泡沫温拌再生沥青混合料性能试验研究

战琦琦 ，郭伟 ，张瑜 ，吴涛 ，郭鹏 ，韦万峰

（1.重庆重交再生资源开发股份有限公司，重庆 400121；2.重庆市沥青路面再生工程技术研究中心，重庆 400121；3.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074）

我国沥青路面发展速度较快，截止到2016年末，全国公路总里程达到469.63万km，其中高速公路里程13.10万km[1]，沥青路面的养护与维修问题日益突出。我国道路每年大中修工程中产生的废旧沥青混合料将达到1.6亿t，这对生态环境存在巨大威胁，将废旧沥青混合料有效回收利用，可以减少原材料的开采，解决废旧沥青混合料的占地污染问题，有益于生态环境的保护，然而我国的废旧沥青混合料循环利用率尚不到30%，再生沥青混合料技术仍有待研究并推广运用。

目前泡沫沥青多用于冷拌再生沥青混合料[2]，泡沫温拌再生沥青混合料技术在我国处于探索阶段，相关研究较少，欧美国家对泡沫沥青的研究运用比较广泛，相关文献[3-4]认为，泡沫温拌再生沥青混合料的路用性能较冷拌再生沥青混合料有大幅度提升，并且与常规热拌再生沥青混合料的性能相当。泡沫沥青是由水蒸气、空气、液体沥青三相组成的混合物，沥青发泡一般只需沥青质量1%～4%的水，较其他温拌方式（Evotherm温拌法、Sasobit温拌法等）具有较大的经济优势，而且泡沫沥青能较好的裹覆RAP料，RAP料表层的老化沥青与泡沫沥青混合程度更高，有利于提升RAP的掺量。泡沫温拌再生沥青混合料应用的关键在于RAP变异性的控制及沥青胶结料的发泡效果，RAP的波动性对再生混合料的级配及沥青含量有重要影响，而沥青胶结料的发泡效果则决定了混合料拌合的和易性，通过合适的处理工艺可以降低RAP料级配及沥青含量的变异性，提高混合料组成材料的均匀性[5]。当前关于泡沫温拌再生沥青混合料的性能试验研究较少，泡沫温拌技术的特点主要在于泡沫沥青中包含了部分水分，水分对泡沫温拌再生沥青混合料的影响程度仍不清楚。现有研究表明，：加入废旧路面材料有助于提高泡沫温拌沥青混合料的高温稳定性，但再生混合料的低温抗裂性会有一定程度降低[6]。研究者们对泡沫温拌再生沥青混合料的抗水损害能力有不同的观点。于强[7]研究了泡沫温拌再生沥青混合料的水稳定性，结果表明RAP料对再生混合料的抗水损害能力具有负面影响。He Gui-Ping和Wong Wing-Gun[8]认为，适量的RAP可以提高泡沫温拌再生沥青料的水稳定性及抗变形能力。Xiang Shu等[9]也认为RAP有利于泡沫温拌再生沥青混合料的水稳定性。本研究将探索合适的处理工艺以控制RAP级配及沥青含量的变异性，进一步分析RAP料对泡沫温拌再生沥青混合料性能的影响，由于该泡沫温拌再生沥青混合料用于重庆地区，所以本文暂不考虑其低温抗裂性。

1 RAP处理工艺

通过适当的处理工艺可以降低再生料级配及沥青含量的变异性，提升再生料的品质，控制混合料的均匀性，进而更好地保障泡沫温拌再生沥青混合料的路用性能。废旧沥青混合料来源于重庆渝长高速公路翻修工程，先将废旧路面材料一定程度破碎，再对RAP料进行“分档”处理，即利用集料筛将RAP料分成粒径大小不同的颗粒，筛分的关键筛孔是4.75 mm及9.5 mm，本文将RAP料分成0～4.75 mm，4.75～9.50 mm，9.50 mm+（粒径9.50 mm以上旧料）3档料，其中未分档的旧料称为粗料，利用燃烧法测试粗料、分档旧料级配及沥青含量的变异性，进而评价“分档”处理对再生料级配、沥青含量变异性的影响。

1.1 RAP沥青含量变异性分析

RAP沥青含量的变异性是影响泡沫温拌再生沥青混合料配合比设计的一个重要因素，直接关系到混合料最佳沥青用量的确定。实验中粗料的样本为12组，各档旧料的样本为8组。依据式（1）、式（2）计算粗料及各档旧料油石比的平均值和标准差，通过式（3）计算不同档旧料油石比的变异性，通过变异系数CV评价其波动程度，变异系数越大，说明数据的离散性越大，旧料油石比的变异性也越大。各档旧料的油石比变异性分析统计见表1。

表1 旧料油石比变异性

由表1可见，旧料分档之后，各档旧料的油石比变异性得到降低，油石比变异程度得到有效控制，说明旧沥青混合料经过破碎、筛分、分档可以降低沥青含量的变异性。其中，0～4.75 mm档旧料油石比变异性比较大，这反映了0～4.75 mm原始旧料“团聚”情况的复杂性。对各档集料油石比的平均值进行分析，发现旧集料沥青含量随着集料粒径的减小而逐渐增大，这主要因为细集料的比表面积较大，其表面所裹覆的沥青更多。当旧料油石比变异系数越小，说明所取试样油石比含量离散程度越小，各档旧料油石比的平均值可以作为该档旧料油石比的代表值。

1.2 RAP级配变异分析

级配是由不同大小粒径的集料组合而成，筛余是混合料中各档集料占总集料的质量比例。为了分析RAP矿料级配的变异性，利用各粒径集料的分计筛余变异系数评价Cvri，如式（4）所示：

式中：Sri——第i级矿料分计筛余百分比标准偏差；P¯ri——第i矿料分计筛余平均值，%。

虽然级配变异系数反应了各粒径矿料分级筛余值的波动离散情况，但矿料的分级筛余变异系数却并不能完全代表其在再生混合料中的变异性，各粒径矿料的用量也影响着混合料整体级配的离散性。故采用权重因子WFri来表征各粒径集料对混合料再生后级配的变异贡献值，如式（5）所示：

式中：WFri——第i级矿料分计筛余变异性对整体级配变异性的权重因子。

表2为粗料级配变异性分析。

表2 粗料级配变异性分析

1.2.1 0～4.75mm旧料级配变异性（见表3）

表3 0～4.75 mm旧料级配变异性分析

由表3可知，较粗料而言，0～4.75 mm旧料中各粒径集料分计筛余量变异系数均得到一定程度降低，2.36 mm、1.18 mm粒径集料是0～4.75 mm旧料中的重要组成，占该档集料质量的60%左右。粗料中2.36 mm、1.18 mm粒径集料分计筛余量变异系数分别为14.82%、17.37%，关键筛孔粒径的变异性较大会严重影响再生混合料级配的合成，造成再生混合料级配波动性比较大，0～4.75mm档旧料中2.36 mm、1.18 mm粒径集料分计筛余量变异系数分别为9.66%、5.25%，其变异性得到较大程度降低。

1.2.2 4.75～9.5 mm旧料级配变异性（见表4）

表4 4.75～9.5 mm旧料级配变异性分析

由表4可见，4.75 mm粒径集料是4.75～9.5 mm旧料中的关键筛孔集料，占该档集料质量的66%左右，其分计筛余量变异系数得到大幅度降低，为3.03%。

1.2.3 9.5 mm以上旧料级配变异性（见表5）

表5 9.5 mm+旧料级配变异性分析

由表5可见，对于9.5 mm+旧料而言，9.5 mm、13.2 mm是关键筛孔粒径，粗料中9.5 mm、13.2 mm粒径集料分计筛余量变异系数分别为54.05%、37.14%，9.5 mm以上旧料中9.5 mm、13.2 mm粒径集料分计筛余量变异系数分别为27.73%、6.79%，关键筛孔粒径的变异性得到大幅降低。由表5可知，16 mm粒径集料的变异系数较大，这主要因为16 mm粒径集料在旧料中比较少，取料差异性特别大。

通过对粗料、分档旧料级配及沥青含量变异性分析，结果表明旧料通过分档，各档旧料的沥青含量变异性和各粒径集料分计筛余量变异系数会得到一定程度降低，尤其是各档旧料中的关键筛孔，其分计筛余量变异系数将得到大幅度降低，这对于泡沫温拌再生沥青混合料中级配的调整及新沥青质量的添加具有重要意义。

2 混合料级配的确定

再生混合料采用AC-13级配，将粗料分成0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5 mm+三档旧料，依据分档旧料燃烧后分计算筛余量可以计算添加新集料的质量[见式（6）]，RAP掺量分别为 30%、40%、50%，其中 0～4.75、4.75～9.5、9.5+mm 的比例为1∶2∶3。

式中：Pi——旧料各筛孔的分计筛余（i为各个筛孔尺寸）；Mi——设计级配的各筛孔分计筛余；a1%、a2%、a3%——分别为0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5 mm+旧料的掺配比例，旧料的掺量a%=a1%+a2%+a3%；Ni——所需添加的新矿料的各筛孔分计筛余，%。

泡沫温拌再生沥青混合料的级配如表6所示，在不同RAP掺量下，再生混合料的级配均一致。根据马歇尔实验方法，采用常规热拌沥青混合料的方式确定最佳油石比，即混合料的胶结料为普通基质沥青，最后得到再生混合料的最佳油石比为4.9%。

表6 AC-13型沥青混合料的级配

3 混合料的路用性能

采用山东路科公司的发泡机对中石化东海牌70#基质沥青发泡制备泡沫沥青，泡沫沥青的制备条件：沥青温度150℃，用水量1.5%，气压1.5 m3/h，制备的泡沫沥青最大膨胀率为10倍，半衰期为8.5 s。混合料原材料具体加热温度及泡沫再生沥青混合料拌和压实温度见表7。以下将分析RAP料对泡沫温拌再生沥青混合料高温性能、劈裂强度及短期抗水损害能力的影响。

表7 AC-13混合料压实、拌和温度及原材料加热温度

3.1 高温稳定性

采用车辙实验中的动稳定度指标评价泡沫温拌再生沥青混合料的高温稳定性，具体试验方法依照JTGE 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0719—2011，混合料动稳定度指标要求参考JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》。混合料的动稳定度越大，则其高温抗变形能力越强。表8所示为混合料车辙试验结果。

表8 AC-13混合料车辙试验结果

由表8可知，热拌AC-13沥青混合料的动稳定度最小，表示其高温抗变形能力最弱 ，随着RAP掺量的提高，泡沫温拌再生沥青混合料的动稳定度呈上升趋势，RAP料有利于泡沫温拌再生混合料的高温稳定性。RAP料表层的老化沥青呈现硬脆状态，泡沫沥青与其混合之后，再生混合料中的胶结料整体上会有更大的劲度，混合料的高温稳定性主要依赖于集料和胶结料，再生料中的胶结料劲度增大，抗车辙因子变大，泡沫温拌再生沥青混合料的抗车辙能力得以增强。

3.2 水稳定性

泡沫温拌再生沥青混合料的水稳定性通过冻融劈裂试验测试，以混合料冻融前后劈裂强度比TSR作为评价指标，试验方法依照JTG E20—2011中T 0716—2011，混合料TSR指标要求参照JTG F40—2004。

3.2.1 劈裂强度（见图1）

图1 RAP掺量对混合料劈裂强度的影响

由图1可知，泡沫温拌再生沥青混合料冻融前后的劈裂强度较常规热拌沥青混合料有较大增长，且随着RAP料掺量的增加，再生沥青混合料冻融前后的劈裂强度呈上升趋势，这反映了RAP料有利于提高泡沫温拌再生沥青混合料的强度。在车辆荷载及自然环境的作用下，再生集料的抗压碎能力会有一定程度降低，RAP中再生集料对再生沥青混合料劈裂强度的增长并无贡献，再生沥青混合料劈裂强度的增长是由RAP中的旧沥青胶结料造成的，胶结料进过短期老化之后，其本身黏度会提高，一定程度上提高了集料-沥青之间的黏附性能，由此再生沥青混合料的劈裂强度得以提升[10]。

3.2.2 短期抗水损害能力（见表9）

表9 AC-13沥青混合料的冻融劈裂试验结果

由表9可知，混合料的水稳定性能均能达到JTG F40—2004规范要求。再生料的掺入并不会降低泡沫温拌再生沥青混合料的短期抗水损害能力，较热拌沥青混合料而言，不同RAP掺量下的再生沥青混合料TSR均得到一定程度增大，说明再生料有利于泡沫温拌再生沥青混合料的短期水稳定性能。泡沫温拌有别与其他混合料拌合方式，泡沫沥青能更好的裹覆再生料，与RAP料表层的老化沥青具有更好的融合效果，泡沫沥青中含有的水分可能在某种程度上提升了再生料的粘附能力，再生混合料中的新旧料结合能力得到增强，因此能够更好的抵抗水分的侵害。随着RAP掺量的增加，泡沫温拌再生沥青混合料的TSR呈现下降趋势。这可能是沥青混合料空隙率差异造成的，如表9所示，随着RAP掺量的增加，再生混合料的空隙率逐渐增大，水分更容易渗入混合料内部，进而破坏混合料的强度；另外再生沥青混合料中的新-旧沥青界面可能存在微裂纹，RAP料掺量的增长一定程度上增加了微裂纹存在的数量，在水分的作用下，微裂纹会逐渐扩散，对混合料的强度具有负面影响。

4 结语

（1）利用沥青含量、各粒径集料分计筛余量的变异系数评价“分档”工艺对RAP料的处理效果，结果表明，“分档”处理能有效降低RAP料级配及沥青含量的变异性，有利于再生沥青混合料级配的调整和新沥青比例的合理添加。

（2）将 RAP 料分为 0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5 mm+三档料，可使三档料中的关键筛孔粒径分计筛余量变异系数得到大幅度降低。

（3）泡沫温拌再生沥青混合料的高温稳定性较常规热拌沥青混合料有大幅度增长，这主要归功于RAP料中的旧沥青胶结料。

（4）泡沫温拌再生沥青混合料冻融前后的劈裂强度明显高于常规热拌沥青混合料，随着RAP料掺量提高，再生混合料冻融前后的劈裂强度逐渐上升。

（5）当RAP掺量为30%～50%，泡沫温拌再生沥青混合料的TSR均高于常规热拌沥青混合料，表明泡沫温拌再生沥青混合料的短期抗水损害能力优于常规热拌沥青混合料，随着RAP掺量的提高，再生混合料的抗水损害能力逐渐降低。混合料长期处于自然环境下，在低温、雨水、荷载、紫外光的长期作用下，泡沫温拌再生沥青混合料的性能会不断下降，其长期性能仍有待研究。