溫彥凱， 郭乃勝， 王 淋， 顧 威， 譚憶秋

(1.大連海事大學 道路與橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116026； 2.遼寧省交通高等專科學校 道路橋梁工程系， 遼寧 沈陽 110122； 3.哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150090)

泡沫瀝青冷再生混合料(CRMFA，以下簡稱混合料)是將從瀝青路面銑刨回收的舊料(RAP)進行破碎篩分，先加入一定比例的新集料、活性填料及水等，再噴入泡沫瀝青，在常溫下拌和后進行攤鋪及碾壓所得到的混合料，具有節(jié)能環(huán)保、便捷高效等優(yōu)勢[1-3].但是，由于新舊集料均未加熱，且舊集料表面殘留不同老化程度的瀝青等諸多原因，混合料的路用性能并不佳.為此，國內(nèi)外眾多學者開展了大量研究.如Li等[4]針對混合料的早期強度開展了研究，發(fā)現(xiàn)添加水泥能提高其早期強度，而其長期強度受泡沫瀝青的影響更大.徐金枝等[5-6]研究了泡沫瀝青及水泥對混合料的路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加水泥摻量有助于提高混合料的長期高溫抗變形能力，增加泡沫瀝青用量能夠提高混合料的抗松散能力.黃曉軍等[7]對比不同粉膠比條件下混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)隨著粉膠比的增大，混合料的動穩(wěn)定度顯著增大，當粉膠比超過1∶3后達到峰值.李秀君等[8]開展了回收料表面瀝青老化程度對混合料路用性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)舊瀝青老化越嚴重，混合料空隙率越大，劈裂強度及水穩(wěn)定性越差.在此基礎上，為探究混合料路用性能不佳的內(nèi)在機理，一些學者針對混合料內(nèi)部新舊瀝青黏附及融合的問題開展了研究.如劉亮[9]通過對RAP表面老化瀝青進行化學處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性Ca(OH)2漿液處理后，RAP表面老化瀝青的黏附性增強，冷再生混合料性能得以提升.Yan等[10]開展了RAP表面老化瀝青對冷再生混合料性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)RAP表面的老化瀝青有利于提高混合料的路用性能.Canestrai等[11]提出了1種測量瀝青與RAP表面老化瀝青黏附強度的試驗方法，并驗證了其有效性.Yan等[12]和Huang等[13]通過BBS(binder bond strength)測試系統(tǒng)研究了6種改性瀝青的黏附及自愈特性,并通過漢堡車轍試驗進行驗證，在此基礎上對基質(zhì)瀝青與不同老化程度瀝青間的黏附、黏結(jié)特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)瀝青老化對基質(zhì)瀝青與老化瀝青間的黏附、黏結(jié)性能有積極影響.Ling等[14]基于數(shù)字圖像技術(shù)，采用改進的水煮試驗開展了混合料中瀝青與集料之間的黏附性能研究，并驗證了該方法的可靠性.此外，Ghabchi等[15]基于表面自由能方法，探究了RAP含量對混合料抗水損害能力的影響，發(fā)現(xiàn)增加RAP含量能夠提高瀝青與集料之間的黏附功、降低剝離功，從而提高混合料的抗水損害能力.Khan等[16]利用表面自由能方法研究了冷再生混合料中瀝青與礦物集料之間的黏附性能，發(fā)現(xiàn)加入添加劑能提高兩者之間的黏附強度.

綜上所述，目前關(guān)于混合料路用性能的研究并不充分，多數(shù)研究基于混合料的宏觀性能，然而混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，僅從宏觀角度進行研究無法揭示混合料性能不佳的內(nèi)在機理.為此，本研究以泡沫瀝青膠漿與老化瀝青之間的黏附性能為切入點，研究了粉膠比、瀝青老化程度及老化瀝青黏附試驗溫度3個因素對泡沫瀝青膠漿與老化瀝青間黏附強度的影響.在此基礎上，設計了3種拌和工藝，研究拌和工藝對混合料路用性能的影響，以期優(yōu)化現(xiàn)有拌和工藝，提高混合料的路用性能.

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1泡沫瀝青

所選瀝青為遼河A-90#基質(zhì)瀝青.根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》測試該瀝青的主要技術(shù)指標(見表1).采用德國維特根公司生產(chǎn)的WLB-10S瀝青發(fā)泡機進行瀝青發(fā)泡試驗.按照JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》確定瀝青最佳發(fā)泡溫度為140℃，最佳發(fā)泡用水量(質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的用水量、粉膠比等均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比)為2.4%，瀝青膨脹率為16倍，半衰期為16s.

表1 遼河A-90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標

1.1.2礦粉

所選礦粉為磨細的石灰?guī)r.根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》測試礦粉的主要技術(shù)指標(見表2).表2表明，礦粉的技術(shù)性能滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求.

表2 礦粉技術(shù)指標

1.1.3老化瀝青

為模擬RAP表面不同老化程度的瀝青，按照JTG E20—2011，采用瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(RTFOT)及壓力老化容器加速瀝青老化試驗(PAV)來制備老化瀝青.

1.1.4RAP及新集料

所采用的RAP來自某公路施工現(xiàn)場，按照JTG F41—2008中的要求進行測試，其技術(shù)指標見表3.采用篩分法確定RAP級配，結(jié)果見表4.根據(jù)RAP篩分結(jié)果，添加0～3mm及20～30mm這2種石灰?guī)r新集料來改善混合料級配，新集料的技術(shù)指標均滿足JTG F40—2004要求.

表3 RAP技術(shù)指標

表4 RAP篩分結(jié)果

1.1.5水泥

為提高泡沫冷再生混合料的早期強度，增強其水穩(wěn)定性和抗永久變形能力，以外摻的形式向混合料中摻加1.5%的普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求.

1.2 試驗方法

1.2.1泡沫冷再生混合料級配設計

本研究選用RAP摻量為60%.根據(jù)RAP篩分結(jié)果及粗粒式混合料的級配要求，以0.075mm粒徑的通過率作為控制粒徑，確定不同粉膠比混合料的合成級配，見表5.采用重型擊實試驗和JTG F41—2008分別確定粉膠比為2∶1混合料的最佳拌和用水量為3.8%、最佳泡沫瀝青用量為2.4%.為便于研究單一因素粉膠比對混合料性能的影響，將粉膠比為3∶1及4∶1混合料的拌和用水量、泡沫瀝青用量與粉膠比為2∶1混合料的這2種用量保持一致.

1.2.2泡沫瀝青膠漿制備

將基質(zhì)瀝青加熱至120℃后，灌入發(fā)泡設備內(nèi)；待溫度達到140℃時，根據(jù)已確定的最佳發(fā)泡條件(瀝青溫度140℃，用水量2.4%)進行發(fā)泡，得到泡沫瀝青；之后立即將礦粉按預定的粉膠比進行共混，快速攪拌均勻，即可制備得到泡沫瀝青膠漿.

1.2.3泡沫瀝青膠漿黏附特性研究

本文選用3個因素(粉膠比、瀝青老化程度和老化瀝青黏附試驗溫度)、5個水平進行25組正交設計試驗，記為L25(35).其中，粉膠比的5個水平選為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和5∶1；瀝青老化程度的5個水平選為85min RTFOT、85min RTFOT+5h PAV、85min RTFOT+10h PAV、85min RTFOT+15h PAV和85min RTFOT +20h PAV；考慮混合料現(xiàn)場施工溫度，將老化瀝青黏附試驗溫度選為10、20、30、40、50℃.

表5 不同粉膠比混合料的合成級配

本研究基于GB/T 5210—1985《涂層附著力的測定法 拉開法》，同時借鑒Yang等[17-20]提出的試驗方法，利用自研測試設備及萬能試驗機獲取泡沫瀝青膠漿與老化瀝青之間的拉力，以表征兩者間的黏附力.試驗步驟簡述為：將預先加熱至160℃的老化瀝青均勻涂于預熱后的平面拉拔塊表面，利用加熱刀片刮掉多余瀝青，確保其厚度為0.5mm左右[13]，隨后放入保溫箱中保溫1h，使其達到設定的試驗溫度；將制備好的泡沫瀝青膠漿加熱至160℃，倒入預熱后有凹槽的拉拔塊中，使泡沫瀝青膠漿填滿整個凹槽；立即與保溫完成且涂有老化瀝青的平面拉拔塊粘牢并壓緊；制備好的拉拔試件置于常溫下養(yǎng)生24h后進行試驗.試驗時將試件安裝在試驗機上，確保整個系統(tǒng)保持垂直狀態(tài)，設置試驗速率為0.05mm/s[21]，記錄試件破壞時的拉力值.每種工況進行3次平行試驗，去除泡沫瀝青膠漿與模具脫離的試驗數(shù)據(jù).

圖1 試驗模具及試件安裝方式Fig.1 Testing mode and its installation method

1.2.4混合料路用性能研究

1.2.4.1不同拌和工藝的混合料路用性能

在確定混合料的最佳膠漿粉膠比后，結(jié)合現(xiàn)有拌和工藝，設計了3種拌和工藝，以研究拌和工藝對混合料路用性能的影響及機理.3種拌和工藝流程如圖2所示.按照JTG E20—2011 和JTG F41—2008要求，采用凍融劈裂試驗、車轍試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗研究了混合料的路用性能.

1.2.4.2不同粉膠比的混合料劈裂強度

基于以上關(guān)于泡沫瀝青膠漿黏附特性的研究可知，泡沫瀝青膠漿的黏附特性受粉膠比影響最大，受瀝青老化程度影響最小，因此研究混合料劈裂強度時，不考慮RAP表面瀝青老化程度的影響.

采用拌和工藝A(見圖2)來制備混合料，按照JTG E20—2011 和JTG F41—2008要求，通過干/濕劈裂強度試驗研究黏附強度較大的3種粉膠比(2∶1、3∶1和4∶1)對混合料性能的影響，并以此確定其最佳膠漿粉膠比.

圖2 3種拌和工藝Fig.2 Three kinds of mixing processes

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 泡沫瀝青膠漿黏附特性

通過高精度力學試驗機獲得不同工況下泡沫瀝青膠漿的拉力值，利用統(tǒng)計分析軟件(SPSS)對試驗結(jié)果進行極差分析及方差分析，確定3個因素的影響程度及每個因素的5種水平(K1、K2、K3、K4和K5)優(yōu)劣情況.

表6 極差分析結(jié)果

圖3 各因素不同水平的拉力平均值Fig.3 Average tension at different levels of the factors

基于極差分析，通過方差分析來確定3個因素的影響顯著性水平，結(jié)果見表7.由表7可見：瀝青老化程度、膠漿粉膠比和老化瀝青黏附試驗溫度3個因素的F值分別為5.139、56.345和41.710，說明膠漿粉膠比對泡沫瀝青膠漿與老化瀝青的黏附性能影響最大；3個因素的影響程度依次為膠漿粉膠比>老化瀝青黏附試驗溫度>瀝青老化程度，該結(jié)果與極差分析結(jié)果一致，且膠漿粉膠比和老化瀝青黏附試驗溫度的影響較瀝青老化程度的影響大996.4%、711.6%.這可能是由于膠漿粉膠比直接決定泡沫瀝青膠漿的黏附強度，老化瀝青黏附試驗溫度對泡沫瀝青膠漿與老化瀝青之間的黏附融合程度影響很大，而瀝青的老化程度僅影響自身黏度.結(jié)合極差分析及方差分析結(jié)果，確定膠漿粉膠比及老化瀝青黏附試驗溫度為影響泡沫瀝青膠漿與老化瀝青黏附性的主要因素.因此在生產(chǎn)過程中，應重點關(guān)注膠漿粉膠比和老化瀝青黏附試驗溫度對混合料性能的影響.

表7 方差分析結(jié)果

2.2 不同粉膠比混合料的干/濕劈裂強度

通過泡沫瀝青膠漿黏附特性試驗分析確定了粉膠比為影響膠漿黏附特性的主要因素.在此基礎上，通過干/濕劈裂強度試驗驗證膠漿粉膠比對混合料性能的影響，以確定最佳粉膠比.

圖4 不同粉膠比條件下混合料的干/濕劈裂強度試驗結(jié)果Fig.4 Splitting strength of mixtures with different filler-asphalt ratios

不同粉膠比條件下混合料的干/濕劈裂強度試驗結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出：混合料的干/濕劈裂強度隨膠漿粉膠比的增大而減小；粉膠比為2∶1的混合料干/濕劈裂強度最大，干/濕劈裂強度分別為833.65、727.71kPa，粉膠比為3∶1及4∶1的混合料干/濕劈裂強度分別為768.30、642.56kPa，688.1、556.42kPa，較粉膠比為2∶1的混合料分別下降7.80%、11.70%，17.46%、23.54%.由此說明，粉膠比對混合料性能具有較大的影響.這源于粉膠比為2∶1時泡沫瀝青膠漿中既有充足的結(jié)構(gòu)瀝青，亦有足夠的、能夠起到介質(zhì)作用的自由瀝青，使得泡沫瀝青膠漿黏附性能較強，在混合料中能夠充分包裹并黏附集料，使混合料的整體性能得以提高，而粉膠比過大或太小都會降低泡沫瀝青膠漿黏附強度及對集料的包裹程度，從而降低混合料的性能.

由圖4還可見，混合料的殘留強度比隨粉膠比的增大而減小，粉膠比2∶1、3∶1、4∶1混合料的殘留強度比依次為87.3%、83.6%和80.9%，殘留強度比隨粉膠比的增大而減小，但結(jié)果均大于80%，滿足JTG F41—2008要求，由此說明混合料的抗水損害能力隨粉膠比的增大而減弱，究其原因是由于在泡沫瀝青冷再生混合料中，RAP表面原有的瀝青由于老化變硬，使水分難以滲透進入其自身的瀝青-集料界面，因而泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性主要受RAP表面老化瀝青與泡沫瀝青膠漿界面黏附強度的影響，而隨著粉膠比的增大，膠漿的黏附強度逐漸下降，因此混合料的抗水損害能力隨之降低.

2.3 不同拌和工藝的混合料路用性能

3種拌和工藝條件下混合料的凍融劈裂試驗、車轍試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果分別如圖5所示.由圖5(a)可見：(1)拌和工藝對混合料的路用性能具有較大影響.其中，工藝C下混合料的無側(cè)限抗壓強度最高，為1.442MPa；工藝B下混合料的強度與工藝C相近，為1.416MPa；工藝A下混合料的無側(cè)限抗壓強度最低，約為工藝C下混合料側(cè)限抗壓強度的86%.(2)工藝C下混合料的動穩(wěn)定度明顯高于工藝A、B，前者較后兩者分別提高了約39%、59%；工藝B下混合料的動穩(wěn)定度最差，僅為工藝C下混合料動穩(wěn)定度的41%，說明工藝C下混合料具有最好的抗車轍性能.

由圖5(b)可見：(1)A、B、C這3種工藝下的干劈裂強度及凍融劈裂強度依次增大，工藝C下混合料的干劈裂強度和凍融劈裂強度，較工藝A、B分別提高了12.1%、16.8%和6.9%、8.3%；(2)工藝C下混合料的劈裂強度比(TSR)為75%，工藝A、B下混合料的TSR分別為71%和74%，說明工藝C下混合料的水穩(wěn)定性較工藝A、B更優(yōu)，且滿足JTG F41—2008 要求.

圖5 不同拌和工藝條件下混合料的凍融劈裂試驗、車轍試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Fig.5 Results of freeze-thaw tensile strength, wheel tracking and unconfined compressive strength test of mixtures under different mixing processes

綜上所述，工藝C下混合料具有最優(yōu)的路用性能.這是由于在工藝A、B下，泡沫瀝青無法充分包裹集料，瀝青結(jié)團現(xiàn)象嚴重；而在工藝C下，分2次先后加入泡沫瀝青，使得一部分泡沫瀝青充分裹覆粗集料，另一部分包裹礦粉形成膠漿，能夠有效減少瀝青結(jié)團、集料包裹不充分的問題.

3 結(jié)論

(1)在影響泡沫瀝青膠漿與老化瀝青黏附特性的3個因素中，粉膠比的影響最大，老化瀝青黏附試驗溫度的影響次之，瀝青老化程度的影響最小.泡沫瀝青膠漿與老化瀝青間的黏附強度最優(yōu)水平為：粉膠比2∶1+瀝青老化程度(85min RTFOT+10h PAV)+老化瀝青黏附試驗溫度50℃.混合料干/濕劈裂強度試驗確定了泡沫瀝青膠漿的最佳粉膠比為2∶1.

(2)在實際生產(chǎn)中，應重點關(guān)注膠漿粉膠比對混合料路用性能的影響，且粉膠比不宜過大；RAP表面瀝青的老化能夠提高其與泡沫瀝青膠漿的黏附強度，但老化程度過大，導致兩者間的黏附強度不再增大；提高RAP溫度有利于提高混合料的路用性能混合料.

(3)拌和工藝對混合料路用性能有很大影響.3種拌和工藝中，路用性能最佳的為工藝C——先將粗集料與1/2泡沫瀝青拌和，然后加入細集料、礦粉及水泥，拌和之后再加入剩余1/2泡沫瀝青.此工藝提高了泡沫瀝青與粗集料的裹覆效果，同時促進了泡沫瀝青包裹礦粉及細集料形成膠漿，有助于提升混合料的路用性能.