仝 佳， 張若平

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030031； 2.密歇根理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程系, 密歇根 霍頓 MI49934)

0 引言

截止2018年底，我國(guó)公路總里程486萬(wàn)km，其中高速公路14.2萬(wàn)km，伴隨著我國(guó)公路建設(shè)快速發(fā)展和大量高等級(jí)公路瀝青路面需要進(jìn)行翻修和重建，“十三五”期間每年全國(guó)瀝青路面回收料達(dá)到了8500萬(wàn)t，瀝青路面回收料的再生利用任務(wù)更為迫切和繁重，在此背景下，舊瀝青路面材料的再生利用問(wèn)題得到廣泛關(guān)注和重視[1-3]。瀝青路面材料循環(huán)利用是公路交通行業(yè)節(jié)能減排工作的重點(diǎn)之一，也是轉(zhuǎn)變公路交通發(fā)展方式的重要內(nèi)容，加快推進(jìn)公路路面材料循環(huán)利用工作，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和發(fā)展綠色的必由之路。泡沫瀝青冷再生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換與性能恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)與恢復(fù)路面使用性能，還可以充分發(fā)揮廢舊瀝青路面材料(Recycled Asphalt Pavement，RAP)的“殘留強(qiáng)度”和“剩余價(jià)值”，對(duì)促進(jìn)RAP的循環(huán)利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低材料成本大有裨益[4-7]，泡沫瀝青冷再生混合料因具有RAP利用率高、施工便捷、路用性能和抗疲勞耐久性能優(yōu)良等諸多優(yōu)勢(shì)，因而受到工程界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從原材料組成設(shè)計(jì)、配合比設(shè)計(jì)方法、微細(xì)觀強(qiáng)度形成機(jī)理與破壞機(jī)理、施工性能、路用性能、耐久性能及實(shí)體工程跟蹤檢測(cè)等方面深入研究了泡沫瀝青冷再生混合料的技術(shù)性能，為泡沫瀝青冷再生技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，泡沫瀝青冷再生技術(shù)日漸成熟。

隨著實(shí)體工程應(yīng)用逐漸增多和研究的不斷深入，傳統(tǒng)泡沫瀝青冷再生混合料的弊端也日漸明顯，實(shí)體工程中泡沫瀝青分散性差、集料表面泡沫瀝青砂漿裹附性差、取芯困難、抗松散性能和水穩(wěn)定性差等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[8-11]，產(chǎn)生以上問(wèn)題的重要原因是泡沫瀝青膠結(jié)料自身黏結(jié)強(qiáng)度小，一般泡沫瀝青占試件橫截面面積的10%～36%，點(diǎn)焊狀泡沫瀝青沒(méi)有形成完整的裹附瀝青膜。目前泡沫瀝青冷再生技術(shù)將RAP僅作為“黑色集料”使用，RAP表面老化瀝青性能沒(méi)有得到改善和恢復(fù)，所利用的僅僅是作為原材料之一的回收粒料，沒(méi)有發(fā)揮RAP中老化瀝青應(yīng)有價(jià)值[11-13]，所謂的瀝青路面冷再生其實(shí)準(zhǔn)確應(yīng)稱之為“再利用”。生物油是大豆和玉米油等生物煉油提純過(guò)程中生產(chǎn)的廢油，據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)大豆、玉米等生物油提純所產(chǎn)生的廢舊生物油產(chǎn)量約40萬(wàn)t，目前廢舊生物油主要做燃料直接燃燒處理，利用附加值非常低，研究表明[14]，廢舊生物油是一種性能優(yōu)良、來(lái)源廣泛的瀝青再生劑，應(yīng)用前景非常廣闊，本文將生物油再生劑應(yīng)用于泡沫瀝青冷再生技術(shù)，基于老化瀝青再生的“組分調(diào)和理論”、“相容性理論”，通過(guò)生物油再生劑對(duì)老化瀝青的稀釋、溶解、擴(kuò)散等作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)RAP表面老化瀝青的再生，從而恢復(fù)老化瀝青的黏結(jié)力，促進(jìn)再生瀝青與泡沫瀝青的融合。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)研究和實(shí)體工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為提升泡沫瀝青冷再生混合料路用性能與耐久性提供一種新的改善措施。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

回收瀝青路面材料(RAP)來(lái)源于陜西省西安市友誼西路城市主干道路瀝青混凝土面層，現(xiàn)狀道路已經(jīng)服役了8 a，RAP由冷銑刨法獲取，RAP經(jīng)分層銑刨、去除超粒徑、篩分等工序后處理后分0～5、5～10、10～25 mm 3個(gè)粒徑規(guī)格，RAP性能測(cè)試見表1。新添加粗集料采用10～25 mm石灰?guī)r碎石，經(jīng)檢測(cè)碎石的針片狀含量9.3%、壓碎值18.6%、洛杉磯磨耗損失22.7%、毛體積相對(duì)密度2.708。細(xì)集料采用0～3 mm機(jī)制砂，砂當(dāng)量82%、棱角性流動(dòng)時(shí)間35 s，表觀相對(duì)密度2.711，粗細(xì)集料各項(xiàng)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)要求。基質(zhì)瀝青為克拉瑪依90#A級(jí)道路石油瀝青，其各項(xiàng)性能滿足JTG F41-2004要求，按照J(rèn)TG F41-2008附錄E泡沫瀝青發(fā)泡試驗(yàn)確定克拉瑪依基質(zhì)瀝青的最佳發(fā)泡溫度為165℃，最佳發(fā)泡用水量為2.0%，泡沫瀝青的膨脹率22(倍)、半衰期17s，滿足JTG F41-2008規(guī)范廠拌瀝青冷再生泡沫瀝青膨脹率大于10(倍)、半衰期大于8s技術(shù)要求。選用PO42.5硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)指標(biāo)滿足《道路硅酸鹽水泥》(GBT 13693-2017)要求。試驗(yàn)研究選用大豆和玉米油提純過(guò)程中生產(chǎn)的廢油，據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)大豆、玉米等生物油提純所產(chǎn)生的廢舊生物油產(chǎn)量約40萬(wàn)t，目前廢舊生物油主要做燃料直接燃燒處理，利用附加值非常低，國(guó)內(nèi)外研究表明，廢舊生物油是一種性能優(yōu)良、來(lái)源廣泛的瀝青再生劑，應(yīng)用前景非常廣闊，生物油主外觀為棕黑色液體、表觀相對(duì)密度0.965、閃點(diǎn)285℃、RTFOT后質(zhì)量損失0.76%、碳元素(C)含量78.84%、氫元素(H)含量(11.23%)、60℃黏度112mPa·s、飽和分含量小于15%。

表1 RAP性能Table 1 RAP performance類別RAPRAP中的瀝青RAP中的粗集料RAP中的細(xì)集料含水率/%0.075 mm通過(guò)百分率變異性0.075 mm通過(guò)百分率變異性/%超粒徑顆粒(>31 mm)含量/%瀝青含量/%針入度/0.1mm 60 ℃黏度軟化點(diǎn)/℃15 ℃延度/cm壓碎值/%針片狀顆粒含量/%棱角性、流動(dòng)時(shí)間/s2.36 mm以下砂當(dāng)量試驗(yàn)結(jié)果0.31.12.61.74.544.135568.73.618.47.843.061.0規(guī)范要求<2.0±2.0±5.0<5.0實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)<30.0<20.0>30.0>55.0

1.2 泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

以滿足JTGF41-2008中粒式泡沫瀝青冷再生混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍為目標(biāo)，確定RAP摻量為86%，10～25 mm石灰?guī)r碎石摻量為12%，礦粉摻量為2%，合成級(jí)配見表2。按照J(rèn)TG F41-2008“修正馬歇爾”試驗(yàn)步驟確定最佳擊實(shí)含水量為6.3%、泡沫瀝青用量為2.8%、水泥摻量為2.0%，在此配合比設(shè)計(jì)條件下，泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率為12.5%、干劈裂強(qiáng)度(ITS)0.55 MPa、干濕劈裂強(qiáng)度比86.5%、凍融劈裂強(qiáng)度比81.4%。

表2 泡沫瀝青冷再生混合料礦料級(jí)配Table 2 Mineral gradation of foamed asphalt cold recycled mixture篩孔/mm合成級(jí)配/%規(guī)范要求/%26.500100.010019.00096.590～1009.50078.860～854.75050.735～652.36041.430～550.30013.710～300.0756.46～20

1.3 生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料預(yù)拌工藝

生物油再生劑有一定稀釋、溶解、滲透和再生老化瀝青作用，摻加生物油能夠增加RAP中老化瀝青的芳香分含量、降低瀝青質(zhì)的相對(duì)含量、實(shí)現(xiàn)瀝青組分配比的協(xié)調(diào)，改善老化瀝青的流變特性，從而使RAP表面的老化瀝青獲得黏結(jié)力，生物油預(yù)拌增強(qiáng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)老化RAP中的老化瀝青性能改善和發(fā)揮老化瀝青黏結(jié)力作用，從而增加泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部黏結(jié)強(qiáng)度，改善冷再生混合料整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?；谏镉皖A(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的技術(shù)原理，在拌和泡沫瀝青冷再生混合料前先將生物油加入到RAP中，加入2%拌和用水量，以500rad/min速率勻速攪拌3～5min，常溫燜料10min，使生物油與RAP充分接觸。接著加入新集料和1.5%水泥，攪拌90s，加入剩余拌和用水，攪拌90s，邊攪拌邊噴入泡沫瀝青，攪拌120s，完成混合料拌和，考慮到實(shí)際施工過(guò)程中泡沫瀝青冷再生混合料拌和、運(yùn)輸時(shí)間，將拌和完成后的泡沫瀝青冷再生混合料常溫悶料45～60min，采用雙面各擊實(shí)50次成型馬歇爾試件，不脫模在40℃環(huán)境箱中加速養(yǎng)生72h，然后取出馬歇爾試件，趁熱再雙面各擊實(shí)25次，采用 “50+25”成型馬歇爾試件，主要考慮到加鋪上層瀝青混凝土層時(shí)壓路機(jī)的二次碾壓作用。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)研究間隔0.5%變化生物油摻量為RAP質(zhì)量的0%～3.0%，基于馬歇爾試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、貫入剪切試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)研究生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度特性，通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)、60℃車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗(yàn)、磨耗試驗(yàn)、肯塔堡分散試驗(yàn)和間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的路用性能、抗松散性能和耐久性能。

2 生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度特性

采用本文1.3所述預(yù)拌工藝成型泡沫瀝青冷再生混合料試件，馬歇爾試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)TG F41-2008要求進(jìn)行，試件尺寸為101.6mm×63.5mm(直徑×高)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用150mm×150mm圓柱體試件，加載速率1mm/min，試驗(yàn)溫度為25℃。貫入剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理嚴(yán)格參照J(rèn)TG D50-2017附錄F進(jìn)行，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型100mm×100mm圓柱體試件，試驗(yàn)加載速率1mm/min，溫度為60℃，貫入應(yīng)力系數(shù)取0.34。三軸剪切試驗(yàn)在UTM-14P萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中圍壓采用138kPa，試驗(yàn)加載速率為1.25mm/min，試驗(yàn)溫度為40℃，所用試件尺寸為100mm×150mm(直徑×高)。生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Mechanical strength testresults生物油摻量/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN劈裂強(qiáng)度/MPa無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa貫入剪切強(qiáng)度/MPa三軸剪切c/kPa?/(°)06.60.551.870.84135.6537.540.57.10.612.230.95154.4938.031.07.90.652.561.12167.4138.081.58.50.712.741.32181.1238.122.09.40.803.011.35189.7638.182.59.10.762.741.24180.8337.893.08.20.732.481.15176.4437.61

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著生物油摻量增大，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度及三軸剪切試驗(yàn)粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，摻加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%生物油后，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料相比普通泡沫瀝青冷再生混合料(未摻加生物油)，馬歇爾穩(wěn)定度增大了7.6%、19.7%、28.8%、42.2%、37.9%、24.2%，劈裂強(qiáng)度增大了10.9%、18.2%、29.1%、45.5%、38.2%、32.7%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大了19.3%、36.9%、46.5%、61.0%、46.5%、32.6%，貫入剪切強(qiáng)度增大了13.1%、33.3%、57.1%、60.7%、47.6%、36.9%，三軸剪切試驗(yàn)粘聚力c增大了13.9%、23.4%、33.5%、39.9%、33.3%、30.1%，內(nèi)摩擦角φ增大了1.3%、1.4%、1.5%、1.7%、0.9%、0.2%，由此可見，摻加生物油能夠顯著改善泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度，其中生物油摻量約為2.0%時(shí)各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)出現(xiàn)峰值，其中生物油摻量為2.0%時(shí)，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度分別達(dá)到了9.4kN、0.8MPa、3.01MPa、1.35MPa，基本達(dá)到了熱拌瀝青混合料強(qiáng)度水平，采用生物油預(yù)拌工藝生產(chǎn)泡沫瀝青冷再生混合料具有較好的技術(shù)優(yōu)越性。

分析其原因，根據(jù)老化瀝青再生的“組分調(diào)節(jié)理論”、“相容性理論”，生物油富含芳香分等輕質(zhì)油，生物油對(duì)RAP表面老化瀝青有滲透、溶解、軟化、再生作用，摻加生物油外加再生劑提高了RAP中老化瀝青芳香分的含量、降低瀝青質(zhì)相對(duì)含量，調(diào)節(jié)老化瀝青組分配比、減小老化瀝青中各組分溶度參數(shù)差，從而恢復(fù)了RAP表面老化瀝青的黏結(jié)力，老化瀝青恢復(fù)黏結(jié)力后起到了膠結(jié)料黏結(jié)作用，提高了泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部的黏聚力，隨著生物油摻量增大，被生物油再生劑還原的老化瀝青數(shù)量越多，同時(shí)生物油再生劑滲透老化瀝青的深度越大，對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料黏聚力改善效果越明顯；生物油在新集料表面形成油膜裹附，改變了泡沫瀝青選擇性與填料黏附接觸狀態(tài)，提高了泡沫瀝青與粗集料的黏附性，“點(diǎn)焊”狀分布的泡沫瀝青接觸點(diǎn)數(shù)量更多，泡沫瀝青分散性狀更加均勻，這有利于提高泡沫瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度，宏觀表現(xiàn)為生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度大于普通泡沫瀝青冷再生混合料。在常溫條件下生物油對(duì)老化瀝青性能的恢復(fù)能力有限，隨著生物油摻量進(jìn)一步增大，再生瀝青的數(shù)量趨于飽和后，過(guò)多的生物油摻量，將導(dǎo)致泡沫瀝青被過(guò)渡軟化，泡沫瀝青膠結(jié)料因黏度顯著降低而不能發(fā)揮黏結(jié)力作用，且處于游離狀態(tài)的生物油在集料表面形成富油層，對(duì)受荷時(shí)結(jié)構(gòu)面滑移起到了潤(rùn)滑作用，反而削弱了集料之間的骨架嵌擠作用，過(guò)多的生物油摻量，生物油的潤(rùn)滑作用和對(duì)泡沫瀝青的稀釋作用，將導(dǎo)致泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部更易于產(chǎn)生黏結(jié)失效破壞和黏附失效破壞，宏觀表現(xiàn)為隨生物油摻量增大，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，其余各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度變化趨勢(shì)與c、φ值規(guī)律一致。

3 生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料路用性能與疲勞特性

3.1 高低溫性能與水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和干濕劈

裂強(qiáng)度比試驗(yàn)評(píng)價(jià)生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性，采用車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的高低溫性能，路用性能試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20-2011進(jìn)行，結(jié)果見表4。

由表4試驗(yàn)結(jié)果可知：

a. 普通泡沫瀝青冷再生混合料(未摻加生物油)的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了4000次/mm以上，泡沫瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)基層或下面層表現(xiàn)出了優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。摻加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%生物油后，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比普通泡沫瀝青冷再生混合料提高了11.8%、16.8%、27.6%、27.7%、20.8%、16.5%，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度基本達(dá)到了5000次/mm，表現(xiàn)出了優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，由此可見，隨著廢生物油摻量增大，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小，在生物油摻量為2.0%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值。分析其原因，生物油再生劑恢復(fù)了RAP表面老化瀝青的黏結(jié)力，使老化瀝青具有一定黏結(jié)強(qiáng)度，而普通泡沫瀝青冷再生混合料中RAP只是作為“黑色集料”使用，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料比普通泡沫瀝青冷再生混合料有更大的黏結(jié)強(qiáng)度，但摻加生物油的稀釋、溶解作用也增加了泡沫瀝青砂漿和RAP的感溫性，當(dāng)后者的劣化作用大于前者時(shí)，泡沫瀝青冷再生混合料的高溫抗變形能力將減弱。

表4 路用性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Road performance test results生物油摻量/%車轍試驗(yàn)低溫彎曲試驗(yàn)水穩(wěn)定性試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)車轍變形量/mm彎拉強(qiáng)度/MPa彎曲應(yīng)變/με凍融劈裂強(qiáng)度比/%殘留穩(wěn)定度比/%干濕劈裂強(qiáng)度比/%0.04 3872.4533.8741 204.4479.485.489.40.54 9042.3294.3211 512.5986.394.594.51.05 1262.1244.7841 763.3489.495.495.51.55 5982.0125.1291 890.491.496.996.32.05 6031.9315.3411 919.3695.398.497.42.55 3012.1015.1291 802.3493.197.498.93.05 1102.3254.9811 712.9190.396.197.2

b. 相比普通泡沫瀝青冷再生混合料，采用生物油預(yù)拌工藝生產(chǎn)的泡沫瀝青混合料其低溫抗彎拉強(qiáng)度、最大破壞應(yīng)變均明顯提高。摻加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%生物油后，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比普通泡沫瀝青冷再生混合料提高了11.5%、23.5%、32.4%、37.9%、32.4%、28.6%，同時(shí)最大彎曲應(yīng)變?cè)黾恿?5.6%、46.4%、57.0%、59.4%、49.6%、42.2%，在生物油摻量達(dá)到2.0%時(shí)彎拉強(qiáng)度與彎曲應(yīng)變達(dá)到最大值。分析其原因，生物油再生劑有軟化老化瀝青和潤(rùn)滑作用，一方面提高了泡沫瀝青冷再生混合料的黏結(jié)力和增加了泡沫瀝青的分散均勻性，保障了泡沫瀝青的有效分散和冷再生混合料的有效壓實(shí)，另一方面，RAP表面的老化瀝青被還原后，瀝青的勁度減小、柔韌性增強(qiáng)，柔性粘結(jié)材料數(shù)量增多，冷再生混合料整體柔性、抗變形能力和混合料整體黏結(jié)強(qiáng)度得到明顯提高，因此低溫性能得到明顯改善。

c. 摻加0.5%～3.0%生物油后，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比、馬歇爾殘留穩(wěn)定度和干濕劈裂強(qiáng)度比基本都達(dá)到了90%，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料比未添加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料表現(xiàn)出了更好的水穩(wěn)定性。分析其原因可能是，生物油再生劑恢復(fù)了老化瀝青性能，從而改善了泡沫瀝青冷再生混合料界面黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)確保了冷再生混合料有效壓實(shí)，殘留空隙數(shù)量減少，增大黏聚力和提高壓實(shí)度均有助于改善冷再生混合料的抗水損害能力。

3.2 抗松散性能試驗(yàn)

將泡沫瀝青冷再生混合料馬歇爾試件在25℃、相對(duì)濕度75%環(huán)境箱內(nèi)養(yǎng)生6h，用來(lái)模擬施工現(xiàn)場(chǎng)泡沫瀝青冷再生初期養(yǎng)生條件，馬歇爾試件在40℃環(huán)境箱中養(yǎng)生3d，用來(lái)模擬試件完全形成強(qiáng)度后的養(yǎng)生條件。采用磨耗試驗(yàn)和肯塔堡分散試驗(yàn)評(píng)價(jià)泡沫瀝青冷再生混合料的初期抗磨耗性能和抗松散性能，磨耗試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)參照ASTM D7196-06的要求，分散試驗(yàn)參照J(rèn)TG E20-2011(T0733-2011)的要求，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 抗松散性能試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of anti-loose performance生物油摻量/%磨耗質(zhì)量損失率/%分散損失率/%0.04.926.70.53.720.61.03.217.41.52.913.32.02.611.42.52.812.93.03.114.8

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加生物油對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的早期磨耗質(zhì)量損失率和分散質(zhì)量損失率影響較大，隨著生物油摻量增大，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的磨耗質(zhì)量損失率和分散質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，添加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%生物油后，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的早期磨耗質(zhì)量損失率比未添加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料減小了24.5%、34.7%、40.8%、46.9%、42.9%、36.7%，同時(shí)終期分散質(zhì)量損失率減小了22.8%、34.8%、50.2%、57.3%、51.7%、44.6%，由此可見，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的抗松散性能明顯優(yōu)于未添加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料，在生物油摻量為2.0%時(shí)預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料抗松散性能最佳，這主要得益于添加生物油再生劑有恢復(fù)對(duì)老化瀝青黏結(jié)力作用。

3.3 生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料疲勞特性

采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的疲勞特性，試驗(yàn)研究選擇生物油摻量為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%，按照本文1.3預(yù)拌拌和并成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。疲勞試驗(yàn)采用0.1、0.2、0.3、0.4的4個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度比，加載頻率10 Hz，試驗(yàn)溫度為20 ℃，疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表6，采用疲勞壽命(Nf)與作用荷載(σ)之間的雙對(duì)數(shù)擬合曲線對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析結(jié)果見圖1。

由表6可見，相同應(yīng)力水平條件下，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的疲勞壽命明顯大于未摻加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料，隨著生物油摻量增大，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的疲勞荷載作用次數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，在生物油摻量為2%時(shí)預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能最優(yōu)。相比未摻加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料，摻加0.5%、1.0%、2.0%、3.0%生物油后，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料在0.1應(yīng)力強(qiáng)度比下的疲勞壽命分別提高了15.3%、31.7%、69.7%、37.1%，0.2應(yīng)力強(qiáng)度比下的疲勞壽命分別提高了42.7%、67.0%、96.2%、48.5%，0.3應(yīng)力強(qiáng)度比下的疲勞壽命分別提高了68.0%、109.1%、147.6%、89.0%，0.4應(yīng)力強(qiáng)度比下的疲勞壽命分別提高了79.3%、129.0%、181.0%、84.8%。應(yīng)變水平越大，摻加生物油再生劑對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料疲勞壽命的改善效果越明顯，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗疲勞耐久性能。

圖1 疲勞壽命與作用荷載之間的雙對(duì)數(shù)擬合曲線Figure 1 Double logarithmic fitting curve between fatigue life and action load

表6 不同應(yīng)力水平疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Fatigue test results of different stress levels生物油摻量/%不同應(yīng)力強(qiáng)度比的疲勞荷載作用次數(shù)/次0.10.20.30.40.045 92520 9449 4893 8950.552 94329 89715 9456 9841.060 49934 98519 8428 9192.077 95341 09323 49110 9453.062 94931 10417 9317 199

采用疲勞壽命(Nf)與作用荷載(σ)之間的雙對(duì)數(shù)擬合方程參數(shù)表征預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能對(duì)施加荷載的敏感性，由圖1可見，疲勞方程的負(fù)線性擬合優(yōu)化度R2大于0.98，一般而言，疲勞方程斜率n的絕對(duì)值越大，表明疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平的變化越敏感，增大應(yīng)力水平后疲勞壽命衰減幅度越大，擬合方程截距K越大，表明疲勞曲線線位越高，相同應(yīng)變水平下相應(yīng)的疲勞壽命越大，具有較大的K值和較小的n值，泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能就越好。摻加0.5%、1.0%、2.0%、3.0%生物油后，4種預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再混合料疲勞壽命擬合方程截距為3.151、3.254、3.524、3.027，疲勞方程斜率n絕對(duì)值為1.306、1.299、1.246、1.577，截距K值比未摻加生物油的泡沫冷再生混合料增大了27.1%、31.3%、42.2%、22.1%，疲勞方程斜率n絕對(duì)值比未摻加生物油的泡沫冷再生混合料減小了25.7%、26.1%、29.1%、10.3%，由此可見，相比未摻加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能更優(yōu)，疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平變化的敏感程度更低，更具有耐久性。

4 試驗(yàn)段應(yīng)用

基于室內(nèi)研究成果，課題組結(jié)合2016年寧夏某雙向四車道國(guó)道一級(jí)路大修工程進(jìn)行了試驗(yàn)段驗(yàn)證，本項(xiàng)目的實(shí)施也是寧夏省第一條全線大規(guī)模采用泡沫瀝青冷再生施工的大中修項(xiàng)目，施工過(guò)程中面臨施工工期處于低溫施工、施工期短、運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)等諸多不利條件。設(shè)計(jì)采用銑刨原老路12cm瀝青混凝土層后整體結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方案，新加鋪路面結(jié)構(gòu)為：12cm泡沫瀝青冷再生基層+6cm AC-20C改性瀝青混凝土+4cm AC-13C改性瀝青混凝土。試驗(yàn)段采用12cm中粒式生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料，試驗(yàn)段長(zhǎng)度1km，生物油摻量為RAP質(zhì)量的2%，泡沫瀝青用量為2.8%，水泥摻量為1.5%，最佳拌和用水量為6.5%，鋪筑完成后養(yǎng)生期平均氣溫15℃，平均濕度78%，養(yǎng)生4d后即可取出完整芯樣，臨近路段未摻加生物油再生劑的泡沫瀝青冷再生混合料最快5～6d才取出完整芯樣。從圖2預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料外觀看，泡沫瀝青混合料集料表面被瀝青膜裹附，與乳化瀝青冷再生表觀非常相似，可見生物油再生劑對(duì)RAP表面老化瀝青溶解、稀釋、再生效果比較明顯。試驗(yàn)段鉆芯取樣試驗(yàn)結(jié)果見表7。試驗(yàn)段芯樣的空隙率、劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比均滿足JTG F41-2008規(guī)范要求，相比未摻加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的空隙率減小了2.6%，同時(shí)劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度增大了42.4%、60.8%、62.3%，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性更好，試驗(yàn)段服役了2a后無(wú)明顯車轍和反射裂縫，路面狀況良好，試驗(yàn)段達(dá)到了研究應(yīng)用目的。

(a) 預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生裹附狀況良好

(b) 現(xiàn)場(chǎng)攤鋪均勻性良好

(c) 養(yǎng)生4 d后鉆出完整芯樣

(d) 預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生層碾壓后表面

表7 泡沫瀝青冷再生混合試驗(yàn)段芯樣性能試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of core sample performance test of foamed asphalt cold recycled test section試驗(yàn)項(xiàng)目空隙率/%劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)40 ℃馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度/MPa干濕劈裂強(qiáng)度比/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN浸水殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強(qiáng)度比/%無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa貫入剪切強(qiáng)度/MPa預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生 9.70.8499.38.999.497.53.120.87普通泡沫瀝青冷再生12.50.5986.26.489.584.21.941.42規(guī)范要求9～14≥0.50≥75.0≥6.075.070.0無(wú)要求無(wú)要求

5 結(jié)語(yǔ)

為改善常規(guī)泡沫瀝青冷再生混合料的路用性能與耐久性，文章提出一種新型冷再生再生劑—生物油，首次提出采用生物油預(yù)拌工藝生產(chǎn)泡沫瀝青冷再生混合料，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

a. 通過(guò)生物油預(yù)拌工藝，從而使RAP表面的老化瀝青獲得黏結(jié)力，生物油預(yù)拌增強(qiáng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)老化RAP中的老化瀝青性能改善和發(fā)揮老化瀝青黏結(jié)力作用，從而增加泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部黏結(jié)強(qiáng)度，改善冷再生混合料整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

b. 隨著生物油摻量增大，預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度及三軸剪切試驗(yàn)粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，生物油摻量為2.0%時(shí)，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料的峰值馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、貫入剪切強(qiáng)度分別達(dá)到了9.4 kN、0.8MPa、3.01 MPa、1.35 MPa，基本達(dá)到了熱拌瀝青混合料強(qiáng)度水平。

c. 相比未摻加生物油的泡沫瀝青冷再生混合料，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能和抗松散性能更優(yōu)，生物油預(yù)拌增強(qiáng)型泡沫瀝青冷再生混合料疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平變化的敏感程度更低，更具有耐久性。

d. 生物油作為泡沫瀝青冷再生混合料輔助再生劑適宜的摻量為2.0%。鋪筑試驗(yàn)段服役了2 a后無(wú)明顯車轍和反射裂縫，路面狀況良好，采用生物油預(yù)拌工藝生產(chǎn)泡沫瀝青冷再生技術(shù)具有推廣應(yīng)用價(jià)值。