安徽普通公路泡沫沥青冷再生混合料中长期路用性能评价

刘 军

（安徽省公路管理服务中心,安徽 合肥 230022）

0 引言

泡沫沥青的冷再生经使用泡沫沥青与水泥作为稳定剂，专用设备处理原沥青路面进行冷铣和冷刨旧材料并就地或经厂混合方法添加泡沫沥青、水泥、水的混合物在常温、铺装、轧制等工序后实现了沥青路面再生的技术[1]。其充分利用了“剩余价值”，推行低碳循环利用，减少浪费，节约了工程造价。安徽省2019年首次在G105宿松段（K1376+800~K1391+200）水毁修复以及路面深层修复中应用到泡沫沥青冷再生技术，目前在部分普通国省干线公路上应用了该技术，经跟踪检测观测，路面性能良好。然而安徽省近年来部分泡沫沥青冷再生路面服役期均不足三年，依据现有数据还不足以对泡沫沥青冷再生混合料的路面长期性能做出全面科学评价，因此，有必要基于室内试验和现有工程数据对其路面使用性能进行评价，为进一步研究和改进冷再生泡沫沥青混合料的长期道路性能提供了依据。

近几年以来，国内外研究和改进冷再生泡沫沥青混合料设计，对使用性能和疲劳耐久性也进行了一定的研究。丛培等[2]通过分析RAP、发掘再生剂和模拟使用时间对泡沫沥青冷再生疲劳性能的影响对变形水平的变化更敏感因子，并且增加RAP掺量或添加再生剂有效改善其抗疲劳性能。张争鹏等[3]结合天津地区现有泡沫沥青冷再生高速公路工程，对泡沫冷再生材料的长期力学性能与长期路面使用性能进行研究，但受再生层上铺筑的沥青面层厚度和交通等级影响较大。王宏等[4]研究了泡沫沥青冷再生的力学性能在不同的养生温度下，随着养生温度的升高，干湿混合再生泡沫沥青的力学性能显著提高。经养生温度升高后，混合物的单位体积的破坏变形能量明显增加。

从国内外研究结果中可以看出，通过提高养生温度或添加改性剂等措施可以有效增强公路泡沫沥青冷再生混合料长期道路性能。该文验证了泡沥青冷再生混合料在不同条件下的物理性能及多次冻融循环后的水稳定性、疲劳性能，其对研究和改进冷再生泡沫沥青混合料长期路用性能具有一定现实意义。

1 试验材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 回收沥青路面材料（RAP）

RAP依托淮南市某国省干线路面修复工程获取，为了分析不同再生速率下研磨材料级配的变化，现场取样的时候可采用泡沫沥青切割型原位冷再生机，切削厚为10 cm时，以3 m/min、5 m/min、7 m/min的三种速度铣削作业进行研磨和取样，通过室内铣削作业筛选试验获得不同的铣削材料的级配，如图1所示。

图1 不同铣刨速度RAP筛分结果

由图1可知，再生机3 m/min铣刨速度下，旧混合料中最大粒径偏小，均小于26.5，粗骨料含量较少；5 m/min铣刨速度下，旧混合料中整体级配适中；7 m/min铣刨速度下，铣刨料大块偏多。因此，该文选择5 m/min铣刨速度下铣刨料为原材进行配合比设计。

1.1.2 其他原材料

沥青采用金陵石化AH-70#基质沥青进行发泡。为了进一步提高冷再生混合物的早期强度和水稳定性，初始添加量为水泥1.5%，试验采用标号为42.5的普通缓凝硅酸盐水泥，新添加的粗集料采用石灰岩。

1.2 试验方法

采用振动击实成型仪器，马歇尔样品在发泡沥青计量的最佳条件下通过混合比测试成型。室内按常规养生、添加抗剥落剂、40 ℃养生三种条件制备试件，三种条件按顺序编号为A1、A2、A3。

A1方案：试件25 ℃恒温箱养生4 d；

A2方案：按沥青质量0.5%掺加的某非胺类抗抗剥落剂，试件25 ℃恒温箱养生4 d；

A3方案：试件40 ℃鼓风烘箱养生3 d+室温25 ℃恒温箱养生4 d。

按以上方案依次测试泡沫沥青冷再生混合料，基本力学性能：采用振动成型的大马歇尔试件的马歇尔稳定度以及干湿分馏阻力，以评估混合物的高温性能和水稳定性。长期路用性能：采用多次冻融循环后的劈裂试验和小梁疲劳试验来评定。

2 配合比

2.1 再生级配设计

结合PAR分类，调整不同的添加比进行测试匹配，最终采取以下的材料成分进行再生级配设计：93.5%RAP+5%粗集料+1.5%水泥。

2.2 最佳含水量的确定

采取振动达到最大干密度比重型击实的最大干密度1.02~1.04倍，为了更好地模拟现场施工，将烘干的铣刨旧料、水泥和新集料按拟定比例搅拌后采用维特根WLV1振动击实成型仪器进行振动冲击测试，混合物最佳拌和用水量取合成集料最佳含水量的80%，并使混合料的含水量达5.3%这个最佳值，最佳拌和用水量4.3%，最大干密度2.185 g/cm³。

2.3 发泡温度的确定

选择150 ℃、155 ℃、160 ℃三种温度，在室内采用WLB10室内发泡试验机对沥青进行发泡试验。经过分析总结出当沥青温度在150 ℃的发泡性能作用下，发现该温度下的最佳发泡用水量为2.7%，对应的膨胀率为11.8，半衰期为8.7 s；当沥青温度在155 ℃的发泡性能分析，发现该温度下的最佳发泡用水量为2.4%，对应的膨胀率为14.2，半衰期为11.3 s；当沥青温度在160 ℃的发泡性能作用下，发现该温度下的最佳发泡用水量为1.9%，对应的膨胀率为12.2，半衰期为12.4 s。因此，该文选择膨胀率与半衰期相加数值最大的155 ℃作为最佳发泡温度。

2.4 最佳沥青含量的确定

根据不同沥青量的干湿分裂强度和干湿分裂强度的相对比值，分析回归指数与沥青泡沫成分的曲线相关联因子，取干裂缝强度和干湿分馏强度比ITSR作为沥青混合料的最佳用量，获得最佳沥青含量值为2.5%。

3 结果与讨论

3.1 基本物理力学性能

3.1.1 空隙率

根据提出的方案，以维特根WLV1振动冲击机用于形成大马歇尔试样，采用求空隙率的蜡封法来进行确定，结果如表1所示，方案A2和A3的孔隙率与A1相比明显处于下降态势，是因为方案A1添加抗剥落剂能有效提高水泥的附着力，使细骨料能够更好地填充粗骨料骨架中的空间，从而降低冷再生沥青混合料成泡沫的孔隙率。适当提高再生混合料的养生温度，使冷再生混合料内部泡沫沥青的分布状态从“点焊”变为“片材”，泡沫沥青胶浆的进一步分散使得混合料空隙得到进一步填充。

表1 不同条件下泡沫沥青冷再生混合料的空隙率

3.1.2 高温稳定度

按拟定方案采用维特根WLV1振动击实仪成型大马歇尔试件，测定马歇尔稳定度，见图2所示。三种条件下，高温稳定度基本相当，说明泡沫沥青冷再生高温稳定性对沥青分散程度以及养生温度不敏感，推测泡沫沥青冷再生高温性能主要依靠因为水泥的水化反应与混合料中的细集料结合，其减少了沥青胶浆在高温下的流动，并对粗集料起到加筋作用。

图2 不同条件下泡沫沥青冷再生混合料的马歇尔稳定度

3.1.3 干湿劈裂强度

按拟定方案采用维特根WLV1振动击实仪成型大马歇尔试件，测定了对干湿分离的抵抗力，并评价了泡沫沥青冷再生混合物的水稳定性。如图3所示。试验结果表明：采用提高养生温度或掺加抗剥落剂措施，都在一定程度上促进沥青与RAP料结合，可以有效改善胶结料性能，降低孔隙度，显著增加沥青向矿石表层的局部扩散程度，有利于提升混合物中水的稳定性能。

图3 不同条件下泡沫沥青冷再生混合料的劈裂强度

3.2 长期路用性能

3.2.1 冻融循环试验

按拟定方案采用维特根WLV1振动击实仪成型大马歇尔试件，需要进行五次冻融循环的抗裂性比试验，针对性地对混合料的长期水稳定性进行研究，见图4所示。在每个冻融循环节后，混合物的抗破裂性在一定程度表现出明显的下降，A1方案在几个冻融循环中下降表现出最快；五次冻融循环后的抗裂解率只有72.1%，明显表现出水稳定性欠佳；图A2和A3中泡沫沥青混合料样品经过五次冻融循环测试后的强度比分别达到77.1%和75.2%，均满足沥青路面再生规范75%的要求[5]。

图4 不同条件下泡沫沥青冷再生混合料冻融劈裂强度比

3.2.2 疲劳性能

在通过车轮碾压出的试样，削制成为：长380 mm、宽63.5 mm、厚50 mm的梁试样，并且每组准备两个平行试样。疲劳试验控制温度为20 ℃时，变形程度为：150 με、200 με、250 με、300 με，弯曲试验和分馏装置使用的是4点法，使加载频率为10 Hz，并设置疲劳试验终止条件为梁式试件劲度模量下降到初始劲度模量的50%。

由表2可以看出，随着应变水平的增大，发泡沥青的冷再生混合物的模量已经表现出降低，应变水平由150 με增大至300 με，劲度模量降低幅度在50%左右。相同应变水平下，采用添加抗剥落剂以及提高养生温度措施，都可以提高发泡沥青冷再生混合物的疲劳强度。

表2 不同条件下泡沫沥青冷再生混合料的疲劳寿命

分析其原因为：提高养生温度，使得新旧沥青遭受高温相互作用后，泡沫沥青与老化沥青产生聚变，从而旧沥青吸收再生剂轻质组分后加速了性能恢复，具有与新沥青一样的黏结性，并随之增长，其临界面混合向冷再生沥青混合料热转变。

4 结论

（1）采用添加抗剥落剂、提高养生温度等措施，可有效提高泡沫沥青冷再生混合料的孔隙比率、抗裂性等物理方面的力学性能，但对高温稳定性影响不明显。

（2）采用添加抗剥落剂、提高养生温度等措施，有助于提升泡沫沥青冷再生混合料的抗疲劳性能及多次循环后的水稳定性。

（3）沥青标号、泡沫沥青用量、水泥掺量、养护时间等因素均会对泡沫沥青冷再生混合物的高温稳定性能产生相当大程度的影响，不同掺量的抗剥落剂也对公路泡沫沥青再生混合料中的长期使用性能存在一定影响，有关试验结论有待进一步研究论证。