王海蛟，張慶宇，王 凱

(1.中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，河北 石家莊 050091)

0 引言

溫拌再生技術(shù)集溫拌技術(shù)和熱再生技術(shù)以最大限度利用舊瀝青路面材料、節(jié)能減排顯著而受到廣大道路工作者關(guān)注，成為近年來研究熱點(diǎn)[1-3]。

Honeywell(簡稱“Hon”)溫拌改性劑為針對當(dāng)前瀝青路面性能需求開發(fā)的瀝青混合料添加劑，有助于提升瀝青混合料路用性能，且大大降低生產(chǎn)溫度。目前，瀝青混合料再生主要分為現(xiàn)場熱再生、現(xiàn)場冷再生、廠拌熱再生和廠拌冷再生[4]。溫拌改性泡沫瀝青再生混合料能在較低溫度下生產(chǎn)施工，降低了瀝青老化，同時，具有較好和易性，結(jié)構(gòu)更密實(shí)。再生瀝青混合料應(yīng)用于高等級公路上，最主要問題為疲勞性能和永久變形[5]。文獻(xiàn)[6]研究表明，溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量呈現(xiàn)更多黏彈性特征，且舊瀝青混合料(RAP)摻量越大，動態(tài)模量呈增大趨勢。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為溫拌再生瀝青混合料抗疲勞性能優(yōu)于熱拌再生瀝青混合料。文獻(xiàn)[8]研究了RAP摻量對泡沫溫拌再生瀝青混合料路用性能的影響，得出RAP摻量為 30%時經(jīng)濟(jì)適用性最優(yōu)。目前相關(guān)文獻(xiàn)研究再生瀝青混合料的RAP摻量和路用性能較多，而對再生瀝青混合料溫拌改性泡沫瀝青應(yīng)用及動態(tài)模量、疲勞性能等方面研究報(bào)道較少。以AH70作為基質(zhì)瀝青，選取Hon7686作為溫拌改性劑，制備AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料，通過室內(nèi)瀝青發(fā)泡試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、動態(tài)模量試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)分析摻加30%銑刨料溫拌改性泡沫瀝青再生混合料路用性能和力學(xué)性能，推導(dǎo)建立AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料應(yīng)力疲勞方程和動態(tài)模量主曲線方程，為溫拌改性泡沫瀝青再生混合料的應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

1)瀝青 采用A級70號瀝青(以下簡稱“AH70”)，主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。由表1可知，AH70瀝青主要技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

2)摻配材料 摻配材料包括石粉和活性填料。石粉為石灰?guī)r，粒徑0～3mm。活性填料為P·S·A32.5 水泥。

3)改性劑 Hon7686改性劑外觀為白色粉末，為一種改善瀝青混合料綜合路用性能的改性劑，熔滴點(diǎn)為130～135℃，黏度為4.1～4.8Pa·s (150℃)。

1.2 Hon7686改性瀝青性能

將基質(zhì)瀝青加熱至150℃，然后使用攪拌器將Hon7686改性劑分散，攪拌速率為1 000r/min，時間1h。改性瀝青指標(biāo)測試結(jié)果如圖1所示，黏度測試結(jié)果如表2所示。

圖1 不同Hon7686摻量改性瀝青指標(biāo)測試結(jié)果

表2 Hon7686改性瀝青黏度測試結(jié)果

由圖1及表3可知，隨著Hon7686改性劑摻量增加，瀝青針入度變小，但影響趨勢變緩；軟化點(diǎn)明顯提升，且保持持續(xù)增長；延度明顯下降。60℃黏度增加明顯，可提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性性能；150℃高溫黏度略有增加，但幅度不大，可推斷出摻加Hon7686改性劑不會增加瀝青發(fā)泡難度。

1.3 室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)

采用室內(nèi)小型Wirtgen WLB l0S 試驗(yàn)發(fā)泡裝置和 WLM 30型拌合機(jī)。室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)測試結(jié)果如表3所示。

表3 室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)測試結(jié)果

由表3可知，不同發(fā)泡溫度和用水量對改性瀝青發(fā)泡參數(shù)無影響，Hon7686改性瀝青不改變發(fā)泡性能。選擇Hon7686改性瀝青發(fā)泡溫度160℃，發(fā)泡用水量2.5%，相應(yīng)最佳發(fā)泡膨脹比為19，半衰期為14s。

1.4 馬歇爾試驗(yàn)

溫拌改性泡沫瀝青再生混合料礦料摻配比例為銑刨料30%、新料68.5%、水泥1.5%。礦料級配組成如圖2所示。

圖2 礦料級配組成

通過馬歇爾試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)，確定Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料最佳油石比為4.9%，空隙率為4.8%。

2 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》碾壓成型300mm×300mm×50mm車轍板并進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料抗車轍能力明顯增強(qiáng)，特別是摻量為6%時，抗車轍能力達(dá)2倍以上。

3 水穩(wěn)定性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》推薦的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評價溫拌改性泡沫瀝青再生混合料水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖4，5所示。

圖4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖4，5可知，Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比均分別大于85%，80%，滿足規(guī)范規(guī)定的改性瀝青混合料水穩(wěn)定性技術(shù)要求，且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，水穩(wěn)定性能逐漸增強(qiáng)，具有較好的水穩(wěn)定性能。

4 低溫性能

彎曲試驗(yàn)適用于測定瀝青混合料試件在規(guī)定溫度和加載應(yīng)力水平條件下彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)[9]。瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)是研究瀝青混凝土材料低溫抗裂性能的重要方法[1]。試驗(yàn)溫度為-10℃±0.5℃，加載速率為50mm/min。適用于由輪碾成型后的試件切制成長250mm、寬30mm、高35mm棱柱體小梁，跨徑為200mm。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料低溫彎曲破壞應(yīng)變均>2 500με，滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求，且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，低溫性能逐漸增強(qiáng)，具有較好的低溫性能。

5 力學(xué)性能

5.1 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂強(qiáng)度是評價瀝青混合料力學(xué)性能的重要指標(biāo)[10]。試驗(yàn)溫度為15℃±0.5℃，加載速率為50mm/min。馬歇爾擊實(shí)法成型圓柱體試件直徑(101.6±0.2)mm，高(63.5±1.3)mm，壓條寬12.7mm。干劈裂試驗(yàn)在15℃恒溫水浴中保溫1h，濕劈裂試驗(yàn)先在25℃恒溫水浴中保溫23h，再在15℃恒溫水浴中保溫1h。溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，隨著Hon7686改性劑摻量增加，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度逐漸下降，且摻量4.5% 以下干劈裂強(qiáng)度均>0.5MPa。干、濕劈裂強(qiáng)度比分別為92%，90%，90%，84%，均大于規(guī)范要求的75%，可根據(jù)Hon7686改性劑摻量用于路面基層和面層。

5.2 動態(tài)模量試驗(yàn)

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定的溫拌改性泡沫瀝青再生混合料制備參數(shù)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，試件尺寸為直徑100mm、高150mm。選用SHRP推薦的SPT試驗(yàn)儀進(jìn)行動態(tài)模量試驗(yàn)[12]。試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)溫度采用10，20，30，40℃。采用常應(yīng)變控制方式，加載波形為正弦波，應(yīng)力水平采用50～150微應(yīng)變下對應(yīng)的應(yīng)力。軸向計(jì)量長度70mm。動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果 MPa

由表4可知，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量對溫度具有明顯的依賴性。溫度升高，動態(tài)模量減小，溫度降低，動態(tài)模量升高。以5℃為溫度間隔，常用加載頻率1～25Hz，10～20℃，20～30℃，30～40℃溫度時，每升高5℃其動態(tài)模量分別降低2 800～4 000MPa，1 100～2 700MPa，300～1 200MPa?？梢?，溫度變化對瀝青混合料的動態(tài)模量影響很大。

加載頻率對溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量同樣具有較大影響。隨著加載頻率增大，荷載作用時間減小，動態(tài)模量增大，反之，動態(tài)模量降低。研究表明，加載頻率為10Hz時，荷載時間約為0.016s，相當(dāng)于車輛行駛速度為60～65km/h。加載頻率為20～25Hz時，溫度由10℃升高至40℃，動態(tài)模量變化100～500MPa。由此說明，行車速度較高時(約為120km/h)，加載頻率的變化即行車速度變化，對瀝青混合料動態(tài)模量變化影響較小。

5.3 疲勞試驗(yàn)

疲勞性能是溫拌改性泡沫瀝青再生混合料重要的技術(shù)性能[12]。試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，直徑為100mm、高150mm。采用應(yīng)力控制模式，加載波形為半正弦波，加載頻率10Hz，應(yīng)力比為0.3，0.4，0.5，0.6，試驗(yàn)溫度為10，20，30℃。疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。縱坐標(biāo)荷載作用次數(shù)為lg對數(shù)值。

圖8 溫拌改性泡沫瀝青再生混合料疲勞曲線

選用經(jīng)典的應(yīng)力疲勞方程，如式(1)所示。

(1)

式中：N為荷載作用次數(shù)(次)；σ0為應(yīng)力(MPa)；K，n為擬合參數(shù)。

結(jié)合圖8，建立了不同溫度下AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料的應(yīng)力疲勞方程，相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，表明擬合效果良好。應(yīng)力疲勞方程擬合參數(shù)如表5所示。

表5 瀝青混合料應(yīng)力疲勞方程擬合參數(shù)

6 動態(tài)模量主曲線

瀝青混合料動態(tài)模量主曲線通常運(yùn)用非線性最小二乘法通過S型函數(shù)擬合得到[13]。動態(tài)模量與加載頻率的關(guān)系如式(2)所示。

(2)

式中：E*為動態(tài)模量(MPa)；tr為縮減時間(s)；δ為動態(tài)模量E*最小值(MPa)；α為動態(tài)模量E*最大值(MPa)；β，γ為描述型函數(shù)波形參數(shù)。

時間-溫度位移系數(shù)α(T)表示不同溫度下瀝青混合料動態(tài)模量平移至參考溫度下主曲線距離。位移系數(shù)、加載時間與縮減時間的關(guān)系如式(3)所示。

lg[α(T)]=lgt-lgtr

(3)

式中：T為溫度(℃)；t為加載時間(s)。

采用基于礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA確定瀝青混合料動態(tài)模量主曲線的方法。根據(jù)Christensen和Andersen研究結(jié)果，通過Hirsch模型預(yù)估動態(tài)模量極大值，如式(4)所示[14]。

(4)

其中：

(5)

式中：|E*|max為最大極限模量。

溫拌改性泡沫瀝青再生混合料VMA=16.5%，VFA=62.3%，采用式(4)，(5)計(jì)算最大極限模量，并取對數(shù)作為Max；溫拌改性泡沫瀝青再生混合料Max為6.509。

采用阿侖尼斯(Arrhenius)方程計(jì)算縮減時間[15]，如式(6)所示。

(6)

式中：Tr為參考溫度(℃)；T為試驗(yàn)溫度(℃)；ΔEa為擬合系數(shù)。

將式(6)代入式(7)，主曲線方程可表示為：

(7)

將式(3)和式(6)聯(lián)立，各溫度下位移系數(shù)可表示為：

(8)

將Max和參考溫度Tr=20℃代入式(7)，同時，采用1stopt1.5軟件數(shù)值擬合動態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定方程參數(shù)。擬合結(jié)果如表6所示。

表6 Sigmoidal主曲線方程參數(shù)擬合結(jié)果

由表6可知，其相關(guān)系數(shù)平方接近1，表明相關(guān)密切，擬合良好。將表6中主曲線方程擬合參數(shù)代回式(8)，即可求出Tr=20℃時不同溫度位移系數(shù)，如表7所示。

表7 不同溫度下的平移因子

根據(jù)表7中不同溫度下的平移因子可建立參考溫度20℃時，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量主曲線，如圖9所示。根據(jù)動態(tài)模量主曲線可預(yù)估現(xiàn)有設(shè)備測試范圍外加載頻率下瀝青混合料動態(tài)模量。

圖9 溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量主曲線

7 結(jié)語

1)通過室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)，確定Hon7686溫拌改性瀝青最佳發(fā)泡條件，即發(fā)泡溫度為160℃、發(fā)泡用水量為2.5%。

2)改性泡沫瀝青隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，針入度變小，軟化點(diǎn)明顯提升，延度明顯下降，60℃黏度明顯增大，150℃高溫黏度略有增加。

3)Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料具有良好的路用性能，且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫性能逐漸增強(qiáng)。

4)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)表明，隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加，溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度逐漸下降，推薦摻量宜≤4.5%。

5)依據(jù)間接拉伸疲勞試驗(yàn)，建立AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料應(yīng)力疲勞方程，其擬合相關(guān)系數(shù)平方均>0.95，相關(guān)性較好。根據(jù)S型函數(shù)建立參考溫度為20℃時溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量主曲線，可預(yù)估現(xiàn)有設(shè)備測試頻率范圍外動態(tài)模量，為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及服役性能壽命預(yù)估提供參數(shù)。