泡沫温拌沥青混合料水稳定性影响因素分析

■李海敏

（广东粤路勘察设计有限公司，广州 510630）

近年来粤东地区地方经济迅速发展，沿线村镇规模急剧扩大，厂矿日益增多，超载车辆非法上路行驶现象愈演愈烈，道路损坏情况逐步加剧，拟采用重做沥青路面结构、加铺沥青上面层等方案对现状路面结构进行改造。 国道G206 线揭阳市某路段路面改造工程，路线全长24.008 km。 鉴于本项目途经村镇人口较为密集，对环保要求较高，采用温拌沥青技术，较常规的热拌沥青技术，可显著降低混合料的拌合温度，降低燃油消耗，有效减少有害、有毒气体的排放，达到高节能、低排放的环保要求，因此本项目推荐采用温拌沥青技术进行设计。

基于温拌沥青混合料的技术优势，国内外已有大量路面工程应用温拌技术[1-4]。 温拌技术可分为乳化类、有机添加剂类、泡沫沥青类3 类技术。 泡沫沥青的温拌工艺无需添加外掺剂， 完全是物理反应，成本低廉，技术成熟，应用于制备温拌沥青混合料具有明显的优势。 由于沥青发泡需要用水，因此泡沫温拌沥青混合料水稳定性是影响混合料耐久性和力学性能的关键，而泡沫温拌沥青混合料的影响因素较多，沥青温度、沥青的发泡效果、发泡用水量、拌合温度、外掺剂类型等因素都对温拌沥青混合料的水稳定性能产生不同程度的影响。 王福[5]采用Sasobit-LM 与Honeywell TitanTM 2 种有机温拌剂制备温拌沥青混合料，研究温拌沥青混合料抗松散性能与水稳定性的相关性。 毛成等[6]基于浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价原样沥青及温拌沥青混合料的水稳定性。 黄川[7]采用正交试验评价RAP 料掺量、温拌剂用量、混合料粒径等因素对温拌再生沥青混合料水稳定性的影响。 经随机森林变量重要性分析，发泡用水量、发泡效果、沥青温度是重要性较高的变量，纤维掺量重要性较低。 以本项目采用的沥青为例，拟以最佳发泡效果、沥青温度155℃，发泡用水量2%、纤维掺量0.3%的组合提高温拌沥青混合料水稳定性。

1 试验材料

1.1 主要材料及装置

本次研究主要采用的试验材料及装置见表1。

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1.2 沥青发泡特性

本试验基于维特根WLB10 型沥青发泡机进行沥青发泡试验，综合评价沥青的发泡效果。 设定中海油滨州70# 沥青的发泡温度范围为135℃～165℃，发泡用水量范围为2%～4%，实测膨胀比和半衰期数据， 膨胀比范围为9～29 倍， 半衰期范围为14.0～46.6 s。从膨胀比和半衰期数据可看出，膨胀比随着发泡用水量的增加而增大，半衰期随着发泡用水量的增加而减少。 总体而言，中海油滨州70# 沥青的发泡效果优异，满足冷再生规范[8]的发泡要求（膨胀比≥10 倍，半衰期≥8 s）。 为便于后期发泡效果的影响分析，本文参考前人的研究经验[9]，综合权衡不同温度下的沥青膨胀比和半衰期数据，将沥青发泡效果划分为3 个水平：优秀（膨胀比约26.7 倍，半衰期约26 s）、良好（膨胀比约28.2 倍，半衰期约15 s）、中等（膨胀比约11 倍，半衰期约43.2 s）。

2 试验设计

2.1 级配设计

本试验采用GAC-20 型级配。

2.2 最佳拌合温度

拌合温度是沥青混合料施工控制的关键因素[10]，本试验通过测试不同拌合温度下的温拌沥青混合料和热拌沥青混合料的空隙率，以确定温拌沥青混合料的拌合温度，如图1 所示。

图1 拌合温度与空隙率的关系曲线图

由图1 曲线可知，当拌合温度超过140℃时，结合热拌沥青混合料的空隙率5.0%， 表明温拌沥青混合料的压实度超过热拌沥青混合料，密实性达到热拌沥青混合料水平。 因此，设定温拌沥青混合料的拌合温度为140℃。

2.3 试验设计

泡沫温拌沥青混合料的水稳定性能是决定耐久性的关键，将通过研究影响其水稳定性的因素（沥青温度、发泡用水量和聚合物纤维掺量），探索提高水稳定性能的可操作性方法。 将沥青发泡效果划分为3 个水平：A、B、C；沥青温度划分为135℃、145℃、155℃、165℃； 发泡用水量划分为2%、2.5%、3%、3.5%、4%； 纤维掺量划分为0.0%、0.2%、0.4%、0.6%。 为了研究相关因素对水稳定性的影响规律，本文采用控制单一变量的方法，在控制其他变量的前提下，探究单一因素对温拌沥青混合料水稳定性的影响，最后基于随机森林算法[11]对影响因素的相对重要性进行分析。

3 试验分析

3.1 发泡效果影响

沥青发泡效果是影响温拌沥青混合料的沥青膜成形效果的关键因素，也是影响冷拌沥青混合料的沥青分散效果的关键因素。 沥青发泡效果主要由膨胀比和半衰期反映，由发泡条件（沥青温度和发泡用水量）决定。 通过综合衡量膨胀比和半衰期，设定沥青发泡效果为3 个水平，如表2 所示。 为分析发泡效果单一因素的影响，故控制沥青的发泡用水量、纤维掺量，仅调整沥青温度来控制发泡效果。

表2 沥青发泡效果与发泡条件

由表3 及图2 可知，泡沫温拌沥青混合料水稳定性对泡沫沥青的发泡效果很敏感，发泡效果越优异，残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比越高，温拌沥青混合料的水稳定性能越优异。 分析其原因，沥青发泡效果直接反映了泡沫沥青的分散效果，泡沫沥青的分散效果越好，形成沥青膜对集料的裹覆越均匀，进一步影响混合料形成的初期强度和空间结构，从而影响混合料的水稳定性能。 由于远超规范要求，在工程应用中采用最佳发泡效果的泡沫沥青进行温拌工艺，有利于提高温拌沥青混合料的水稳定性能。

图2 不同发泡效果的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比曲线

表3 浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果

3.2 发泡用水量影响

泡沫沥青是沥青、水、气在高温高压下产生的，因此泡沫温拌沥青混合料在成型过程中是存在少量水分的，成型过程中泡沫沥青体积急剧膨胀，实现了沥青与低温集料的拌合裹覆，拌合时间较短导致水分不能完全蒸发，水分的存在不可避免地降低沥青对集料的渗透作用，导致沥青混合料的水稳定性能难以达到热拌沥青混合料的效果。 由于发泡用水量同时显著影响着沥青的发泡效果，因此为了控制其他变量，研究单一变量发泡用水量对温拌沥青混合料水稳定性的影响，将发泡用水量划分为2%、2.5%、3%、3.5%、4%，纤维掺量0%，沥青温度155℃，同时调整相应用水量下的沥青温度，使各用水量下的发泡效果接近相同或相似，然后进行温拌沥青混合料制备，开展浸水马歇尔和冻融劈裂试验。 数据如表4 所示。

表4 浸水马歇尔和冻融劈裂试验数据

由表4 与图3 可知，在沥青发泡效果基本一致的前提下，温拌沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比随着发泡用水量的增大而逐渐减小，当发泡用水量在2%～3.5%时，残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比均高于0.9，且当发泡用水量很低（2%左右）时，温拌沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比与热拌沥青混合料较为接近，水稳定性能较强；当发泡用水量超过3.5%时，残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比低于0.9。

图3 不同发泡用水量的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比曲线

3.3 沥青温度影响

沥青温度与泡沫沥青的发泡效果和温拌沥青混合料拌合都有较强的相关性，直接制约着温拌沥青混合料的力学性能。 为探索沥青温度与温拌沥青混合料水稳定性的相关性，采用控制单一变量方法，设置沥青温度为135℃、145℃、155℃、165℃， 发泡用水量3%，纤维掺量0%，制备温拌沥青混合料，开展浸水马歇尔和冻融劈裂试验。 数据如表5 所示。

表5 浸水马歇尔和冻融劈裂试验数据

由表5 与图4 可知，当沥青温度155℃～165℃时， 残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比逐渐减小，在沥青温度155℃时，达到峰值；表明沥青温度对水稳定性能并非单调化影响，主要原因在于沥青温度是沥青发泡效果的重要影响因素，在发泡用水量为3%时，沥青温度155℃达到最佳水稳定性能，这与155℃下沥青最佳发泡效果一致， 这说明沥青温度对水稳定性的影响主要应从沥青发泡效果的角度考虑。 在发泡用水量一定的情况下，适宜的沥青温度产生最佳的沥青发泡效果，可有效提高沥青混合料的拌合效果，增强混合料内部强度，从而有利于提高温拌沥青混合料的水稳定性能，因此泡沫温拌沥青混合料应采用最佳发泡效果下的沥青温度。

图4 不同发泡效果的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比曲线

3.4 纤维掺量影响

设置纤维掺量为0%、0.2%、0.4%、0.6%，沥青温度145℃，发泡用水量3%，进行温拌沥青混合料制备，开展浸水马歇尔和冻融劈裂试验。 数据如表6 所示。

表6 浸水马歇尔和冻融劈裂试验数据

由表6 与图5 可知，随着聚合物纤维掺量的增大，残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比出现先增加后减小的趋势，并在纤维掺量为0.2%～0.3%时达到最大值。 纤维掺量增加且超过0.3%后，残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比反而随纤维掺量的增加而降低。 数据分析表明，纤维的加入的确对温拌沥青混合料的水稳定性能产生了一定程度的影响，但是纤维掺量对水稳定性能的影响呈抛物线状，当纤维掺量处于最佳值时，温拌沥青混合料水稳定性能最强。 这表明适量的纤维在混合料内部具有加筋效果，可有效强化混合料内部结构，有利于其水稳定性能，纤维掺量过多导致加筋过度反而降低内部结构的稳定性，掺量过少导致加筋不足，不能达到最佳的水稳定状态。 因此在实际工程应用中，可尝试性添加纤维（掺量为0.2%～0.3%），以提高温拌沥青混合料的水稳定性能。

图5 不同纤维掺量的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比曲线

3.5 参数重要性分析

随机森林算法采用统计语言R 完成，以A 沥青发泡效果、B 沥青温度、C 发泡用水量、D 纤维掺量为四项影响因素为输入变量，以残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比为输出变量建立随机森林回归模型，对变量进行重要性分析。 图6 列出了随机森林模型分析的变量重要性值。

由图6 可知，根据随机森林算法变量相对重要性分析，泡沫温拌沥青混合料水稳定性分析与各影响因素都有相关性，但是影响权重区别很大。 在泡沫温拌沥青混合料水稳定性分析中， 发泡用水量、发泡效果、沥青温度是重要性较高的变量，纤维掺量重要性较低。 这表明在提高水稳定性的措施中，可优先降低发泡用水量，而后设定泡沫沥青的最佳发泡效果，再设定沥青最佳温度。纤维掺量虽然也能提高水稳定性，但是影响权重较低，条件允许时可掺加纤维以提高水稳性能，但是改善意义不显著。

图6 变量重要性

4 结论

（1）沥青发泡效果、发泡用水量、沥青温度、纤维掺量是温拌沥青混合料水稳定性能的直接影响因素。 根据随机森林算法变量相对重要性分析，在泡沫温拌沥青混合料水稳定性分析中， 发泡用水量、发泡效果、沥青温度是重要性较高的变量，纤维掺量重要性较低。 在提高水稳定性的措施中，可优先降低发泡用水量，而后设定泡沫沥青的最佳发泡效果，再设定沥青最佳温度，纤维掺量虽然也能提高水稳定性，但是影响权重较低。

（2）泡沫沥青的发泡效果直接决定了沥青在集料表面的成膜均匀度，沥青的发泡效果优异，有利于沥青与集料的裹覆效果，会进一步提高温拌沥青混合料的水稳定性，发泡用水的存在不利于温拌沥青混合料的水稳定性能，发泡用水量越小，水稳定性越强，因此基于泡沫沥青的温拌沥青混合料在保证泡沫沥青发泡效果的前提下，尽量减少发泡用水量（建议发泡用水量低于3.5%），有利于提高温拌沥青混合料的水稳定性能。

（3）随着纤维的加入的确对温拌沥青混合料的水稳定性能产生了一定程度的影响，但是纤维掺量对水稳定性能的影响呈抛物线状，当纤维掺量处于最佳值时， 温拌沥青混合料水稳定性能最强。 这表明适量的纤维在混合料内部具有加筋效果，可有效强化混合料内部结构， 有利于其水稳定性能，纤维掺量过多导致加筋过度反而降低内部结构的稳定性，掺量过少导致加筋不足，不能达到最佳的水稳定状态。 因此在实际工程应用中，可尝试性添加纤维（掺量为0.2%～0.3%），以提高温拌沥青混合料的水稳定性能。

（4）由于泡沫温拌沥青混合料的独特性，导致该材料内部有水分存在，因此水稳定性是衡量温拌沥青混合料力学性能的重要指标。 本研究结果可为泡沫温拌沥青混合料设计中发泡效果、 发泡用水量、 沥青温度及纤维掺量因素方面提供技术参考。经综合分析后，以本文采用的沥青为例，建议以最佳发泡效果、沥青温度155℃、发泡用水量2%、纤维掺量0.3%的组合提高温拌沥青混合料水稳定性。