【技术】浅谈泡沫沥青就地冷再生混合料配合比的设计
摘要：本文结合某工程实例，通过对泡沫沥青冷再生材料、沥青发泡性能、集料的级配、水泥剂量、最佳含水量、最佳沥青用量、配合比的设计方法、混合料的物理指标和力学性能试验等相关数据检测，最终确定了泡沫沥青就地冷再生材料最佳的配合比，为泡沫沥青冷再生技术的推广与应用提供了参考。
关键词：泡沫沥青；就地冷再生；配合比设计
泡沫沥青就地冷再生混合料是由泡沫沥青、冷水、冷集料、活性填料等材料在常温条件下拌合而成的以沥青胶浆为黏结剂的复合材料。如何针对其复杂的材料组成进行合理的配合比设计，保证再生料满足道路基层材料要求的强度、稳定性和耐久性，是泡沫沥青混合料组成设计的关键。
1.泡沫沥青再生混合料配合程序
泡沫沥青冷再生混合料配合比设计流程如下：（1）确定沥青的最佳发泡条件；（2）采用铣刨机从原路面获取旧沥青铣刨料（简称RAP料）；（3）自然风干RAP料；（4）确定RAP料和需添加新料的级配；5）初步确定5种合成级配；（6）确定级配的最佳含水量及最大干密度；（7）每种级配材料按不同的泡沫沥青用量成型马歇尔试件；（8）未脱模自然养生24h；（9）40℃通风烘箱养生72h、25℃室温6h、25℃浸水24h、15℃室温6h、15℃浸水24h；（10）初选材料组成及泡沫沥青用量；（11）混合料性能检测；（12）确定材料级配组成及泡沫沥青用量。
2.沥青发泡性能分析
试验采用中石化镇海炼化分公司生产的镇海70#沥青，采用膨胀比和半衰期作为沥青发泡效果的评定指标。在室温25℃左右对镇海70#沥青进行发泡试验，选择在145℃～170℃温度区间中5种沥青发泡温度，每种温度下发泡用水量分别取2%、3%、3.5%和4%，测量其膨胀率与半衰期。每种发泡状态均反复试验3次～4次，求其平均值，所得结果见表1所示。
表1 各温度下泡沫沥青的膨胀比和半衰期
由表1可知，在145℃-170℃温度区间中，膨胀比随着发泡用水量的增加而增大。在145℃-165℃范围内，膨胀比均满足规范要求。在170℃时，发泡用水量低于3%时，膨胀比≦10，不符合规范要求；发泡用水量高于3%时，膨胀比≧10，符合规范要求。这意味着该种沥青的膨胀比在高于165度的情况下逐渐向不利的方向发展，施工时的沥青发泡温度不应超过165度；在145℃~170℃温度区间中，半衰期随着发泡用水量的增加而差异较大。在145℃、160℃、165℃时，半衰期基本在7s上下轻微波动，接近范围要求。在155℃时，半衰期随发泡用水量的增加而波动明显，发泡用水量从2.3%~3.2%，半衰期满足规范要求。在170℃时，半衰期随发泡用水量的增加而有些波动，半衰期接近规范要求。
综合考虑膨胀率和半衰期两个因素的变化规律，可得出镇海70#沥青的最佳发泡温度、发泡用水量和最佳发泡效果分别是155℃-160℃、3%和膨胀比16、半衰期9s。
3.集料
3.1 RAP料
沥青面层旧料经铣刨处理后，4.75mm以下的细料部分由于表面附着旧沥青从而形成团块，降低了2.36mm各档筛孔的通过率，显得粗一些，铣刨料中细料含量极为缺乏，尤其是0.3mm以下的料。而对13.2mm以上的粗料部分则由于铣刨刀具的破碎效应使得部分粗集料被破碎，显得细一些。RAP料的级配具有明显的特点，细料部分偏粗而粗料部分偏细，呈现S型，见表2所示。
表2 原路面铣刨料筛分结果
3.2细集料
集料中细料含量是决定材料是否适合泡沫沥青稳定的一个重要因素。原因在于泡沫沥青主要裹覆2.36mm以下的细集料，并形成粘度高的沥青胶浆，通过这些胶浆将粗集料结合起来。0.075mm以下填料含量对泡沫沥青混合料特性有显著影响，一般控制在3％～15％范围。为使铣刨的RAP料适宜用泡沫沥青进行再生处理，需在其中添加部分新料以调整合成级配，使合成级配的细料级配满足泡沫沥青稳定材料的级配下限要求。
3.3水泥
泡沫沥青混合料中水泥主要目的是改善混合料的水稳性。水泥水化反应后，不断延伸填充到颗粒间的孔隙中，形成空间网状结构，加强对矿料的包裹，从而增强了混合料强度。为保证施工中水泥拌合的均匀性，本次水泥掺量取2.0%。
合成集料由铣刨料与新料组成，通过筛分得出集料的级配见表3所示。
表3 合成集料通过率
4.最佳拌合用水量的确定
水是泡沫沥青混合料的重要组成部分之一，其含量大小是泡沫沥青混合料设计的关键参数，这主要是因为水充当了泡沫沥青在混合料中分散的介质，混合料中没有水，则泡沫沥青无法在混合料中分散开来并与矿料发生相互作用。试验采用重型击实试验确定再生材料的最佳含水量和最大干密度。泡沫沥青混合料混合料击实试验结果见表4所示。
表4击实试验结果
根据击实试验结果，得出最大干密度是2.201，最佳含水量为6.0%，由规范可知，泡沫沥青冷再生混合料的最佳拌合用水量为集料（含水泥，不含泡沫沥青）最佳含水量的80%，因此泡沫沥青混合料的拌合用水量为4.8%。
将配好的集料倒入搅拌锅，并在搅拌状态下加入适量的水。在拌合状态下，喷入一定质量的泡沫沥青后，以搅拌机中档速度搅拌60s即可倒出。拌好的混合料制成标准的马歇尔试件，试件击实后在室温下养生24h后脱模，再置于40℃的通风烘箱中养生72h，试件养生结束即可进行相关的性能测试。
5.劈裂强度试验
试验方法：将养生好的试件在常温下放置不少于6小时，并且适当去除试件表面的松散颗粒后，再量测每个试件的高度及直径。为更好地分析混合料的力学性能，测定试件在不同试验温度下的劈裂强度，在测试干试件劈裂强度之前，将试件分为2组，分别置于恒温25±2℃空气浴中至少6小时，恒温15±2℃空气浴中至少6小时。在测试湿试件的劈裂强度之前，将试件分为2组，分别置于恒温25±2℃水浴中浸水24小时，恒温15±2℃水浴中浸水24小时。
按照合成级配的筛孔通过率配制4组再生集料，每组20kg，拌合用水量为6.0%，分别与四种不同泡沫沥青用量的镇海70#沥青进行拌合制备泡沫沥青混合料，每组混合料成型16个马歇尔试件。试件养生后，分别进行25℃干燥劈裂试验，25℃浸水劈裂试验，15℃干燥劈裂试验，15℃浸水劈裂试验。不同测试温度、不同沥青用量条件下拌制的混合料试件ITS测试结果见表5所示。
表5 ITS试验结果
1）试验温度15℃条件下的试验结果分析
（1）干ITS曲线呈抛物线状，沥青用量从2.0%至2.7%，干ITS缓慢减小，沥青用量从2.7%至3.5%，干ITS缓慢增大，沥青用量为2.7%时，干ITS达到最小值526KPa。
（2）湿ITS随着沥青用量增加而波动性较大，沥青用量从2.0%至2.5%，湿ITS明显增加，沥青用量从2.5%至3.0%，湿ITS显著减小，沥青用量从3.0%至3.5%，湿ITS基本均衡，沥青用量为2.5%时，湿ITS达到最大值412KPa。
（3）干湿劈裂强度比ITSR曲线呈抛物线状，沥青用量从2.0%至2.5%，ITSR显著增加，沥青用量从2.5%至3.5%，ITSR缓慢下降，沥青用量为2.5%时，ITSR达到最大值75%。
2）在试验温度25℃条件下的试验结果分析
（1）干ITS曲线呈抛物线状，沥青用量从2.0%至2.9%，干ITS缓慢减小，沥青用量从2.9%至3.5%，干ITS缓慢增大，沥青用量为2.9%时，干ITS达到最小值312KPa。
（2）湿ITS随着沥青用量增加而缓慢减小，基本持平，沥青用量从2.0%至3.5%，湿ITS从284KPa降至254KPa。
（3）干湿劈裂强度比ITSR曲线呈抛物线状，沥青用量从2.0%至2.5%，ITSR显著增加，沥青用量从2.5%至3.5%，ITSR缓慢下降，沥青用量为2.5%时，ITSR达到最大值86%。
综合考虑泡沫沥青混合料的强度和水稳定性能以及规范的技术要求，以干劈裂强度，湿劈裂强度以及干湿劈裂强度比评定泡沫沥青混合料的强度和水稳定性能，通过15℃和25℃试验温度下的数据拟合得出，在15℃和25℃的劈裂强度数据离散性和差异性较大，劈裂强度数据拟合曲线不呈抛物线状，因此在分析最佳沥青用量时，综合参考15和25℃测试的劈裂强度结果数据，最佳沥青用量为2.5%。
6.结论
根据设计的泡沫沥青就地冷再生混合料配合比进行了试验段的铺设，在施工过程中对含水量、水泥剂量、沥青用量、碾压遍数、养生天数等重要指标严加监控；对拌合好后的混合料进行了取样，制作了试件；施工结束后7天出具试件检测结果并进行了现场取芯。通过一系列的试验数据，最终冷再生结构层各项技术指标均满足的要求。
参考文献
[1]JTG E20—2011.公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]
[2] JTGF41-2008.公路沥青路面再生技术规范[S]
[3] DB41/T964-2014.公路沥青路面泡沫沥青冷再生技术规范[S]