具有一定服役年限的泡沫温拌沥青混凝土路面路用性能试验研究

2022-06-07李包，李宁，陈晨，于新

公路工程 2022年2期

李包，李宁，陈晨，于新

(1.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098；2.江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏南京 211106)

0 引言

交通运输行业作为二氧化碳排放最多的部门之一，面临着越来越大的环境压力，沥青路面作为高等级道路主要的路面类型，道路本身的建设和维修需要耗费大量的能源。温拌沥青技术采用较低的沥青混合料生产温度，降低燃料消耗，减少温室气体和有害气体的排放，泡沫温拌沥青技术作为温拌技术的主流，应用占比超过温拌沥青技术的90%[1-4]。

尽管泡沫温拌沥青技术被认为是绿色施工技术，降低了沥青混合料生产温度，改善了沥青混合料的施工可操作性，但必须评估其对沥青混合料各种性能参数的影响。杨彦海[5]等采用体积指标得出泡沫温拌沥青混合料的成型温度，对比了泡沫温拌和传统热拌沥青混合料的路用性能，发现泡沫温拌沥青技术降低了沥青混合料的路用性能。张小康[6]研究了泡沫温拌和传统热拌橡胶沥青混合料的路用性能，发现泡沫温拌橡胶沥青混合料抵抗水损害和抗车辙性能略低于传统热拌橡胶沥青混合料，低温抗变形能力有所改善。李瑞[7]对老化后的泡沫温拌沥青混合料进行研究，得出泡沫温拌沥青混合料路用性能衰减大于传统热拌沥青混合料，泡沫温拌沥青混合料抵抗老化能力较弱的结论。王枫成[8]等以基质沥青为研究对象，与热拌基质沥青混合料相比，发现泡沫温拌基质沥青混合料的高温稳定性能略有降低。目前学界针对泡沫温拌沥青混合料的路用性能已经开展了系统的研究，但是绝大部分是针对室内试验，尚不清楚路用性能随老化和致密化的变化情况。现场路面受到不同气候和车辆荷载的作用，最能反映出实际问题。

本文选取不同服役年限的泡沫温拌沥青路段，以同期热拌路段为对比，研究现场泡沫温拌沥青混合料路用性能的变化情况。采用汉堡车辙试验、SCB试验和冻融劈裂试验分别评价泡沫温拌沥青混合料的高温性能、抗裂性能和抵抗水损害能力，以此作为泡沫温拌沥青技术深入研究的依据。

1 试验材料和方法

1.1 取芯方案

本文选取不同服役年限的高速公路路段进行取芯，为降低试验数据的误差，所选泡沫温拌沥青路段与传统热拌路段在路面结构形式、服役年限、交通量、养护历史等方面保持一致，选取4条高速公路共8个段落进行评价，试验所用芯样均为上面层沥青混合料，取芯位置均为轮迹带处。

评价路段中泡沫温拌沥青混合料均采用SBS改性沥青，采用徐州工程机械集团有限公司生产的XFP20泡沫沥青发泡设备进行沥青的发泡，发泡用水量为SBS改性沥青质量的2.5%左右，发泡温度控制在165 ℃左右，发泡水温度为20 ℃～30 ℃。其中，与传统热拌沥青混合料相比，泡沫温拌沥青混合料生产温度降低幅度控制在20 ℃以内。评价路段信息及样品编号如表1所示。

表1 评价路段信息和样品编号Table 1 Evaluation section information and sample number高速公路编号混合料类型服役年限/a样品编号高速公路AAC-135高速A-WMA-AC-5y高速A-HMA-AC-5y高速BAC-134高速B-WMA-AC-4y高速B-HMA-AC-4y高速CSMA-132高速C-WMA-SMA-2y高速C-WMA-SMA-2y高速DSMA-131高速D-WMA-SMA-1y高速D-WMA-SMA-1y

汉堡车辙试验所需芯样均采用内径为150 mm的取芯筒钻取，由于评价层位为沥青路面上面层，厚度为40 mm左右。为避免中面层沥青混合料对试验数据的影响，芯样上面层统一切割厚度为40mm，处理后的芯样沿边缘切割出宽度为88 mm的弦。

SCB弯曲试验和冻融劈裂试验所需芯样均采用内径为100 mm的取芯筒钻取，由于评价层位为沥青路面上面层，厚度为40 mm左右，为避免尺寸效应对试验数据的影响，芯样上面层统一切割厚度为40 mm。其中，用于SCB弯曲试验的试件，芯样沿直径切割，分割为2个半圆形试件。

1.2 试验方法

1.2.1汉堡车辙试验

如图1所示，汉堡车辙试验使用WTIM型汉堡双臂浸水车辙仪，参照AASHTO T324试验方法[9]，轮宽度为47 mm，荷载为0.7 kN，钢轮运行速度为52次/min，试件在60 ℃水浴中加热30min，钢轮碾压20 000次或者产生20 mm变形为试验终止条件。在轮迹位置处等间距分布多个车辙深度采集点，试验过程记录碾压次数对应的车辙深度，选取特征点处车辙深度进行计算[10]。沥青混合料在未发生水损坏之前，主要发生的是压密和黏塑性变形，为评价沥青混合料抗车辙性能的优劣，采用黏塑性应变和黏塑性应变斜率评价芯样的高温稳定性能[11]，公式为：

(1)

(10 000)-(λ+1)

(2)

1.2.2SCB弯曲试验

SCB试验使用UTM25万能试验机(见图2)，采用3点加载的方式，底部为梁式支座，间距为80 mm，底部支座涂抹润滑油，减少滑动阻力。芯样控温温度分别为-10 ℃、0 ℃、15 ℃，芯样在环境箱中放置4 h以上，采用50 mm/min的竖向位移加载速率进行加载，记录试验过程中荷载和位移的变化情况。采用断裂能评价沥青混合料的抗裂性能，芯样断裂能越大，说明其破坏需要更大的能量，抗裂性能更好。断裂能的计算涵盖了试验中试件各个时刻的荷载和变形情况，比较全面地反映了沥青混合料的抗裂性能[12-13]。公式为：

(3)

式中：Gf为断裂能，J/m2；P为施加荷载，N；u为平均负载线位移，m；h为试件高度，m；b为试件厚度，m。

图2 SCB弯曲试验Figure 2 SCB bending test

1.2.3冻融劈裂试验

通过冻融劈裂试验评价芯样抵抗水损害的能力，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0729-2000规定，对芯样进行冻融循环处理，采用测试芯样在冻融循环作用后承载力的变化情况，评价服役短期及长期后，泡沫温拌沥青混合料抵抗水损坏能力的变化。

(4)

式中：TSR为评价芯样的冻融劈裂强度比，%；RT2为冻融处理后评价芯样的劈裂抗拉强度，MPa；RT1为未进行冻融处理的评价芯样劈裂抗拉强度，MPa。

2 试验结果与分析

2.1 汉堡车辙试验数据分析

汉堡车辙试验仪作为沥青混合料高温性能评价的重要试验方法之一，具有与实际路用性能高度一致的优势[14]。在常规的汉堡车辙试验中，车辙深度与荷载次数的关系图可分为3个主要阶段，分别是压实后阶段、蠕变阶段和剥离阶段[15]。压实后阶段一般发生在开始的1 000个负载周期内，芯样发生初始压密；蠕变阶段遵循恒定的变形速率；当进入到剥离阶段时，由于胶结料和骨料发生剥离，导致车辙深度迅速增加，变形速率增大，该阶段的车辙深度是由荷载作用和水损坏2个因素导致，因此研究沥青混合料抗车辙性能应重点关注剥离阶段之前的曲线。各条高速速公路芯样车辙深度随荷载次数的变化情况，如图3所示。

由图3可知，各条高速速公路芯样的汉堡车辙曲线没有出现明显的反曲率曲线段，表明在20 000次加载周期内，各芯样未进入剥离阶段。对比各条高速公路芯样的最大永久变形，发现随着服役年限的增加，各条高速速公路的车辙深度呈现减小的趋势，这种现象可归因于随着服役年限的增加，沥青老化程度加深，沥青混合料在车辆荷载的作用下变得更加密实，表现出更好的抵抗车辙变形的能力。对芯样的黏塑性应变进行进一步分析，如图4所示。

(a) 高速A、B

(b) 高速C、D

(a) 高速A

(b) 高速B

(d) 高速D

图5 芯样黏塑性应变速率Figure 5 Viscoplastic strain rate of core sample

由图5试验数据分析可知：

a.高速C、D芯样的黏塑性应变速率明显大于高速A、B，这种现象可归因于高速C、D评价段落服役年限为1～2 a，沥青混合料尚处于初期压密阶段，而高速A、B评价段落服役年限为4～5 a，随着交通荷载的作用和沥青的老化，沥青混合料的变得更加致密，表现出更优越的抗车辙性能。

b.对比各条高速公路中泡沫温拌和同期热拌沥青混合料的黏塑性应变速率，发现高速B、C、D中同期热拌沥青混合料的黏塑性应变速率均大于泡沫温拌沥青混合料，仅高速A中同期热拌沥青混合料的黏塑性应变速率小于泡沫温拌沥青混合料，这种现象可归因于泡沫温拌沥青混合料施工和易性较好，且评价段落泡沫温拌沥青混合料拌和温度降低幅度较小，在相同的施工条件下，泡沫温拌沥青混合料更加密实，整体来看，泡沫温拌沥青混合料高温性能优于同期热拌沥青混合料。

2.2 SCB弯曲试验数据分析

SCB试验适用于评价现场芯样抗裂性能，试件制备方便，测试结果具有可重复性。对4条高速公路共8个段落的半圆试件进行SCB弯曲试验，共测试了-10 ℃、0 ℃、15 ℃这3个温度，其中以-10 ℃、0 ℃下芯样的断裂能作为低温抗裂性能的评价指标，以15 ℃下芯样的断裂能作为中温抗裂性能的评价指标，试验结果如图6所示。

由图6试验数据分析可知：

a.随着温度的升高，各条高速公路中泡沫温拌和同期热拌沥青混合料的断裂能均呈现增加的趋势，当温度小于0 ℃时，断裂能变化幅度较小，当温度大于0 ℃时，随温度的升高断裂能迅速增大，表明低温条件下沥青路面更容易开裂。这种现象是由于在较低温度下沥青失去了黏性，由黏弹性转变为脆性，导致沥青混合料更容易开裂。在-10 ℃条件下，高速C、D中泡沫温拌和同期热拌沥青混合料的断裂能均大于高速A、B，表明随着服役年

(a) 高速A

(b) 高速B

(d) 高速D

限的增加，沥青混合料低温抗裂性能下降，这种现象可能与沥青老化导致延展性降低有关[16]。

b.对比-10 ℃、0 ℃条件下，各条高速公路泡沫温拌和同期热拌沥青混合料的断裂能，发现高速C、D中泡沫温拌沥青混合料的断裂能大于同期热拌沥青混合料，高速A、B中泡沫温拌沥青混合料的断裂能小于同期热拌沥青混合料，这种现象可能与路面压实度和沥青的性能有关。路段铺筑初期，泡沫温拌沥青混合料由于具有较好的施工可操作性，且评价段落泡沫温拌沥青混合料拌和温度降低幅度较小，在相同的压实功下，较热拌沥青混合料得到更充分的压实，低温下破坏需要更大的能量，具有较好的低温性能[17]。随着车辆荷载的不断作用，泡沫温拌和热拌沥青混合料完成了初期压密，两者压实度差异减小，由于发泡水降低了沥青的低温性能和耐老化性能，导致长期服役后的泡沫温拌沥青混合料的低温抗裂性能略差于同期热拌沥青混合料[18]。

c.对比15 ℃条件下，各高速中泡沫温拌和同期热拌沥青混合料的断裂能，同样发现高速C、D中泡沫温拌沥青混合料的断裂能均大于同期热拌沥青混合料，高速A、B中泡沫温拌沥青混合料的断裂能均小于同期热拌沥青混合料，表明在中温条件下，较热拌沥青混合料而言，早期泡沫温拌沥青混合料具有较好的抗裂性能，后期泡沫温拌沥青混合料呈现出略差的抗裂性能。

2.3 冻融劈裂试验数据分析

冻融劈裂试验作为沥青混合料水稳定评价的常规方法，具有操作简单，稳定可靠等优势。对4条高速公路共8个段落中钻取的芯样进行了冻融劈裂试验，经式(4)计算得出各条高速公路芯样的冻融劈裂强度比，如图7所示。

图7 芯样的冻融劈裂强度比Figure 7 Freeze-thaw split strength ratio of core sample

由图7试验数据分析可知，高速A、B、C、D中泡沫温拌沥青混合料的TSR均大于同期热拌沥青混合料，表明服役短期和长期的泡沫温拌沥青路面抵抗水损害的能力均优于热拌路段，施工过程中泡沫沥青中微量的残留水并未损害泡沫温拌沥青混合料的水稳定性。导致这种现象的原因是评价段落泡沫温拌沥青混合料拌和温度降低幅度较小，在相同的压实功下，较热拌沥青混合料得到更充分的压实，表现出更好的水稳定性。