陳 謙，宋 亮，王 帥，問(wèn)鵬輝

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

泡沫瀝青冷再生工藝[1]是先將舊瀝青面層銑刨破碎后與一定量新集料混合，再將泡沫瀝青噴入其中，之后經(jīng)過(guò)拌和、碾壓成型，是一種節(jié)能環(huán)保的先進(jìn)道路施工工藝[2]。近年來(lái)，許多學(xué)者致力于泡沫瀝青冷再生混合料的研發(fā)和性能改善[3-4]。M.IWASKI等[5]和李志剛等[6]分別系統(tǒng)研究了濕度及低溫影響下不同濃度泡沫瀝青對(duì)冷再生道路基層力學(xué)性能的影響；H.I.L.JIMéNEZ等[7]采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法研究了泡沫瀝青冷再生機(jī)場(chǎng)路面設(shè)計(jì)方法，同時(shí)分析了采用泡沫瀝青的冷再生混合料剛度及抗疲勞特性；徐金枝等[8]研究了泡沫瀝青及水泥等黏結(jié)料對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料高低溫性能及抗松散性能的影響；鄧海濱等[9]分析了泡沫瀝青冷再生路面車轍產(chǎn)生機(jī)理，并通過(guò)添加外加劑方式提升了冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度；ZHANG Zhiqing等[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：泡沫瀝青冷再生混合料具備高模量、溫縮小及水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低路面早期裂縫發(fā)生。綜上所述，學(xué)者們前期的研究較多集中于泡沫瀝青冷再生混合料相關(guān)性能改善，但對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料綜合路用性能系統(tǒng)評(píng)價(jià)及如何確定泡沫瀝青冷再生混合料中泡沫瀝青的最佳含量等問(wèn)題的研究還不夠深入全面，限制了泡沫瀝青冷再生混合料發(fā)展及推廣應(yīng)用。

為進(jìn)一步系統(tǒng)化、科學(xué)化評(píng)價(jià)泡沫瀝青冷再生混合料路用性能，筆者基于最佳發(fā)泡條件及含水率，對(duì)比分析了不同泡沫瀝青含量下泡沫瀝青冷再生混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)，建立了基于功效系數(shù)法的泡沫瀝青冷再生混合料性能評(píng)價(jià)模型，系統(tǒng)研究了泡沫瀝青冷再生混合料路用性能，并確定了泡沫瀝青冷再生混合料中泡沫瀝青最佳含量。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

再生瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)采用連霍高速G30新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段改擴(kuò)建工程面層銑刨料，泡沫瀝青為烏奎段瀝青拌合站所采用韓國(guó)SK AH-90#基質(zhì)瀝青制備的泡沫瀝青，水泥選用天山P·C32.5硅酸鹽水泥，新集料為優(yōu)質(zhì)玄武巖，原材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。根據(jù)級(jí)配設(shè)計(jì)范圍，向RAP料中加入細(xì)集料和礦粉，并對(duì)其進(jìn)行篩分，確定各料摻配比例和合成級(jí)配，如表2。

1.2 發(fā)泡條件

采用WLB10發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)，對(duì)瀝青進(jìn)行不同溫度(145～165 ℃)、不同發(fā)泡用水量(2.5%～3.5%)條件下的發(fā)泡特性試驗(yàn)，如圖1。

圖1 發(fā)泡特性試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知：除了在發(fā)泡溫度為145 ℃、發(fā)泡用水量2.5%時(shí)，其它條件下該瀝青發(fā)泡特性都滿足現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的泡沫瀝青最低發(fā)泡標(biāo)準(zhǔn)[11]，即膨脹率大于10倍，半衰期大于8 s。在3種不同溫度下，當(dāng)發(fā)泡用水量為3%時(shí)即可獲得較好發(fā)泡效果，其膨脹率均在20倍以上，半衰期均不低于16 s。當(dāng)發(fā)泡溫度為155 ℃時(shí)，各個(gè)指標(biāo)值比較均衡。據(jù)此確定本研究中瀝青發(fā)泡條件為：發(fā)泡溫度155 ℃，發(fā)泡用水量3.0%。

1.3 水泥摻量及最佳含水率

水泥作為添加劑，其摻量會(huì)直接影響泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度?；谇捌谘芯?，泡沫瀝青摻量暫定為3.0%[12]，采用上述最佳發(fā)泡條件，以劈裂強(qiáng)度為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]，系統(tǒng)分析了不同水泥摻量對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)性能影響，如圖2。

圖2 水泥摻量對(duì)混合料強(qiáng)度的影響

由圖2可知：隨著水泥摻量逐漸增大，混合料干、濕劈裂強(qiáng)度均隨之逐漸增大，當(dāng)水泥摻量達(dá)到2.0%后，劈裂強(qiáng)度增幅減緩；而干濕劈裂強(qiáng)度比變化幅度較小，摻量提升至2.0%和2.5%后，干濕劈裂強(qiáng)度比分別增加了1.013%和1.014%。此外，考慮到雖然水泥摻量較大時(shí)能增強(qiáng)混合料顆粒間的黏結(jié)，可更好提升混合料力學(xué)強(qiáng)度，但過(guò)多的水泥會(huì)導(dǎo)致混合料脆性增加。因此筆者將水泥摻量設(shè)定為2.0%。

在此基礎(chǔ)上，將RAP、細(xì)集料、礦粉、水泥按所設(shè)計(jì)比例混合并成型試件，通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定混合料的最佳含水率為6.8%，如圖3。

圖3 最佳含水率

1.4 路用性能測(cè)試方法

根據(jù)規(guī)范[14]，測(cè)試泡沫瀝青冷再生混合料高溫、低溫、水穩(wěn)、抗疲勞等路用性能。① 高溫性能：采用動(dòng)穩(wěn)定度(60 ℃)來(lái)表征其高溫抗車轍能力；值得注意的是，本研究中水泥的主要作用為活性添加劑，且摻量較小，因此采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)泡沫瀝青冷再生混合料高溫性能還是較為合適的；② 低溫性能：采用劈裂強(qiáng)度來(lái)表征其低溫抗裂性能；③ 水穩(wěn)性能：采用馬歇爾試件的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)雙指標(biāo)來(lái)評(píng)定；④ 抗疲勞性能：評(píng)價(jià)指標(biāo)為疲勞壽命，采用四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為15 ℃，應(yīng)力比取0.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 路用性能

將2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 wt%等5個(gè)泡沫瀝青含量命名為方案A1～A5，并制備泡沫瀝青冷再生混合料。通過(guò)測(cè)試這5種不同方案泡沫瀝青冷再生混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)、抗疲勞性能，對(duì)其路用性能進(jìn)行系統(tǒng)研究和評(píng)價(jià)，如圖4。

圖4 不同方案的路用性能

由圖4可知：隨著泡沫瀝青用量增加，不同方案泡沫瀝青冷再生混合料的各項(xiàng)路用性能變化規(guī)律雖存在一定差異，但均呈現(xiàn)先增高后降低趨勢(shì)，這同普通瀝青混合料與瀝青含量變化規(guī)律相吻合，均是由于瀝青含量增加，集料與瀝青接觸面積增大，混合料黏聚力明顯增強(qiáng)，各項(xiàng)路用性能隨之提升；而隨著瀝青用量再次增加，自由瀝青增多，有效瀝青相應(yīng)減少，反而降低了混合料黏聚力，各項(xiàng)路用性能隨之不斷下降。其中：混合料高溫、低溫、水穩(wěn)、抗疲勞性能相對(duì)應(yīng)的泡沫瀝青最佳含量分別為2.5%、2.5%、2.5%、3.0%、3.0%、3.0%，其數(shù)值各異。同時(shí)各項(xiàng)路用性能指標(biāo)值較為接近，無(wú)法直觀對(duì)比分析。

基于此，針對(duì)不同路用性能對(duì)應(yīng)最佳泡沫瀝青用量各異問(wèn)題，為確定泡沫瀝青最佳用量，引入功效系數(shù)法，對(duì)不同泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)和科學(xué)決策。

2.2 綜合評(píng)價(jià)

基于上述研究，筆者利用功效系數(shù)法[15]構(gòu)建起5方案6指標(biāo)的功效系數(shù)評(píng)價(jià)體系，并對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料路用性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

在對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析基礎(chǔ)上，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)滿意值(Xhi)和不允許值(Xsi)[16]。滿意值通常選擇評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)限值；不允許值通常選擇評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最不利限值，見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

2.2.2 單項(xiàng)功效系數(shù)計(jì)算

評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括2種變量：極大型和極小型，其單項(xiàng)功效系數(shù)的確定方法分別見(jiàn)式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：d1i為第i個(gè)極大型評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)；Xi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值；Xhi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿意值；Xsi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不允許值；d2i為第i個(gè)極小型評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)。

根據(jù)式(1)、(2)，計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)如圖5。

圖5 各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)

2.2.3 各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重確定

單項(xiàng)功效系數(shù)確定后，根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)重要程度，采用變異系數(shù)法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)[17]；相比于目前專家打分等主觀賦權(quán)方法，該方法較為客觀合理。根據(jù)式(3)計(jì)算第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)變異系數(shù)νi。

(3)

根據(jù)式(4)計(jì)算第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重ωi。

(4)

根據(jù)式(3)、(4)，計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，如表4。

表4 各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

2.2.4 總功效系數(shù)計(jì)算

總功效系數(shù)Di可根據(jù)式(5)計(jì)算，得到不同方案基本性能總功效系數(shù)，見(jiàn)圖6。

圖6 綜合性能總功效系數(shù)

(5)

圖6為不同泡沫瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)方案綜合性能的總功效系數(shù)。其排序?yàn)椋篈3>A2>A4>A1>A5，A3的總功效系數(shù)最高，說(shuō)明A3方案的綜合路用性能更優(yōu)。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，3.0%含量的泡沫瀝青冷再生混合料具有優(yōu)良的高、低溫性能，特別是抗疲勞性能尤為突出，這一結(jié)論與評(píng)價(jià)體系得出結(jié)論一致，表明泡沫瀝青冷再生混合料路用性能預(yù)測(cè)結(jié)果較好地反映了實(shí)際情況。同時(shí)，通過(guò)進(jìn)行大型足尺試驗(yàn)(200 cm×200 cm×5 cm)，經(jīng)測(cè)試其各項(xiàng)路用性能良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了泡沫瀝青冷再生混合料路用性能綜合評(píng)價(jià)體系的可靠性。

3 結(jié) 論

1)瀝青最佳發(fā)泡條件為：發(fā)泡溫度155 ℃，發(fā)泡用水量3.0%；最佳含水率為6.8%；在水泥劑量為2%條件下，泡沫瀝青含量為2.5%～3.0%時(shí)，混合料各項(xiàng)路用性能相對(duì)較好。

2)基于功效系數(shù)法，建立了泡沫瀝青冷再生混合料路用性能綜合評(píng)價(jià)體系，5種方案總功效系數(shù)值大小順序?yàn)锳3>A2>A4>A1>A5；即泡沫瀝青最佳含量為3.0%時(shí)，泡沫瀝青冷再生混合料綜合路用性能最好。

3)將功效系數(shù)法用于泡沫瀝青冷再生混合料路用性能綜合評(píng)價(jià)的嘗試尚處于初步階段，存在某些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決，例如：如何構(gòu)建多變量多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，從而解決不同變量、水平下的性能綜合評(píng)價(jià)。

4)本研究中路用性能還局限在常規(guī)基礎(chǔ)指標(biāo)評(píng)價(jià)，在今后研究中，建議引入泡沫瀝青及混合料流變性能、微觀特征等方面指標(biāo)，使路用性能綜合評(píng)價(jià)更為系統(tǒng)化。