泡沫沥青发泡效果评级及混合料性能研究

尉北兰

（乌海市公路养护中心，内蒙古 乌海 016000）

1 引言

沥青路面由于其平整无接缝、行驶噪音小、养护维修方便等优点成为我国等级道路的主要路面结构形式。我国公路事业已步入建养并重的阶段，如何绿色环保、经济高效地进行沥青路面养护成为目前研究的热点。沥青路面材料的循环利用主要有热再生和冷再生两种技术。沥青路面冷再生不会对沥青路面造成二次老化，同时强度也能够满足基层或者下面层的要求，成为一些低等级道路再生的重要手段。相较于乳化沥青半柔性再生技术，泡沫沥青冷再生路面具备良好的抗变形、抗疲劳性能和较高的早期强度，且施工速度快、节能减排以及良好的工程经济性等优势，在国内高速公路、城镇主干线公路和地方道路都得到了广泛的应用[1]。

国内外的学者围绕泡沫沥青再生混合料开展了大量的研究工作。国外最早在20世纪初对泡沫沥青处理道路表层材料进行了一系列研究。20世纪50年代美国艾奥瓦州立大学的Csanyi L H教授，利用高温水蒸气对沥青进行了发泡试验[2]。Bowering等[3，4]利用室内养生方式模拟早期泡沫沥青混合料现场的养生情况，并分析了不同养生温度、湿度等多种条件下混合料的力学性能。国内的学者围绕泡沫沥青混合料的强度成型机理、成型方法、耐久性也开展了大量的研究。Li Z等[5]利用扫描电镜观察了掺入水泥前后的RAP和泡沫沥青胶浆的微观形貌，揭示了水泥能提升再生混合料强度的机理。水泥的水化作用消耗了泡沫沥青中的水分，当水泥含量过高时会提高混合料的脆性，通常混合料中水泥含量被限制在1.5%～2.5%[6]。薄雪峰等[7-9]研究发现，泡沫沥青混合料具有良好的抗裂性，可有效缓解沥青层反射裂缝的出现。黄卫东等[10]通过间接拉伸开裂方法评价了超薄磨耗层混合料抗裂性能。冯德成等[11]通过改进后的SCB 试验发现，该试验能真实反映吉林地区沥青路面实际低温开裂状况，并通过断裂能及断裂韧性等指标的对比分析，得出采用断裂能作为混合料低温性能的评价指标更为合理。

国内外的学者不仅对泡沫沥青开展了大量的研究，对泡沫沥青混合料的强度形成机理、路用性能和耐久性等也进行了大量的研究。但是，泡沫沥青的发泡效果受沥青品质、发泡设备、发泡温度、含水率的影响，在施工前均应进行试验验证；再生混合料的性能也需要根据再生料的不同、水泥掺量、集料的种类等进行实地试验验证。基于此，本文开展泡沫沥青及泡沫沥青混合料相关性能的研究，以为同类研究提供参考。

2 材料与方法

2.1 沥青

本研究使用70 号基质石油沥青，基本性能指标见表1。

表1 试验用70号基质沥青检测指标

2.2 水泥

试验采用强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，主要检测指标见表2，检测结果均满足规范要求。

表2 水泥检测指标

2.3 RAP料

选用内蒙古某项目沥青路面的铣刨材料，主要检测指标见表3 和表4。通过对检测结果分析可知，路面的铣刨材料性能基本满足规范要求，可用于泡沫沥青冷再生工程的应用。

表3 RAP检测指标

表4 RAP级配检测结果

2.4 矿料

工程上需要添加适当比例的新集料来调整级配，使矿料级配在规范推荐的级配范围内。同时，矿料性能也应满足相应规范要求。试验选用的粗集料和细集料检测结果见表5和表6，检测结果满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）中对粗集料和细集料的要求。

表5 粗集料检测结果

表6 细集料检测结果

3 泡沫沥青发泡性能分析

3.1 温度对沥青发泡效果的影响

沥青发泡效果是影响泡沫沥青冷再生混合料性能的重要因素，而用水量和发泡温度又影响沥青发泡效果。本文通过试验分析用水量和温度对泡沫沥青半衰期和膨胀率的影响，确定最佳用水量和发泡温度。试验选用1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的用水量，发泡温度分别控制在145℃、155℃、165℃、175℃，开展发泡后沥青半衰期和膨胀率的检测，具体指标检测结果见表7和图1、图2。

图1 不同发泡温度和用水量下沥青半衰期变化图

图2 不同发泡温度和用水量下沥青膨胀率变化图

表7 沥青发泡结果表

通过对表7和图1、图2的分析可知，在发泡温度相同条件下，随着用水量的增加，泡沫沥青膨胀率呈上升状态，产出的泡沫沥青体积增大，质地更为均匀，包裹性也增强，但是其半衰期呈下降趋势，即泡沫沥青的体积衰减更快，影响泡沫沥青的使用；当含水量不变的时候，随着温度的升高，沥青半衰期和膨胀率均会升高，即升高温度会提升沥青的发泡效果，但在175℃时，其半衰期会降低，故沥青应选择合适的发泡温度区间。

3.2 最佳发泡效果的确定

为确定项目应用中沥青的最优发泡温度和用水量，以用水量为横坐标，膨胀率与半衰期为纵坐标，绘制沥青发泡特性图，综合分析膨胀率和半衰期。最佳发泡条件是确定能取得最优发泡效果的发泡温度和用水量。通过发泡温度对发泡效果的影响分析，选择最佳发泡温度165℃，绘制沥青不同含水量的膨胀率和半衰期变化图，如图3所示。

图3 最佳含水率确定图

由图3 可知，最佳含水率为2.5%，即该沥青的最佳发泡条件为165℃，含水率为2.5%，半衰期为29.4s，膨胀率为14.6倍。

4 泡沫沥青再生混合料配合比设计

4.1 矿料合成级配

通过对铣刨料、碎石、石屑和水泥的级配进行充分分析和不断试配，最终确定混合料的矿料组成为70%铣刨料+15%细集料（0～3mm）+13.5%粗集料（4.75mm～26.5mm）+1.5%水泥，具体合成级配见表8，合成级配各筛孔的通过率符合《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）的要求。

表8 合成级配表

4.2 最佳含水率的确定

参照《公路土工试验规程》（JTG E40）T 0131 的方法，对合成矿料进行击实试验，确定混合料最大干密度与最佳含水量。击实试验结果见表9和图4。

表9 干密度和湿密度变化表

图4 干密度变化图

根据图4，确定混合料最佳含水率为6.7%。工程实践中发现，在击实试验最大干密度对应含水率的基础上折减20%左右的含水率，可能更有利于泡沫沥青分散及保证混合料性能。因此取用水量为5.4%，最大干密度为2.073g/cm3。

4.3 最佳泡沫沥青用量的确定

根据泡沫沥青冷再生混合料的合成级配范围和RAP 中沥青含量，预估泡沫沥青用量为2.2%。以预估的泡沫沥青用量为中值，以0.3%为间隔拌和5 组混合料，然后将泡沫沥青混合料成型马歇尔标准试件（每面击实75 次）。将试样连同试模一起侧放在60℃的鼓风烘箱中养生至恒重，养生时间一般不少于40h，试样养生后直接侧放冷却12h后脱模；将养生后的试件进行干劈裂试验和湿劈裂试验。试验结果见表10和图5。

表10 劈裂强度变化表

图5 劈裂强度变化图

根据试验结果可知，当泡沫沥青用量为2.2%时，其湿劈裂强度获得最大值，此时，干湿劈裂强度比也满足规范要求。因此，泡沫沥青用量的设计值取为2.2%。

4.4 配合比性能验证

按照《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）要求，需要对泡沫沥青混合料试件的车辙性能进行验证。采用2.2%的泡沫沥青、5.4%的含水率、1.5%的水泥，按照规范要求通过轮碾法成型50mm厚的冷再生混合料车辙板试件，碾压完成后迅速将试件放置到60℃鼓风烘箱中烘干至恒重（一般48h 左右），再进行动稳定度试验。试验前试件保温时间为8h～10h。开启试验机，保证试验机工作室内温度为60℃±0.5℃。读取45min 和60min 时的变形量计算动稳定度。根据沥青混合料动稳定度计算公式得出泡沫沥青冷再生混合料车辙试验结果，具体见表11。试验结果表明，动稳定度满足规范要求。

表11 车辙试验结果表

5 结语

通过对泡沫沥青发泡性能进行分析和泡沫再生沥青混合料配合比设计和性能验证，可以得到如下结论：

①沥青发泡性能受含水率和发泡温度的影响，含水率越高，膨胀率越高，半衰期则越短；温度越高，膨胀率和半衰期均会升高，但是超过一定温度后，半衰期会减小。

②通过室内试验确定，本项目使用的沥青最佳发泡温度为165℃，最佳含水量为2.5%。

③通过室内试验确定，泡沫再生混合料的矿料组成为70%铣刨料+15%细集料（0～3mm）+13.5% 粗集料（4.75mm～26.5mm）+1.5%水泥，沥青用量为2.2%，含水率为5.4%；混合料性能满足规范要求，可以进行工程应用。