基于泡沫沥青温拌再生沥青混合料基体的半柔性路面路用性能研究

窦志荣

公路在进行维修和改扩建的过程中产生了较多的废旧沥青混合料，此类混合料会对环境造成污染，导致资源的浪费。如何对该类混合料进行高效利用是非常关键的问题，因此本文提出了对沥青混合料进行再生的理念。针对该理念本文进行了如下研究：泡沫沥青特性分析，基体混合料、温拌基体混合料的设计，最后对该类混合料进行了路面性能分析。通过以上内容研究说明：基于泡沫沥青的温拌再生混合料能有效解决旧混合料浪费，污染环境的问题，达到节约资源的目的。因此本文对混合料的研究具有一定的指导意义。

我国最常使用的路面材料大致分为两类，一类是水泥路面，一类是沥青混凝土路面。水泥路面刚度大，寿命长，但路面平整度较低，维修养护费用高。沥青混凝土路面能满足平整度要求，但高低温性能较差，针对该现象我国进行了半柔性路面的研究。郝培文等人通过对半柔性路面进行设计，表明该材料的路用性能良好，但低温性能较差。王伟明通过半柔性路面材料的研究表明：该结构的基体沥青混合料进行配合比设计时，空隙率为25%左右时最佳。肖天佑对半柔性材料的自愈合能力进行分析，加入砂浆后能改善路面的开裂性能。通过以上内容的分析说明传统的路面材料限制了我国可持续发展的进程，再生技术和温拌技术具有保护环境和节约能源的作用。但我国对半柔性路面的研究目前还较少，因此本文在前人研究的基础上进行进一步探索，因此具有一定的实际意义。

一、泡沫沥青特性分析

1.沥青发泡原理

沥青发泡主要原理是在膨胀室内热沥青与冷水接触后，发生连锁反应，主要过程如下：

（1）在热沥青表面滴入冷水滴，使二者发生热交换现象，使水滴的温度升高，沥青的温度降低，并逐渐扩散出去。

（2）温度高于100℃时沥青传递给水的热能使冷水开始由液态转为气态，形成蒸汽。

（3）冷水形成蒸汽的过程，发泡腔内会产生大量气体，同时使体积增大，压力增强。在压力作用下，蒸汽泡持续压入沥青内，沥青在压力和蒸汽泡作用下，会从喷嘴喷出。

（4）发泡过程中沥青表层会形成一层沥青膜，由于沥青膜表面张力的作用，使水蒸气被包裹在沥青膜里面。蒸汽压力与表面张力之间会形成平衡状态，这种平衡状态持续时间较短，随即发生的现象为泡沫破灭。

对于泡沫破灭现象存在两种理论分析：一种是当多个气泡聚于一起时，液膜会凹向气室，形成普莱特边界。这种解释适用的范围为气泡体积较大的情况。另一种原理解释为：喷嘴喷出的泡沫沥青在冷空气的作用下，发生破灭，水蒸气进行液化，残留在沥青内部，形成水饱和沥青。

2.沥青发泡影响因素

（1）发泡用水量

沥青在进行发泡时，用水量的多少会直接影响沥青的发泡体积。用水量增加时，沥青产生的泡沫较多，从而使反应过程中的膨胀率增加。当沥青单个泡沫的体积增大时，会使沥青膜变薄，这样会导致半衰期缩短。半衰期的变化规律与发泡用水量之间成反比变化，因此用水量常控制在1%~3%。

（2）沥青发泡温度

沥青的发泡过程中对三大指标以及水蒸发产生的热量影响较大的是温度。当用水量一定时，温度升高，反应的膨胀率也会增加，半衰期会减短。当温度高于140℃时，发泡效果较好。

（3）沥青来源和类型

沥青的组分和成分不同，产生的发泡效果也不相同，沥青的成分以及沥青含量对发泡效果影响较大。当沥青中蜡的含量较高时，膨胀率减小，半衰期减短；蜡含量适中时，发泡效果较好，当采用低标号的沥青时，由于针入度小，因此发泡效果也不理想。研究发泡效果通常选用针入度80mm~150mm的沥青。

二、混合料设计

1.基体沥青混合料

通过经验分析以及相关资料查询可知：基体沥青混合料能保证结构稳定性的空隙率25%，此时灌浆会有较好的效果，半柔性材料具有较好的性能。因此本文的目标空隙率设定为25%，基体沥青混合料的配合比设计采用CAVF的方法进行。油石比通过工程经验等差值间距取值为2.6%、3.1%、3.6%、4.1%、4.6%。通过计算最终可得最佳沥青用量为3.5%。

2.温拌基体沥青混合料

依据前文中确定的目标空隙比进行再生料RAP掺量的确定，本节再生料产量分别设计为15%、30%、45%、60%。不同掺量的基体沥青混合料指标如表1所示。

表1 指标变化表

通过表1的数值变化可知基于最佳沥青用量的基体沥青混合料指标均满足要求。

三、路用性能分析

1.高温性能分析

本文研究高温性能主要通过的试验方法是车辙试验，具体试验条件设定如下所示：碾压0.7MPa，（一小时来回）；通过获取t1和t2时间的车辙数据来计算混合料的评价指标，即动稳定度。

上式中DS指评价指标动稳定度；t1和t2表示获取车辙数据的时刻；d1和d2表示该时刻的车辙深度。C1和C2表示试验常数；N=42 次/min。

通过对试验结果进行分析可知：再生掺量RAP为60%时，材料的DS不满足规定要求，当龄期增大时，半柔性材料的动稳定度也增大，当RAP掺量为30%、45%、60%时，DS的增长值较小，该现象说明试验过程中沥青胶浆的影响程度较大，龄期增长主要表现为砂浆强度增加。因此通过对材料高温性能研究得到结论：该材料具有较好的高温性能，再生料的掺量应在45%以内。

2.低温性能分析

低温性能的试验方法有很多种，但是试验之间的关联性并不理想，本文选取的试验方法是低温弯曲蠕变试验，该方法是低温试验方法中最能反映低温破坏状态的试验方法，具体如下：试件尺寸为250mm×30mm×35mm；弯曲蠕变试验过程中环境温度为-10℃，加载速率为50mm/min。该试验选取的评价指标为最大弯拉应变和劲度模量。计算公式如下所示：

上式中：L、b和h分别表示试件的长度、高度以及宽度；Rb表示极限弯拉强度；εb表示最大弯拉应变；Sb表示试件的劲度模量。

通过对试验结果进行分析可知：温拌再生半柔性路面的低温性能表现较差，掺加0%～30%的再生料时，再生料增加，半柔性材料的弯拉应变降低；掺加30%～60%的再生料时，再生料增加，半柔性材料的弯拉应变有所提高，但提高程度较低。

3.水稳定性能分析

我国主要采用浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验进行水稳定性研究。浸水马歇尔方法能较好地反映路面的抗水毁能力，而且试验方法简单，试件制作方便。冻融劈裂试验能够较好地反映水对沥青混合料的作用，而且能够反映低温环境下沥青与集料产生分离和破坏的状况。

通过对试验结果进行分析可知：5种不同掺量的沥青混合料经过冻融循环和未经过冻融循环时的劈裂抗拉强度均大于SMA-13，该现象表明温拌再生半柔性材料具有较好的水稳定性。

四、结语

本文通过对温拌再生半柔性材料进行相应地性能分析得出以下结论：

（1）沥青发泡过程主要表现为沥青与冷水滴之间的热交换过程，沥青发泡的影响因素主要有：发泡用水量、沥青发泡温度、沥青的类型。

（2）通过对沥青混合料进行设计可以得到最佳沥青用量为3.5%，该值下对应的不同RAP掺量下材料的指标性能均符合要求规定。

（3）通过对半柔性路面的路用性能分析可知：该材料具有较好的高温性能，再生料的掺量应在45%以内；掺加再生料后，半柔性材料的低温性能并未得到较好的改善；经过冻融循环后，该材料扔具有较好的水稳定性。