沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性能，得出如下结论：

1) 高温稳定性能方面：泡沫沥青混合料的动稳定度比普通热拌沥青混合料降低了60.2%，但二者均满足规范要求(≥800次/mm)。这主要是因为泡沫沥青中有水的存在降低了集料与结合料之间的粘附性，没有形成强度，从而在高温下抵抗荷载作用降低，容易产生车辙。汉堡车辙试验佐证了车辙试验的结果。

2) 低温稳定性能方面：温拌沥青混合料的低温性能比普通热拌沥青混合料提高了8.4%。由于拌合温度比传统热拌沥青混合料温度下降约30 ℃，温拌沥青混合料显著降低了沥青结合料的老化程度，从而保证沥青结合料保持其本身的松弛能力，能较好的抵抗低温下的破坏。

3) 水稳定性方面：温拌沥青混合料的水稳定性基本与普通热拌沥青混合料性能接近，并未出现显著降低。