基于水基发泡的泡沫沥青胶结料性能研究

赵锡娟，张业茂

（1.南京工程学院经济与管理学院，江苏 南京 211167；2.南京工程学院建筑学院）

1 引言

沥青是一种有机胶凝材料，主要用于生产防水材料和铺筑沥青路面等。在公路建设领域，采用温拌沥青路面技术，可降低沥青混合料施工温度，减少温室气体及有害气体排放，实现节能减排的目的，对我国交通运输领域实现“双碳”目标具有重要意义。沥青路面温拌技术分为机械发泡类与添加剂类。机械发泡类温拌技术具备高效节能、绿色环保、缩短施工周期、增加混合料生产和易性、降低混合料老化程度、保证路面压实度等特点，同时，不需要添加剂，仅需沥青量2%的水，具有经济性优势。目前美国温拌技术中80%采用泡沫温拌沥青技术，取得了一定的研究成果，而我国对于环保型泡沫温拌沥青技术研究与应用在最近几年才开始逐步推进[1-5]。

当前有关泡沫沥青的研究主要集中于对沥青发泡效果的评价，即对发泡过程中体积膨胀规律及气泡和水分消散规律的研究，关于沥青发泡后泡沫沥青材料的性能评价研究十分有限。Guo N S等[6-8]利用X射线微断层摄影技术研究不同PG 沥青胶结料在气泡消散过程中的规律。王冠等[9-13]通过比较橡胶沥青发泡前后不同温度下的储存模量G'和损失模量G''，评价泡沫橡胶沥青的温度敏感性。由于沥青发泡后气泡的存在，使得一些传统的评价试验方法，如针入度、软化点试验测试得到的结果变异性较大，并不适用于评价基于水基发泡的泡沫沥青材料的高低温性能和黏温性能。因此，选取合适的试验方法对泡沫沥青的各项性能进行合理的评价是本文的研究重点，可为今后泡沫沥青更为广泛的推广应用提供参考。

2 材料与试验方法

本文采用的原样沥青为江苏省某公司的SBS 改性沥青，采用德国某公司生产的WLB10S沥青发泡试验机对SBS改性沥青进行发泡，通过膨胀率和半衰期两个指标的测定[14]，确定SBS改性沥青最佳发泡温度为165℃，用水量为3%。本次主要对泡沫沥青的各项性能进行测试，并与原样沥青性能进行比较分析，试验方案见表1。

表1 试验方案

2.1 黏度-温度特性

本文根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）T 0625对沥青发泡前后的黏度进行测试，试验条件见表2。从试验开始每间隔5s记录试验测得的黏度，直至4200s[15]。

表2 旋转黏度试验条件

2.2 高温性能

国内外研究表明[1，2，11]，即便是SHRP PG 分级体系，其改性沥青的高温评价指标与现场抗车辙性能相关性亦较差。多应力重复蠕变恢复试验（MSCR）的加载方式不同于SHRP车辙因子的正弦加载，而是施加蠕变应力后撤去应力作用，弹性变形得以恢复，不可恢复的变形则会累积到下一个循环荷载。路面所受的车辆荷载就是重复的加载和卸载过程，在重复加载和卸载过程中，路面形成了累积的永久变形。与现行的胶结料试验方法相比，多应力重复蠕变恢复试验能够更准确地表征混合料抵抗永久变形的能力。

对泡沫沥青和原样沥青进行旋转薄膜烘箱老化，对老化后的残留物进行试样成型，选用25mm的硅胶试验板，在64℃的试验温度下，采用动态剪切流变仪在两个水平应力（0.1kPa 和3.2kPa）下进行试验。试验中每个循环的蠕变加载时间为1s，紧接着进行9s 的卸载恢复阶段，每个应力水平进行10个蠕变-恢复循环。

试验中每个循环的蠕变加载时间为1s，接着零荷载恢复9s。紧接着进行下一个加载-恢复循环。在每次循环结束后，都可以得到残余应变ε10和可恢复应变εr。由此可以计算得到蠕变柔量和恢复率。

2.3 低温性能

分别按照JTG E20—2011 中T 0610 和T 0630 对泡沫沥青和原样沥青进行压力老化试验，得到的残留物进行沥青弯曲蠕变劲度试验。根据美国的《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder》（AASHTO M320-05）和《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder》（ASTM D6373-21）可知，弯曲蠕变劲度S和m值根据加载60s的数据得到。

3 结果与讨论

3.1 黏温特性

图1 为泡沫沥青和原样沥青在不同温度下的黏度随时间变化的曲线，可以看出原样沥青的黏度在最初几秒钟内迅速增加，随后随测试时间的增加而逐渐减少最终趋于稳定。

图1 泡沫沥青和原样沥青在不同温度下的黏度随时间变化曲线

在0～500s区间时，曲线变化幅度较大，这是由于气泡破裂使得黏度在测试初期不稳定，这也表明在沥青发泡初期，旋转黏度这一试验方法并不适用于泡沫沥青。

在0～4200s 区间时，随着转子的持续转动，转子和试验筒之间的水分和气泡逐渐消散，泡沫沥青和原样沥青的黏度-时间曲线逐渐平稳，气泡消散后发泡对于沥青的黏度-温度特性并没有明显的影响，即泡沫沥青的黏度和原样沥青基本相同。

在4200s 时，原样沥青和泡沫沥青的黏度均已稳定，可以认为此时盛样筒和转子之间的气泡已经基本消散，没有气泡破裂的现象。泡沫沥青和原样沥青在4200s 时的黏度见表3，结果表明泡沫沥青和原样沥青的黏度随测试温度的增加而降低，流动性增加。同等温度条件下，泡沫沥青的黏度相对原样沥青略有降低，其可能原因是泡沫沥青中存在极其微小的气泡，起到润滑的作用，施工和易性相对增加。

表3 泡沫沥青和原样沥青的黏度

3.2 高温性能

从图2可看出，在蠕变应力为0.1kPa的蠕变和恢复循环内，泡沫沥青和原样沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr和恢复率R 均呈现稳定状态，这表明在0.1kPa 的蠕变应力作用下，9s 的恢复时间对于泡沫沥青和原样沥青是足够的；在蠕变应力为3.2kPa的蠕变和恢复循环内，泡沫沥青和原样沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr随着循环次数增多呈下降趋势，恢复率R呈现增加趋势，这表明在卸载9s 的恢复时间内，弹性恢复没有全部完成。在今后的试验中，建议增加每个循环的恢复时间以使试样的应变恢复完成。

图2 泡沫沥青和原样沥青的蠕变柔量和恢复率随循环次数变化曲线（P为蠕变应力）

泡沫沥青和原样沥青的蠕变柔量-循环次数曲线和恢复率-循环次数曲线在0.1kPa和3.2kPa没有重合，这表明无论是泡沫沥青还是原样沥青都呈现出应力敏感性。10 个蠕变-恢复循环内的恢复率R0.1、R3.2和蠕变柔量Jnr0.1、Jnr3.2平均值的计算结果见表4。计算在两个应力水平条件0.1kPa 和3.2kPa 下的平均差值变化率Rdiff和Jnrdiff。对于泡沫沥青，其Rdiff和Jnrdiff分别是19.60%和59.91%；对于原样沥青，其Rdiff和Jnrdiff分别是16.86%和86.53%。这也证明了泡沫沥青和原样沥青均呈现较高的应力敏感性。该试验中，最重要的两个指标恢复率R3.2和蠕变柔量Jnr3.2均满足美国的《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder Using Multiple Stress Creep Recovery（MSCR）Test》（AASHTO MP19-10）中，当交通量等级（ESAL’s）＞3000 万时，Jnr3.2≤0.5 kPa-1；Jnr3.2在0.50kPa-1～0.251kPa-1时，R≥45%的要求，可见泡沫沥青和原样沥青均可用于当量轴载大于3000万的特重交通。

表4 泡沫沥青和与原样沥青恢复率与蠕变柔量

但由于Jnr增大会降低胶结料的高温性能，因此，沥青发泡略微不利于胶结料的高温特性，主要还是由于泡沫沥青中存在细微小水泡降低了沥青的黏度。

3.3 低温性能

低温测试结果见表5。

表5 泡沫沥青和原样沥青弯曲蠕变劲度和m值

从表5中可以看出，在-12℃的测试温度下，泡沫沥青和原样沥青的劲度分别为124MPa和116MPa；在-18℃的测试温度下，泡沫沥青和原样沥青的劲度分别达到281MPa和259MPa。这是由于随着温度的降低，无论是泡沫沥青还是原样沥青都趋于玻璃态。

此外，在-12℃和-18℃条件下，泡沫沥青和原样沥青的劲度均小于300MPa，满足道路工程对沥青抵抗低温开裂能力的要求。但必须指出的是，相比于原样沥青，泡沫沥青的劲度在-12℃和-18℃条件下均有所增长，劲度的增加不利于沥青抵抗低温开裂。

在-12℃测试温度下，泡沫沥青和原样沥青的m值分别为0.358和0.373；在-18℃条件下，其m值分别减小为0.291 和0.319。可以看出，沥青发泡后m 值减小，降低了泡沫沥青的低温性能。

4 结语

通过对泡沫沥青和原样沥青进行性能评价对比分析，得到以下主要结论：

①通过黏度试验结果可得出，泡沫沥青和原样沥青的黏度随测试温度的增加而降低，且在4200s时盛样筒和转子之间的气泡已基本消散，气泡消散后发泡对于沥青的黏度-温度特性并没有明显的影响。

②MSCR试验结果表明，沥青发泡前后均呈现较高的应力敏感性。

③BBR 试验结果表明，泡沫沥青在-12℃和-18℃试验温度下，其弯曲蠕变劲度S 均增加，而m 值均减小。表明沥青发泡后低温性能略有降低，但劲度均小于300MPa，满足道路工程对沥青抵抗低温开裂能力的要求。