黃七零

(廣西交通技師學(xué)院,廣西 南寧 530000)

1 前 言

為有效利用自然資源保證自然資源的可持續(xù)發(fā)展,再利用現(xiàn)有材料在世界范圍內(nèi)越來越受歡迎,因?yàn)樵倮貌牧夏鼙Ｗo(hù)和利用有限的自然資源。同時(shí),由于道路建設(shè)、改造和維護(hù)的預(yù)算限制,需要?jiǎng)?chuàng)新且環(huán)保的解決方案,以保證道路使用者獲得可接受的服務(wù)水平。再利用的材料既可以用于新的路面建設(shè),也可以用于對嚴(yán)重惡化的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)。對于這類路面,表面干預(yù)措施對隱藏的結(jié)構(gòu)問題處理效果并不理想,可能需要進(jìn)行深度治理。在綠色、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的大背景下,對純新型高性能材料的需求是路面工程界關(guān)注的關(guān)鍵問題。因此,在過去的幾十年里,道路材料的回收利用獲得了很多關(guān)注,重點(diǎn)關(guān)注了結(jié)合層和非結(jié)合層的新機(jī)遇和施工挑戰(zhàn)[1]。

在現(xiàn)有的路面材料回收技術(shù)中,就地冷回收(CIR)是大大縮短施工時(shí)長和確保成本效益的有效手段。該技術(shù)也是一種可持續(xù)的工程維修解決方案,可以顯著降低存儲成本、減少能源和燃料消耗,降低總體氣體和噪音排放,因?yàn)椴恍枰诠S內(nèi)生產(chǎn)或運(yùn)輸?shù)戒佈b現(xiàn)場[2]。如果回收深度延伸到瀝青層底部以下,CIR通常被稱為全深度回收(FDR)。FDR技術(shù)旨在從結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)面臨嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)的基層/次基層。FDR可以通過多種方式實(shí)現(xiàn),其中之一是使用泡沫瀝青(FA)來穩(wěn)定現(xiàn)有的路面材料。根據(jù)定義,FA是通過向熱瀝青(瀝青重量的2%～3%)注水產(chǎn)生的,其體積膨脹,隨后粘度降低,這對于FA在環(huán)境溫度下充分涂覆骨料是理想的。

冷回收技術(shù)是HMA技術(shù)的一種替代方案。在冷回收技術(shù)中,瀝青乳液和發(fā)泡瀝青是常用的粘結(jié)劑。冷回收技術(shù)的使用可降低能耗,減少煙霧和溫室氣體的排放。冷回收的總體思路是最大限度地利用道路路面結(jié)構(gòu)破損層獲得的材料。大多數(shù)采用全深度冷回收技術(shù)的道路改造項(xiàng)目都是在具有柔性和半剛性結(jié)構(gòu)的道路上進(jìn)行的。必須注意當(dāng)?shù)氐臈l件,如現(xiàn)有結(jié)構(gòu)層的排列,決定了再生基層混合料中各個(gè)成分的含量。因此,再生基層的組成包括:基層層的有界混合物或水泥混凝土層,非有界混合物和瀝青路面。這種方法可最大限度地利用建筑材料現(xiàn)有結(jié)構(gòu)層在基層組成中形成全深度冷循環(huán)。

泡沫瀝青是一種典型的粘結(jié)劑,用于冷拌瀝青(CMA)回收[3],并越來越多地作為粘結(jié)劑用于在低溫下制造和放置的瀝青混合物[4]。它是一種由97%～98%的瀝青組成的混合物,1%～3%的蒸汽和其他添加劑改善其起泡性[5]。在膨脹室中,瀝青的熱能被轉(zhuǎn)移到水滴的表面,從而加熱到100 ℃。同時(shí),由于注入瀝青相中水的快速蒸發(fā),瀝青被冷卻。由于水和瀝青的導(dǎo)熱性較低,被瀝青膜包圍的蒸汽氣泡的平衡保持一定時(shí)間,從而形成瀝青泡沫[6]。

在發(fā)泡過程中,瀝青的粘度急劇下降。大量文獻(xiàn)試圖分析含水率和瀝青溫度對發(fā)泡參數(shù)變化的影響。He和Wong[7]尋找用水量與發(fā)泡特性之間的相關(guān)性,重點(diǎn)研究了滲透率為60×0.1 mm和100×0.1 mm的發(fā)泡瀝青的建模和優(yōu)化。增加水的量可以提高最大膨脹?？紤]到發(fā)泡工藝的特點(diǎn),Hu等[8]對CRA粘結(jié)劑進(jìn)行了發(fā)泡,發(fā)現(xiàn)發(fā)泡工藝對CRA粘結(jié)劑的性能沒有顯著影響;Yu等[9]發(fā)現(xiàn)發(fā)泡后的CRA粘結(jié)劑的高溫性能比常規(guī)CRA粘結(jié)劑稍差,但其低溫性能、溫度穩(wěn)定性和抗疲勞性能較好,且發(fā)泡用水量對其性能的影響較大。Iwanski等[10]發(fā)現(xiàn)泡沫瀝青粘結(jié)劑中水分的存在可能是其老化的原因之一。Sanchezet等[11]發(fā)現(xiàn)發(fā)泡瀝青粘結(jié)劑冷再生混合料的流變性能主要受瀝青粘結(jié)劑流變性能的影響。雖然對發(fā)泡瀝青粘結(jié)劑和CRA粘結(jié)劑的研究較多,但目前對于北方地區(qū)發(fā)泡瀝青發(fā)泡溫度、發(fā)泡用水量等方面的研究還有待進(jìn)一步深入開展。綜上所述,本研究的目的是研究北方地區(qū)發(fā)泡瀝青發(fā)泡溫度、發(fā)泡用水量對發(fā)泡CRA粘結(jié)劑的影響,另外采用方差分析的方法,分析瀝青溫度和發(fā)泡用水量以及交互作用對膨脹率和半衰期的影響,進(jìn)行影響因素敏感性分析,確定發(fā)泡質(zhì)量的最敏感因素。

2 材 料

2.1 瀝青

90#A級基質(zhì)瀝青應(yīng)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 90#A級基質(zhì)瀝青技術(shù)要求

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),瀝青溫度為152、160、168℃三個(gè)水平,發(fā)泡用水量為1%、2%、3%、4%四個(gè)水平,試驗(yàn)為3×4=12個(gè)水平組合。使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的發(fā)泡裝置WBL10S將溫度設(shè)定為25±3 ℃的水注入熱瀝青中。水的迅速蒸發(fā)使瀝青在有蒸汽的情況下產(chǎn)生泡沫。整個(gè)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

泡沫瀝青達(dá)到瀝青泡沫最大膨脹率(ER)和瀝青泡沫半衰期(HL),其膨脹率和半衰期如表2所示。

4 瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 瀝青發(fā)泡溫度對發(fā)泡特性的影響分析

不同用水量條件下瀝青發(fā)泡膨脹率和半衰期如圖1所示。

圖1 發(fā)泡瀝青溫度對發(fā)泡指標(biāo)的影響

由圖1分析可得。

(1)在不同用水量下,160 ℃膨脹率最大,在用水量3%以下時(shí),152 ℃膨脹率次之,168 ℃最小;用水量4%時(shí),160 ℃和168 ℃膨脹率受用水量影響不明顯,152 ℃膨脹率與其差異也不大。

(2)在用水量2%～4%時(shí),170 ℃半衰期最大,160 ℃次之,152 ℃最小;用水量1%時(shí),152 ℃與160 ℃半衰期差異不大,且高于170 ℃時(shí)的。

4.2 發(fā)泡用水量對發(fā)泡特性的影響

(1)隨著用水量的增大,瀝青膨脹率會增大,而半衰期會減小,可見膨脹率和半衰期與用水量的關(guān)系是相反的。

(2)不同發(fā)泡溫度下,膨脹率的增大幅度逐漸變小并趨于平穩(wěn);在150 ℃時(shí),用水量為1%～2%間,膨脹率增幅最大;在160 ℃時(shí),用水量為3%～4%間,膨脹率增幅最小。

(3)不同發(fā)泡溫度下,用水量1%～4%時(shí),半衰期的減小幅度突然變小然后趨于平穩(wěn);在150 ℃時(shí),用水量為1%～2%間,膨脹率增幅最大,用水量為3%～4%間,膨脹率增幅最小。

5 影響因素敏感性分析

采用方差分析的方法,分析瀝青溫度和發(fā)泡用水量以及交互作用對膨脹率和半衰期的影響。選取顯著性水平為0.05,根據(jù)F值分析,F>Fr時(shí),表明該因素對結(jié)果影響敏感,反之亦然,方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析結(jié)果

表3結(jié)果分析如下。

(1)膨脹率和半衰期指標(biāo),用水量、溫度及交互作用的F值均大于Fr,表明以上因素對膨脹率和半衰期均有顯著影響,且影響由大到小依次為發(fā)泡用水量、發(fā)泡溫度、交互作用。

(2)發(fā)泡用水量的F值遠(yuǎn)大于其他,說明發(fā)泡質(zhì)量的最敏感因素是發(fā)泡用水量。

6 最佳瀝青發(fā)泡條件的確定

通過瀝青發(fā)泡溫度和發(fā)泡用水量對發(fā)泡特性的影響分析,在瀝青溫度為160 ℃時(shí),膨脹率和半衰期的數(shù)值相對較大,因此本瀝青的最佳發(fā)泡溫度是160 ℃,膨脹率和半衰期隨用水量的變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可知,溫度為160 ℃時(shí),瀝青的膨脹率和半衰期隨用水量的變化,有較好的指數(shù)函數(shù)曲線擬合關(guān)系,相關(guān)系數(shù)較高。按《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)附錄D中規(guī)定的確定最佳發(fā)泡用水量的方法,以膨脹率數(shù)值應(yīng)大于10倍,半衰期大于8 s控制,由圖3可知膨脹率為10時(shí)對應(yīng)的用水量為0.7%,半衰期為8時(shí)對應(yīng)的用水量為4.8%,取二者均值得最佳發(fā)泡用水量為2.75%,此時(shí)膨脹率為25.7%,半衰期為21.1 s。

7 結(jié) 論

在瀝青溫度采用三個(gè)水平、發(fā)泡用水量為四個(gè)水平下,研究90#瀝青發(fā)泡效果,得出的結(jié)果可以總結(jié)如下。

(1)用水量、溫度及交互作用的因素對膨脹率和半衰期均有顯著影響,且影響由大到小依次為發(fā)泡用水量、發(fā)泡溫度、交互作用。

(2)瀝青最佳發(fā)泡用水量為2.75%,此時(shí)的膨脹率為25.7%,半衰期為21.1 s。