不同RAP含量的泡沫沥青混合料力学性能评估分析

作者简介：曾文彤（1984—），工程师，主要从事路桥项目施工管理工作。

文章对采用不同RAP含量的泡沫沥青混合料的力学性能进行了研究分析。对原生沥青的发泡特性进行了评估，以优化其最佳含水量和发泡温度；进行混合料设计，优化了不同RAP含量的混合料中的泡沫沥青含量，并对泡沫沥青混合料的力学性能进行了评价。结果表明，沥青的性质、用量和RAP含量对泡沫沥青和泡沫沥青混合料的性能有显著影响。在不同的混合料中，含50% RAP的泡沫沥青混合料在弹性模量和抗湿损伤试验中表现最佳；含80%RAP的泡沫沥青混合料也显示出可接受的强度和抗水敏感性。

泡沫沥青混合料；再生沥青路面；混合料设计；力学性能

U416.217A030084

0 引言

目前，在铺装设计和施工中，将再生沥青路面（RAP）材料应用到沥青混合料中是各国普遍采用的一种施工方法。在回收工艺中，就地冷再生由于其环保的工艺和能最大限度地利用RAP材料而具有广阔的前景。就地冷再生是将现有的破损路面碾磨到预定深度，然后将这种材料与泡沫沥青或乳胶混合。就地冷再生又分为沥青层就地冷再生和全深式就地冷再生［1］。由于RAP是在常温下使用的，含有泡沫沥青的就地冷再生限制了RAP的进一步降解，因此降低了建设成本和对用户的交通干扰。具体施工时，不需要对沥青进行加热处理，不会造成明显的环境污染，施工也不会受到特殊气候的干扰，保障了工程施工的普遍性［2］。尽管泡沫沥青工艺的就地冷再生有很大的好处，但在使用时仍需要解决某些问题，如RAP本身的异质性导致泡沫沥青混合料性能的差异显著等。

泡沫沥青混合料的力学性能受到诸如拌和用水量、RAP含量、级配和水泥掺量等因素的影响［3-5］。其中，沥青的物理性能和RAP的用量对泡沫沥青混合料的力学性能有显著的影响。因此，本文研究泡沫沥青混合料力学性能的试验分为4个阶段进行：（1）组成材料（RAP、原始集料和沥青）的表征；（2）不同等级沥青的发泡性能评价；（3）泡沫沥青混合料的配合比设计；（4）采用不同比例RAP对泡沫沥青混合料力学性能的评价。

1 组成材料的表征

1.1 RAP材料与原始集料

试验中，RAP材料的沥青含量为3.6%（按总混合物的重量计算），25 ℃的针入度和软化点分别为3.7 mm和61.2 ℃。在60 ℃和135 ℃的温度下，沥青的表观黏度分别为2 800 Pa·s和875 Pa·s。对回收集料和原始集料进行了物理性能测试，结果见表1。

为了测定综合片状指数和伸长率指数，分离出具有代表性的片状石材样品，将片状骨料的重量除以骨料样品的总重量，计算出片状指数。伸长指数是伸长骨料颗粒的重量与非片状骨料颗粒的总重量的比值。片状指数和伸长指数（均以百分数表示）相加得到片状指数和伸长率的综合指数。

集料试样通过12.5 mm筛，保留在10 mm筛上进行集料冲击试验。抗冲击性是通过样品经受15次打击或标准重量的冲击来确定的，总冲击值以形成的细粒占样品总重量的百分比表示。粗骨料比重试验通过确定体积骨料的重量与等体积水的重量之比来计算粗骨料样品的比重。将沥青包覆骨料静态浸入水中，测定骨料的剥落值。

1.2 原生沥青

本研究使用了3种原始沥青结合料（VG10、VG30和VG40，VG20由所需数量的VG10和VG30混合而成）。沥青的物理性质如表2所示。

1.3 泡沫沥青

随着含水率和沥青温度的升高，泡沫沥青的膨胀比增大，半衰期减小。为了确定最佳发泡水含量和发泡温度，研究了泡沫沥青在一定温度和含水量范围内的特性。将沥青的温度控制在120 ℃～180 ℃变化（以10 ℃为增量），选择的发泡水含量分别为2%、4%、6%、8%、10%和11%，使用的气压和水压分别为550 kPa和600 kPa。在每个发泡过程中，500 kg沥青以50 g/s的速度进入发泡室，确定最佳的水分和温度，以满足ER≥8次和HL≥6秒的最低标准。如表3所示，总结了所有等级沥青的最佳含水率和发泡温度以及相应的发泡参数。

2 混合料的配合比设计

2.1 混合料级配

将从RAP中获得的骨料在烘箱中干燥24 h，洗净骨料后进行筛分以确定骨料级配，如图1所示。将RAP集料与原集料进行配合比设计，以满足级配的要求。含有80% RAP材料和1%活性填料（43级水泥）的骨料混合料满足回收泡沫沥青混合料的级配要求，含0、50%和80% RAP的再生泡沫沥青混合料粒径分布及级配限值如图1所示。

2.2 最佳含水量的测定

通过烘箱干燥，确定RAP的含水率为0.12%。根据水分和密度的关系，确定了未处理混合料的最佳含水量。通过加入不同数量的水，制备了不同含水量的松散混合料，这些混合料混合良好，使用Proctor压实法进行压实。

2.3 混合料制备及其性能测试

确定最佳含水量后，对骨料混合料中的泡沫沥青进行了优化。优化过程中，称量满足级配规格的10 kg骨料混合料，并加入泡沫沥青，泡沫沥青含量的百分比分别为1.8%、2.0%、2.2%、2.5%、3%。使用搅拌机混合，将混合料进一步分割，以获得混合料的重量，刚好填满模具，使用压实机将松散的混合料压实，压实后的混合料在24 h后脱模，随后在40 ℃烤箱中固化72 h。

为了评估泡沫沥青混合料的性能，在实验室进行基于性能的测试。采用间接拉伸强度法对泡沫沥青混合料的拉伸性能进行了评价。采用压实圆柱试样进行间接拉伸强度测试，利用破坏载荷和试件尺寸，间接拉伸强度计算公式如式（1）所示。

为了评估泡沫沥青混合料的水分损伤敏感性，确定拉伸强度比（TSR），将6个样品压实，其中3个样品用于在无约束条件下测定间接拉伸强度，其余3个样品经过适当的约束处理后进行间接拉伸强度测试。经过适当的固化后，在25 ℃下对其进行间接拉伸强度测试。为了进行调节，将样品置于60 ℃的水中，水浴24 h，然后在25 ℃的环境室中静置2 h，之后使用这3个样品测定间接拉伸强度。试件的抗拉强度比计算公式如式（2）所示：

式中：σt，约束[WB]——[ZK（]约束条件下试样的平均间接拉伸强度；

σt，无约束[DW]——[ZK（]无约束条件下试样的平均间接拉伸强度。

为了检查泡沫沥青混合料在动态条件下的响应，将试样在环境箱中放置5 h，然后在泊松比为0.35、重复加载脉冲宽度为0.1 s、脉冲重复周期为1 s的条件下，测量弹性模量值。

3 结果与讨论

3.1 压实特性

如前所述，泡沫沥青混合料的压实特性用改进的Proctor试验确定，其压实混合料干密度随含水率的变化情况如图2所示。由图2可以看出，随着含水率的增加，压实试样的干密度先增加到一定程度后再降低。研究中评估的所有混合物都是如此，但3种混合料的最大干密度和相应的含水率不同。RAP含量的增加导致所有混合料的干密度降低，最佳含水量相应增加。将最大干密度对应的含水率指定为预润湿水，用于后续试样制作和测试。0 RAP含量和50%RAP、80% RAP含量混合料的最佳含水量分别为4.8%、5.0%和6.2%。在加入预润湿水时，扣除RAP中存在的水分含量。

由图2可知，0 RAP含量混合物中＜4.75 mm筛分的颗粒较多，50%RAP含量混合物中＞4.75 mm筛分的颗粒较多，80%RAP含量混合物中较大颗粒产生的空隙被水填充。因此，RAP含量较高的混合物密度较低，需要较高的含水量才能达到最大密度。

3.2 间接拉伸强度

对于VG 10、VG 20、VG 30和VG 40等级的沥青，间接拉伸强度随RAP含量和沥青含量的变化情况分别如图3所示。总的来说，除VG 30外，其他沥青的干间接拉伸强度值都随着RAP含量的增加而增加。

对于特定的泡沫沥青含量和RAP含量，黏度等级越高的混合料间接拉伸强度越高，这是由于沥青提供了更高的刚度。对于特定等级的沥青和RAP含量，随着泡沫沥青含量的增加，间接拉伸强度值先增加到一定值后再下降。当泡沫沥青含量较低时，沥青不足以在压实过程中提供适当的润滑；当泡沫沥青含量越高，沥青厚度越大，间接拉伸强度值越低。

3.3 强度比

对于VG 10、VG 20、VG 30和VG 40等级的沥青，抗拉强度比随RAP百分比和泡沫沥青含量的变化情况如图4所示。由图4可知，大多数混合料（除0 RAP含量，1.8%含水率外）抗拉强度比值均高于70%，而抗拉强度比较高的原因之一是硅酸盐水泥的固化。对于特定等级的沥青和泡沫沥青含量，大多数混合料（除了1.8%、2.0%泡沫沥青和VG 10、VG 40）在50% RAP含量时表现出了最大抗拉强度比，用VG 10级和VG 40级沥青、1.8%和2.0%泡沫沥青配制的4种混合料在RAP含量为80%时的抗拉强度比最大。对于特定的沥青等级和RAP含量，随着泡沫沥青含量的增加，抗拉强度比也随之增加。这是因为发泡沥青改善了骨料表面的涂层或骨料界面的均匀点焊，反过来又增加了混合料的防潮性和随后的抗拉强度比。

3.4 弹性模量

如图5和图6所示分别为25 ℃和35 ℃下泡沫沥青混合料（不同RAP含量和泡沫沥青含量）的弹性模量。在其他参数不变的情况下，所有混合物在25 ℃时的弹性模量均高于35 ℃时的弹性模量。对于给定的沥青等级、泡沫沥青含量和测试温度，所有混合物在50% RAP含量时（VG 10和3%沥青含量的混合物除外）都观察到最大弹性模量，这是由于与含有0和80% RAP的混合物相比，50% RAP混合物中老化沥青的骨料联锁性更好。对于特定等级的沥青，随着泡沫沥青含量的增加，所有0 RAP含量的混合物都表现出弹性模量的增加，50%和80% RAP混合料的弹性模量随泡沫沥青含量的增加先增加后降低。RAP含量为50%和80%时制备的混合料，在25 ℃和35 ℃时，泡沫沥青含量分别为3%和2.5%时，弹性模量最大。

4 结语

本文对不同RAP含量的泡沫沥青混合料力学性能进行了评估，研究了原始沥青的发泡特性，以优化其最佳含水量和发泡温度；进行混合料设计，以优化泡沫沥青的含量；制备了含不同RAP含量的泡沫沥青混合料，并对其力学性能进行了评价。结论如下：

（1）在混合料设计中，RAP含量越高，泡沫沥青混合料的最佳含水率越高，干密度越低。

（2）泡沫沥青混合料的最佳含水率取决于RAP的含量。对于泡沫沥青和RAP，沥青黏度等级越高，间接抗拉强度越高。此外，RAP含量的增加会导致间接抗拉强度的相应增加。

（3）与其他混合料相比，含有50%RAP的泡沫沥青混合料具有更高的弹性模量和抗拉强度比值。一般来说，泡沫沥青混合料的力学性能主要取决于沥青的物理性能、RAP含量和沥青含量。

［1］王 冠.沥青路面回收材料再生技术浅析［J］.公路交通科技（应用技术版），2020，16（4）：98-100.

［2］杨永平.城市道路改造中旧沥青路面就地冷再生施工的运用［J］.山西建筑，2018，44（35）：124-125.

［3］王锐军，李 强，商健林，等.拌和用水量和养生时间对泡沫沥青冷再生混合料力学性能的影响［J］.林业工程学报，2022，7（2）：180-185.

［4］王文炆.RAP变异性对泡沫沥青混合料路用性能的影响研究［D］.重庆：重庆交通大学，2021.

［5］李 强，许 傲，陈 浩，等.级配和水泥掺量对泡沫沥青冷再生混合料路用性能的影响［J］.铁道科学与工程学报，2021，18（2）：402-407.