張永昌

（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300133）

1 引言

泡沫瀝青溫拌技術(shù)，采用瀝青發(fā)泡設(shè)備產(chǎn)生的壓縮空氣與小水滴形成蒸汽泡，與熱瀝青相結(jié)合，熱瀝青在表面張力作用下以薄膜狀形式充分裹覆蒸汽泡，瀝青氣泡在高壓下噴入攪拌缸與集料相結(jié)合，相比傳統(tǒng)瀝青，泡沫瀝青以薄膜狀存在，具有更強(qiáng)的和易性，薄膜狀的泡沫瀝青只需要較低的溫度就能達(dá)到較軟的狀態(tài)，從而與集料充分拌和與裹覆。目前國家大力提倡環(huán)境保護(hù)與能源節(jié)約并推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，然而在瀝青拌和站對瀝青和集料加熱以及現(xiàn)場路面鋪筑的過程中造成能源的極大消耗，瀝青煙、CO2等溫室氣體的排放造成環(huán)境污染，嚴(yán)重制約社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響人民的日常生活，應(yīng)用泡沫瀝青溫拌技術(shù)可以有效改善這一狀況，達(dá)到節(jié)能30%以上、降低CO2排放量50%以上的效果［1-2］。

我國對于泡沫瀝青的研究大多集中在泡沫瀝青的發(fā)泡機(jī)理、物理力學(xué)特性及路面冷再生混合料在低等級路面中的應(yīng)用。拾方治等［3-4］對泡沫瀝青發(fā)泡機(jī)理以及用水量、發(fā)泡溫度等影響因素以及物理力學(xué)特性做了相關(guān)研究；曹翠星［5］詳細(xì)分析了泡沫瀝青冷再生技術(shù)的現(xiàn)狀和有待解決的問題；徐金枝等［6-8］對廠拌泡沫瀝青冷再生混合料在高速路中的應(yīng)用做了相關(guān)研究。目前國內(nèi)對于泡沫瀝青溫拌技術(shù)在高等級路面及高速公路上的研究與應(yīng)用還相對匱乏，對于泡沫瀝青混合料試驗路段相關(guān)檢測也相對缺乏。

本文首先進(jìn)行AC-20C生產(chǎn)配合比設(shè)計，確定瀝青混合料最佳油石比，以瀝青加熱溫度為165℃、發(fā)泡用水量為1%廠拌生產(chǎn)泡沫瀝青混合料，溫拌泡沫瀝青混合料采用與熱拌改性瀝青混合料相同集料配合比、油石比、相同SBS改性瀝青，對兩者進(jìn)行對比試驗分析。通過浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗研究其水穩(wěn)定性，評價其抵抗水損害能力；通過凍融循環(huán)試驗研究其低溫耐久性；通過車轍試驗研究其高溫穩(wěn)定性，評價其高溫抗車轍性能；結(jié)合德商高速試驗路段，通過鉆芯法測定施工道路面層壓實度來評定其實際施工壓實質(zhì)量。

2 工程背景

德商高速公路聊城段于2012年10月開工建設(shè)，項目全長68.9 km，其夏津至聊城段路面工程一標(biāo)段采用高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度達(dá)到120 km／h，雙向四車道，路基寬度28 m，柔性基層半幅寬度為11.75 m，壓實厚度為6 cm，該路段工程于2016年7月28日正式建成通車。本文結(jié)合該高速公路工程，于夏津入口處鋪筑200 m中面層溫拌泡沫瀝青混合料試驗路段，與同時施工的常規(guī)熱拌技術(shù)路段形成對比，研究泡沫瀝青混合料的實際應(yīng)用性能。

3 混合料原材料技術(shù)性能與級配設(shè)計

3.1 原材料技術(shù)性能

（1）瀝青

采用山東高速物資儲運有限公司生產(chǎn)的70-A道路石油瀝青，瀝青主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1_SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

（2）集料

集料經(jīng)加熱、除塵、篩分后進(jìn)入熱料倉，取各熱料倉的料進(jìn)行篩分、密度試驗，篩分結(jié)果見表2。

_表2 集料密度測定值

3.2 AC-20C瀝青混合料生產(chǎn)配合比設(shè)計

（1）礦料級配設(shè)計

根據(jù)篩分結(jié)果，采用人機(jī)對話方式并進(jìn)行生產(chǎn)合成級配優(yōu)化，確定生產(chǎn)合成級配，各種材料比例為5＃倉熱料∶4＃倉熱料∶3＃倉熱料∶2＃倉熱料∶1＃倉熱料∶礦粉 ＝21∶18∶20∶14∶23.5∶3.5。組配后的計算結(jié)果見表3。

表3_AC-20礦料級配設(shè)計

（2）最佳油石比確定

分別以油石比4.3%、4.6%和4.9%制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，集料加溫195℃，混合料拌和溫度185℃，成型溫度165℃，測定其毛體積相對密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度及流值，試驗匯總結(jié)果列于表4。

_表4_油石比設(shè)計試驗結(jié)果匯總

4 泡沫瀝青混合料生產(chǎn)工藝

本文試驗所用馬歇爾試件和車轍板試件所用瀝青混合料均由西筑J5000型拌和站出料，采用滄州市市正筑路設(shè)備租賃有限公司與美國“Meeker”機(jī)械設(shè)備有限公司合作生產(chǎn)的MEEKER瀝青發(fā)泡設(shè)備，現(xiàn)場拌和站與瀝青發(fā)泡設(shè)備見圖1。

圖1 現(xiàn)場拌和站與瀝青發(fā)泡設(shè)備

2010年河北省建設(shè)科技研究指導(dǎo)性計劃項目課題《泡沫瀝青溫拌技術(shù)研究》，該課題通過開展對泡沫瀝青發(fā)泡特性及黏度變化規(guī)律的研究，提出了合理的瀝青發(fā)泡條件：瀝青溫度150℃，發(fā)泡用水量1%。研究顯示泡沫瀝青在該瀝青加熱溫度與發(fā)泡用水量下有較好的降粘效果，并能在泡沫瀝青膨脹率與半衰期指標(biāo)上達(dá)到最佳［9］。本文制作泡沫瀝青混合料參照這一研究結(jié)果，對該條件下施工現(xiàn)場制作的泡沫瀝青在高等級路面中的應(yīng)用性能展開進(jìn)一步的試驗研究。

在瀝青發(fā)泡設(shè)備中，用流量計控制發(fā)泡用水量與瀝青的質(zhì)量比為1%，為了更好地保證瀝青的發(fā)泡效果，瀝青仍然需要較高的加熱溫度，因此采用瀝青的加熱溫度與熱拌瀝青加熱溫度相同的165℃，在此溫度下泡沫瀝青半衰期與膨脹率指標(biāo)較好。拌和站制作溫拌SBS泡沫瀝青混合料與熱拌SBS改性瀝青混合料各階段溫度參數(shù)如表5所示。

_表5_瀝青_混合料生產(chǎn)溫度參數(shù)_℃

發(fā)泡設(shè)備生成的高壓水氣泡與熱瀝青結(jié)合形成薄膜狀的泡沫瀝青，泡沫瀝青噴入拌缸后形成瀝青膜裹覆在集料表面。瀝青發(fā)泡過程簡單操作方便具有精準(zhǔn)的計量系統(tǒng)，而且瀝青發(fā)泡裝置體積小、重量輕、安裝方便，僅占用瀝青混合料拌和站的一個小角落。拌和站生產(chǎn)泡沫瀝青混合料的具體流程如圖2所示。

圖2 泡沫瀝青混合料生產(chǎn)工藝流程

5 泡沫瀝青混合料路用性能試驗研究

5.1 試驗試件制作及其體積指標(biāo)

現(xiàn)場拌和站生產(chǎn)的兩種熱瀝青混合料裝入保溫桶帶回試驗室，按照試驗規(guī)程要求制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試塊與車轍板試塊，在進(jìn)行擊實前先計量稱重制作一塊試塊所需要的重量。為確保試驗要求的壓實溫度，稱量后泡沫瀝青混合料放入150℃恒溫試驗箱，熱拌瀝青混合料放入175℃恒溫試驗箱中保溫0.5 h后進(jìn)行試驗。其余試件制作步驟與試驗操作步驟均嚴(yán)格按照規(guī)范要求實施［10］。在此溫度下制作的馬歇爾試塊，在常溫干燥的室內(nèi)放置21 d，確保瀝青發(fā)泡過程中產(chǎn)生的氣泡與水分充分消散，其體積指標(biāo)如表6所示。表中統(tǒng)一用HMA代表熱拌改性瀝青混合料，WMA代表溫拌泡沫瀝青混合料。

表6_馬歇爾試塊體積指標(biāo)

由表6可知，溫拌泡沫瀝青混合料空隙率為4.4%，熱拌改性瀝青混合料空隙率為5.3%，由于微量水分與氣泡引入泡沫瀝青混合料，以及壓實溫度的降低，導(dǎo)致泡沫瀝青混合料密度相比熱拌改性瀝青混合料下降0.02，混合料空隙率相比增大0.9%。

5.2 水穩(wěn)定性能研究

（1）浸水馬歇爾試驗

按規(guī)程中T0702成型的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件在測完各物理指標(biāo)后放入60℃恒溫水浴箱中保養(yǎng)48 h后進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表7所示。

_表7_浸水馬歇爾試驗結(jié)果

由表7可知，泡沫瀝青混合料殘留穩(wěn)定度為85.7%，比熱拌混合料的86.4%下降了0.9%，下降程度較小，泡沫瀝青混合料的浸水前穩(wěn)定度、浸水48 h后穩(wěn)定度相比熱拌混合料下降0.17 kN與0.25 kN，三項數(shù)據(jù)下降程度較小，殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范大于85%的要求。

（2）凍融劈裂試驗

高速公路對施工現(xiàn)場壓實度要求較高，因此凍融劈裂試驗所用試件仍采用擊實次數(shù)75次成型地標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。試件經(jīng)97.3 kPa壓強(qiáng)下真空保水15min后在-18℃恒溫試驗箱中冷凍16 h，立即放入溫度為60℃恒溫水槽中保溫24 h，隨后浸入25℃恒溫水槽中保溫2 h進(jìn)行劈裂試驗，試驗結(jié)果如表8所示。

表8_凍融劈裂試驗結(jié)果

由表8可知，由于空隙率相對較大，溫拌泡沫瀝青混合料凍融前與凍融后劈裂強(qiáng)度均略微低于熱拌改性瀝青混合料，相比下降0.05 MPa與0.1 MPa，由于瀝青混合料中的自由水經(jīng)冷凍后體積膨脹，兩種混合料在內(nèi)部張力作用下空隙率增大，泡沫瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比低于熱拌瀝青混合料4.8%，但兩者劈裂強(qiáng)度比均大于技術(shù)要求的80%。

5.3 耐久性研究

凍融劈裂試驗僅為單次的凍融循環(huán)，目的在于放大水損害對混合料的影響，從而研究瀝青混合料的水穩(wěn)定性。目前國內(nèi)針對泡沫瀝青冬春期凍融疲勞損傷的研究相對缺乏，對于瀝青混合料耐久性研究的凍融循環(huán)試驗尚無明確試驗方法，冷凍與水浴融化時間都沒有統(tǒng)一規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范及研究成果［11-12］，本文凍融循環(huán)試驗采用凍融劈裂試驗的基本步驟，試件真空飽水，經(jīng)-18℃冷凍16 h后25℃恒溫水浴時間為12 h，其余條件都相同，此為一個循環(huán)，試驗結(jié)果如表9所示。

表9_凍融循環(huán)試驗結(jié)果

我國北方寒冷地區(qū)以及西部晝夜溫差較大地區(qū)路面長期反復(fù)凍融對瀝青混合料的損害，一方面表現(xiàn)在飽水瀝青混合料在冷凍過程中，部分聯(lián)通空隙內(nèi)的水分較快排除，其余內(nèi)部細(xì)小空隙內(nèi)水分與部分開口孔隙水分在冰凍壓力下在內(nèi)部移動并儲存，自由水結(jié)冰后的體積增大，混合料內(nèi)部拉應(yīng)力增加導(dǎo)致混合料內(nèi)部出現(xiàn)微損傷，使得強(qiáng)度有所降低，凍脹作用使內(nèi)部空隙增大；另一方面，混合料內(nèi)部空隙水分的長期存在與反復(fù)凍融，在一定程度上破壞了混合料的黏聚性以及瀝青與集料的界面粘附性，在融化加壓后則表現(xiàn)為松散破壞［13］。由表9可知，凍融第一次循環(huán)相比凍融劈裂試驗的劈裂強(qiáng)度86%提高2.8%，而對于熱拌混合料并無影響。隨著凍融后空隙率的增大，兩種混合料經(jīng)第一次凍融后強(qiáng)度有較大的下降，HMA強(qiáng)度比為90.8%，WMA為88.8%，混合料經(jīng)2～3次循環(huán)后強(qiáng)度下降程度趨于穩(wěn)定，經(jīng)反復(fù)凍融后HMA劈裂強(qiáng)度比穩(wěn)定在97%以上，WMA混合料穩(wěn)定在95%以上，泡沫瀝青混合料相比熱拌混合料下降2%，可見泡沫瀝青混合料在長期反復(fù)凍融下的耐久性能略微低于熱拌瀝青混合料，但相差不大仍滿足路用要求。

5.4 高溫穩(wěn)定性研究

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性用于評價在夏季高溫條件下，瀝青路面在車輛荷載長期反復(fù)作用下產(chǎn)生的推移和車轍等病害，目前普遍采用車轍試驗來評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性［14］。采用輪碾機(jī)制作300 mm×300 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，將同種材料每組三塊試件放入全自動車轍試驗儀中60℃分別保養(yǎng)7～9 h后，進(jìn)行車轍試驗研究瀝青混合料的高溫抗車轍能力。車轍試驗結(jié)果如表10所示。

由試驗結(jié)果可知，SBS改性瀝青能較大程度提高混合料的抗高溫性能，兩種混合料動穩(wěn)定度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范要求的3 000次／mm。隨著保養(yǎng)時間的延長，在60℃條件下混合料動穩(wěn)定度有所下降，下降幅度隨時間推遲減小，在全自動車轍儀進(jìn)行輪壓的1 h中，前期車轍變形較為迅速，采用45～60 min的車轍變形來計算動穩(wěn)定度。泡沫瀝青混合料動穩(wěn)定度為6 177次／mm，高于熱拌改性瀝青混合料的5 669次／mm，相比提升9%，展現(xiàn)出更好的高溫抗車轍性能。

表10 車轍試驗結(jié)果

5.5 瀝青面層壓實度研究

為了檢驗泡沫瀝青的實際應(yīng)用效果，在鋪筑的對比試驗路段上采用鉆芯法測泡沫瀝青混合料與熱拌瀝青混合料路段的壓實度，每種路段設(shè)2個點?，F(xiàn)場取樣見圖3。

圖3 現(xiàn)場鉆芯取樣

現(xiàn)場鉆芯取樣按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）中壓實度試驗方法進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表11所示。表11 鉆芯法測定瀝青面層壓實度試驗結(jié)果

混合料_類型／%_HMA 2.537 2.434理論相對密度_路面標(biāo)準(zhǔn)密度 測點編號 實測密度 理論密度_壓實度／%_壓實度代表值 K1／%_標(biāo)準(zhǔn)密度_壓實度／%_壓實度代表值K2_1_2_2.368_93.3_97.3_2.382_93.9_92.3≥92_97.9_96.3≥96 WMA 2.537 2.398_3_4_2.353_92.7_98.1 2.347_92.5_92.2≥92_9_7.9_97.6≥96

根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80 1-2004）對試驗結(jié)果進(jìn)行評定分析［15］。表中壓實度代表值K1、K2由下式所得：

由表11可知，泡沫瀝青路面實測密度要略微小于改性瀝青路面，但基于泡沫瀝青材料本身標(biāo)準(zhǔn)密度下，泡沫瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)壓實度為97.6%，而熱拌改性瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)密度壓實度為96.3%，可知泡沫瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)密度壓實度高于改性瀝青路面，均大于規(guī)范要求的壓實度標(biāo)準(zhǔn)值96%。在理論密度壓實度這一指標(biāo)上兩者性能完全一致，均為92.2%，大于規(guī)范要求的理論密度壓實度標(biāo)準(zhǔn)值92%。熱拌改性瀝青路面壓實溫度要高于溫拌泡沫瀝青路面25℃左右，但由于泡沫瀝青黏性的降低，使得混合料能在較低溫度下壓實并滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

（1）SBS泡沫瀝青混合料與常規(guī)熱拌技術(shù)生產(chǎn)的SBS改性瀝青混合料相比，泡沫溫拌技術(shù)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用可將混合料平均加熱溫度降低20～30℃，泡沫瀝青有效降低混合料黏性從而有利于拌和與壓實。

（2）由浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗評價泡沫瀝青混合料抵抗水損害的能力，試驗結(jié)果表明泡沫瀝青混合料浸水前后的穩(wěn)定度比值與凍融劈裂破壞的強(qiáng)度比均略低于熱拌改性瀝青混合料，水穩(wěn)定性有所降低，但此性能仍滿足規(guī)范要求的指標(biāo)。

（3）經(jīng)多次凍融循環(huán)后混合料的空隙率增大，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低，凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度比由下降較快到趨于穩(wěn)定，泡沫瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度以及兩次循環(huán)間的劈裂強(qiáng)度比略微低于熱拌改性瀝青混合料，其低溫耐久性相對低于熱拌瀝青混合料，但仍維持在較高水平。

（4）泡沫瀝青在一定程度上提高了混合料的高溫抗車轍能力，相比熱拌改性瀝青，泡沫瀝青制作的混合料試件動穩(wěn)定度提高9%左右，其高溫穩(wěn)定性有較大的提高。

（5）泡沫瀝青混合料在較低的生產(chǎn)與壓實溫度下，其中面層的施工壓實度與熱拌瀝青混合料基本一致，完全符合規(guī)范對施工壓實度的要求標(biāo)準(zhǔn)。