作者簡介：曾文彤（1984—），工程師，主要從事路橋項目施工管理工作。

文章對采用不同RAP含量的泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究分析。對原生瀝青的發(fā)泡特性進(jìn)行了評估，以優(yōu)化其最佳含水量和發(fā)泡溫度；進(jìn)行混合料設(shè)計，優(yōu)化了不同RAP含量的混合料中的泡沫瀝青含量，并對泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，瀝青的性質(zhì)、用量和RAP含量對泡沫瀝青和泡沫瀝青混合料的性能有顯著影響。在不同的混合料中，含50% RAP的泡沫瀝青混合料在彈性模量和抗?jié)駬p傷試驗中表現(xiàn)最佳；含80%RAP的泡沫瀝青混合料也顯示出可接受的強(qiáng)度和抗水敏感性。

泡沫瀝青混合料；再生瀝青路面；混合料設(shè)計；力學(xué)性能

U416.217A030084

0?引言

目前，在鋪裝設(shè)計和施工中，將再生瀝青路面（RAP）材料應(yīng)用到瀝青混合料中是各國普遍采用的一種施工方法。在回收工藝中，就地冷再生由于其環(huán)保的工藝和能最大限度地利用RAP材料而具有廣闊的前景。就地冷再生是將現(xiàn)有的破損路面碾磨到預(yù)定深度，然后將這種材料與泡沫瀝青或乳膠混合。就地冷再生又分為瀝青層就地冷再生和全深式就地冷再生［1］。由于RAP是在常溫下使用的，含有泡沫瀝青的就地冷再生限制了RAP的進(jìn)一步降解，因此降低了建設(shè)成本和對用戶的交通干擾。具體施工時，不需要對瀝青進(jìn)行加熱處理，不會造成明顯的環(huán)境污染，施工也不會受到特殊氣候的干擾，保障了工程施工的普遍性［2］。盡管泡沫瀝青工藝的就地冷再生有很大的好處，但在使用時仍需要解決某些問題，如RAP本身的異質(zhì)性導(dǎo)致泡沫瀝青混合料性能的差異顯著等。

泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能受到諸如拌和用水量、RAP含量、級配和水泥摻量等因素的影響［3-5］。其中，瀝青的物理性能和RAP的用量對泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能有顯著的影響。因此，本文研究泡沫瀝青混合料力學(xué)性能的試驗分為4個階段進(jìn)行：（1）組成材料（RAP、原始集料和瀝青）的表征；（2）不同等級瀝青的發(fā)泡性能評價；（3）泡沫瀝青混合料的配合比設(shè)計；（4）采用不同比例RAP對泡沫瀝青混合料力學(xué)性能的評價。

1?組成材料的表征

1.1?RAP材料與原始集料

試驗中，RAP材料的瀝青含量為3.6%（按總混合物的重量計算），25 ℃的針入度和軟化點分別為3.7 mm和61.2 ℃。在60 ℃和135 ℃的溫度下，瀝青的表觀黏度分別為2 800 Pa·s和875 Pa·s。對回收集料和原始集料進(jìn)行了物理性能測試，結(jié)果見表1。

為了測定綜合片狀指數(shù)和伸長率指數(shù)，分離出具有代表性的片狀石材樣品，將片狀骨料的重量除以骨料樣品的總重量，計算出片狀指數(shù)。伸長指數(shù)是伸長骨料顆粒的重量與非片狀骨料顆粒的總重量的比值。片狀指數(shù)和伸長指數(shù)（均以百分?jǐn)?shù)表示）相加得到片狀指數(shù)和伸長率的綜合指數(shù)。

集料試樣通過12.5 mm篩，保留在10 mm篩上進(jìn)行集料沖擊試驗?？箾_擊性是通過樣品經(jīng)受15次打擊或標(biāo)準(zhǔn)重量的沖擊來確定的，總沖擊值以形成的細(xì)粒占樣品總重量的百分比表示。粗骨料比重試驗通過確定體積骨料的重量與等體積水的重量之比來計算粗骨料樣品的比重。將瀝青包覆骨料靜態(tài)浸入水中，測定骨料的剝落值。

1.2?原生瀝青

本研究使用了3種原始瀝青結(jié)合料（VG10、VG30和VG40，VG20由所需數(shù)量的VG10和VG30混合而成）。瀝青的物理性質(zhì)如表2所示。

1.3?泡沫瀝青

隨著含水率和瀝青溫度的升高，泡沫瀝青的膨脹比增大，半衰期減小。為了確定最佳發(fā)泡水含量和發(fā)泡溫度，研究了泡沫瀝青在一定溫度和含水量范圍內(nèi)的特性。將瀝青的溫度控制在120 ℃～180 ℃變化（以10 ℃為增量），選擇的發(fā)泡水含量分別為2%、4%、6%、8%、10%和11%，使用的氣壓和水壓分別為550 kPa和600 kPa。在每個發(fā)泡過程中，500 kg瀝青以50 g/s的速度進(jìn)入發(fā)泡室，確定最佳的水分和溫度，以滿足ER≥8次和HL≥6秒的最低標(biāo)準(zhǔn)。如表3所示，總結(jié)了所有等級瀝青的最佳含水率和發(fā)泡溫度以及相應(yīng)的發(fā)泡參數(shù)。

2?混合料的配合比設(shè)計

2.1?混合料級配

將從RAP中獲得的骨料在烘箱中干燥24 h，洗凈骨料后進(jìn)行篩分以確定骨料級配，如圖1所示。將RAP集料與原集料進(jìn)行配合比設(shè)計，以滿足級配的要求。含有80% RAP材料和1%活性填料（43級水泥）的骨料混合料滿足回收泡沫瀝青混合料的級配要求，含0、50%和80% RAP的再生泡沫瀝青混合料粒徑分布及級配限值如圖1所示。

2.2?最佳含水量的測定

通過烘箱干燥，確定RAP的含水率為0.12%。根據(jù)水分和密度的關(guān)系，確定了未處理混合料的最佳含水量。通過加入不同數(shù)量的水，制備了不同含水量的松散混合料，這些混合料混合良好，使用Proctor壓實法進(jìn)行壓實。

2.3?混合料制備及其性能測試

確定最佳含水量后，對骨料混合料中的泡沫瀝青進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化過程中，稱量滿足級配規(guī)格的10 kg骨料混合料，并加入泡沫瀝青，泡沫瀝青含量的百分比分別為1.8%、2.0%、2.2%、2.5%、3%。使用攪拌機(jī)混合，將混合料進(jìn)一步分割，以獲得混合料的重量，剛好填滿模具，使用壓實機(jī)將松散的混合料壓實，壓實后的混合料在24 h后脫模，隨后在40 ℃烤箱中固化72 h。

為了評估泡沫瀝青混合料的性能，在實驗室進(jìn)行基于性能的測試。采用間接拉伸強(qiáng)度法對泡沫瀝青混合料的拉伸性能進(jìn)行了評價。采用壓實圓柱試樣進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測試，利用破壞載荷和試件尺寸，間接拉伸強(qiáng)度計算公式如式（1）所示。

為了評估泡沫瀝青混合料的水分損傷敏感性，確定拉伸強(qiáng)度比（TSR），將6個樣品壓實，其中3個樣品用于在無約束條件下測定間接拉伸強(qiáng)度，其余3個樣品經(jīng)過適當(dāng)?shù)募s束處理后進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測試。經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓袒?，?5 ℃下對其進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測試。為了進(jìn)行調(diào)節(jié)，將樣品置于60 ℃的水中，水浴24 h，然后在25 ℃的環(huán)境室中靜置2 h，之后使用這3個樣品測定間接拉伸強(qiáng)度。試件的抗拉強(qiáng)度比計算公式如式（2）所示：

式中：σt，約束[WB]——[ZK（]約束條件下試樣的平均間接拉伸強(qiáng)度；

σt，無約束[DW]——[ZK（]無約束條件下試樣的平均間接拉伸強(qiáng)度。

為了檢查泡沫瀝青混合料在動態(tài)條件下的響應(yīng)，將試樣在環(huán)境箱中放置5 h，然后在泊松比為0.35、重復(fù)加載脈沖寬度為0.1 s、脈沖重復(fù)周期為1 s的條件下，測量彈性模量值。

3?結(jié)果與討論

3.1?壓實特性

如前所述，泡沫瀝青混合料的壓實特性用改進(jìn)的Proctor試驗確定，其壓實混合料干密度隨含水率的變化情況如圖2所示。由圖2可以看出，隨著含水率的增加，壓實試樣的干密度先增加到一定程度后再降低。研究中評估的所有混合物都是如此，但3種混合料的最大干密度和相應(yīng)的含水率不同。RAP含量的增加導(dǎo)致所有混合料的干密度降低，最佳含水量相應(yīng)增加。將最大干密度對應(yīng)的含水率指定為預(yù)潤濕水，用于后續(xù)試樣制作和測試。0 RAP含量和50%RAP、80% RAP含量混合料的最佳含水量分別為4.8%、5.0%和6.2%。在加入預(yù)潤濕水時，扣除RAP中存在的水分含量。

由圖2可知，0 RAP含量混合物中＜4.75 mm篩分的顆粒較多，50%RAP含量混合物中＞4.75 mm篩分的顆粒較多，80%RAP含量混合物中較大顆粒產(chǎn)生的空隙被水填充。因此，RAP含量較高的混合物密度較低，需要較高的含水量才能達(dá)到最大密度。

3.2?間接拉伸強(qiáng)度

對于VG 10、VG 20、VG 30和VG 40等級的瀝青，間接拉伸強(qiáng)度隨RAP含量和瀝青含量的變化情況分別如圖3所示?？偟膩碚f，除VG 30外，其他瀝青的干間接拉伸強(qiáng)度值都隨著RAP含量的增加而增加。

對于特定的泡沫瀝青含量和RAP含量，黏度等級越高的混合料間接拉伸強(qiáng)度越高，這是由于瀝青提供了更高的剛度。對于特定等級的瀝青和RAP含量，隨著泡沫瀝青含量的增加，間接拉伸強(qiáng)度值先增加到一定值后再下降。當(dāng)泡沫瀝青含量較低時，瀝青不足以在壓實過程中提供適當(dāng)?shù)臐櫥?；?dāng)泡沫瀝青含量越高，瀝青厚度越大，間接拉伸強(qiáng)度值越低。

3.3?強(qiáng)度比

對于VG 10、VG 20、VG 30和VG 40等級的瀝青，抗拉強(qiáng)度比隨RAP百分比和泡沫瀝青含量的變化情況如圖4所示。由圖4可知，大多數(shù)混合料（除0 RAP含量，1.8%含水率外）抗拉強(qiáng)度比值均高于70%，而抗拉強(qiáng)度比較高的原因之一是硅酸鹽水泥的固化。對于特定等級的瀝青和泡沫瀝青含量，大多數(shù)混合料（除了1.8%、2.0%泡沫瀝青和VG 10、VG 40）在50% RAP含量時表現(xiàn)出了最大抗拉強(qiáng)度比，用VG 10級和VG 40級瀝青、1.8%和2.0%泡沫瀝青配制的4種混合料在RAP含量為80%時的抗拉強(qiáng)度比最大。對于特定的瀝青等級和RAP含量，隨著泡沫瀝青含量的增加，抗拉強(qiáng)度比也隨之增加。這是因為發(fā)泡瀝青改善了骨料表面的涂層或骨料界面的均勻點焊，反過來又增加了混合料的防潮性和隨后的抗拉強(qiáng)度比。

3.4?彈性模量

如圖5和圖6所示分別為25 ℃和35 ℃下泡沫瀝青混合料（不同RAP含量和泡沫瀝青含量）的彈性模量。在其他參數(shù)不變的情況下，所有混合物在25 ℃時的彈性模量均高于35 ℃時的彈性模量。對于給定的瀝青等級、泡沫瀝青含量和測試溫度，所有混合物在50% RAP含量時（VG 10和3%瀝青含量的混合物除外）都觀察到最大彈性模量，這是由于與含有0和80% RAP的混合物相比，50% RAP混合物中老化瀝青的骨料聯(lián)鎖性更好。對于特定等級的瀝青，隨著泡沫瀝青含量的增加，所有0 RAP含量的混合物都表現(xiàn)出彈性模量的增加，50%和80% RAP混合料的彈性模量隨泡沫瀝青含量的增加先增加后降低。RAP含量為50%和80%時制備的混合料，在25 ℃和35 ℃時，泡沫瀝青含量分別為3%和2.5%時，彈性模量最大。

4?結(jié)語

本文對不同RAP含量的泡沫瀝青混合料力學(xué)性能進(jìn)行了評估，研究了原始瀝青的發(fā)泡特性，以優(yōu)化其最佳含水量和發(fā)泡溫度；進(jìn)行混合料設(shè)計，以優(yōu)化泡沫瀝青的含量；制備了含不同RAP含量的泡沫瀝青混合料，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了評價。結(jié)論如下：

（1）在混合料設(shè)計中，RAP含量越高，泡沫瀝青混合料的最佳含水率越高，干密度越低。

（2）泡沫瀝青混合料的最佳含水率取決于RAP的含量。對于泡沫瀝青和RAP，瀝青黏度等級越高，間接抗拉強(qiáng)度越高。此外，RAP含量的增加會導(dǎo)致間接抗拉強(qiáng)度的相應(yīng)增加。

（3）與其他混合料相比，含有50%RAP的泡沫瀝青混合料具有更高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度比值。一般來說，泡沫瀝青混合料的力學(xué)性能主要取決于瀝青的物理性能、RAP含量和瀝青含量。

［1］王?冠.瀝青路面回收材料再生技術(shù)淺析［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2020，16（4）：98-100.

［2］楊永平.城市道路改造中舊瀝青路面就地冷再生施工的運(yùn)用［J］.山西建筑，2018，44（35）：124-125.

［3］王銳軍，李?強(qiáng)，商健林，等.拌和用水量和養(yǎng)生時間對泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)性能的影響［J］.林業(yè)工程學(xué)報，2022，7（2）：180-185.

［4］王文炆.RAP變異性對泡沫瀝青混合料路用性能的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2021.

［5］李?強(qiáng)，許?傲，陳?浩，等.級配和水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料路用性能的影響［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2021，18（2）：402-407.