泡沫沥青混合料的特性

第23卷 第3期

文章编号:1671-2579(2003)03-0093-04

中 外 公 路

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泡沫沥青混合料的特性

拾方治,吕伟民 编译

(同济大学,上海市 200092)

摘 要:根据国外有关试验研究,介绍了泡沫沥青混合料的组成、试件的不同成型方法及有关泡沫沥青混合料性质的试验,并通过对各种试验结果的分析,得出泡沫沥青混合料的一些特性。

关键词:泡沫沥青混合料;冷再生;特性研究

就地冷再生工艺是使用专业道路再生机械将旧路面材料破碎,注入稳定剂(如石灰、水泥、乳化沥青和泡

沫沥青等)以改善再生材料的结构特性。就地冷再生常用泡沫沥青作为稳定材料。泡沫沥青(或膨胀沥青)是空气、水和热沥青的混合物。

本文通过介绍澳大利亚Griffith大学工学院最近有关泡沫沥青混合料的研究成果,初步总结出泡沫沥青混合料的特性,并希望有助于国内在泡沫沥青方面的研究与应用。

效果是使膨胀率和稳定性都达到最优。沥青用量范围的上、下限分别由混合料稳定性损失和水敏感性加以限制。粘结料的最佳含量一般与材料的级配尤其是石屑在混合料中的含量有关,通常为3%~4%左右。此外,为了达到一定发泡性能所需用水量与所用沥青类

型有关。

1 泡沫沥青混合料的组成

1.1 集料

国外研究表明,用于泡沫沥青稳定的集料范围从优质的碎石到低等级骨料。破碎的混凝土、建筑碎石、炉渣和纯净集料都能与泡沫沥青较好地粘合,而其中一个关键因素就是要有如图1所示的级配曲线。通过试验发现符合图中区域A的材料,其泡沫沥青稳定适用于重交通道路;符合区域B的材料适用于轻交通道路,而且它可以通过加入粗集料调整到区域A;区域C的材料因缺少石屑而不适合作泡沫沥青稳定。1.2 泡沫沥青

膨胀率(发泡倍数)和稳定性(持续时间)是泡沫沥青的两个主要性能指标。膨胀率是指在发泡状态下沥青体积与未发泡状态下体积之比;稳定性是指泡沫沥青达到最大体积后缩小到最大体积之半的持续时间。软质沥青通常具有较好的发泡特性。然而沥青的选择很大程度上受环境温度的影响,通常认为最好的发泡

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图1 泡沫沥青混合料集料分级说明

1.3 添加剂

如果再生材料中石屑不足,那么加入水泥或石灰添加剂则有助于加快沥青的分散作用。值得注意的是通过加入一定的表面活性添加剂,只需60s左右的持续时间就能达到15以上的发泡倍数。

2 泡沫沥青稳定料击实

确定泡沫沥青稳定材料的最佳压实度比普通沥青混合料复杂得多,因为这里使用了两种润滑剂(水和沥

94 中 外 公 路 23卷 青)。虽然沥青喷射出热量,但当它与集料接触时温度已降低了许多,因此击实过程中沥青粘性相对较高。在这里水主要有以下几个作用: 促进集料密聚体的分解; 在拌和过程中有利于沥青的扩散;!在集料基体间充当润滑剂。

然而击实之后水只起到降低混合料强度的作用。有关确保最佳拌和与压实效果的最佳用水量各文献有着不同的建议。如:

1)参考文献[2]中提出用于拌和的最佳用水量(OMC)位于集料的 疏松点#(对于修正的冲击压实度OMC为70%~80%)。 疏松点#是在此含水量下给定重量的土,简单处理下就会产生最大的疏松体积。

2)参考文献[3]提出对于修正冲击压实度,混合料的OMC在集料OMC的65%~85%范围内。

3)参考文献[4]中用统计的方法,从不同级配混合料中找出了最佳拌和用水量的关系式:

MMC=8.92+1.48(OMC)+0.40(PF)-0.39(BC)式中:MMC 最佳拌和用水量;

OMC 对于修正击实度集料的最佳含水量;

PF 石屑在集料中的百分比;

BC 沥青含量。

近年来,国外实验室制备试件普遍采用旋转压实仪,认为这种方法更真实地模拟了现场的压实情况。不过这种压实仪能够产生比修正冲击压实仪更高的能量,因此由其得到的OMC要比修正冲击压实仪的低。

图2 泡沫沥青喷射系统示意图

入,搅拌机就将材料拌和。早先使用的泡沫沥青喷射装置是沥青与发泡介质在发泡器内混合,发泡后由配管分配到各个喷嘴处喷出,该方式喷嘴易堵且喷洒量不易调节。现用发泡器与喷嘴一体式结构,即沥青与发泡介质在各喷嘴端头处混合,发泡后喷出(图2)。

3.4 成型试件

采用三种方法:马歇尔击实50次、马歇尔击实75次和旋转压实。而马歇尔击实75次在实际中最为常用。因集料的最大粒径大于20mm,故使用直径为150mm的模具成型试件。旋转压实试件使用IPC伺服控制设备在540kPa压力下进行旋转压实,所有的试件都采用标准为3&的旋转角,旋转压实次数为85。3.5 间接回弹模量试验

试验采用Griffith的闭环计算机控制重复加载设备UTM5,它和Nottingham沥青试验仪相似。在实验中设备放置在温度控制箱里,实验操作时采用: 5脉冲的预处理; 5个加载脉冲;!半正矢1/2(1-cos )波形; 加载时间为0.1s,上升时间为40s;(50个微应变的可恢复变形;)脉冲重复期为3s。每个试件分别在压实、烘箱处理和浸水之后检测3次,以确定预养护弹性刚度和稳定性,从中得出最大刚度及材料的水敏感度。国外有文献建议烘干处理应在60%的通风烘箱里烘3d,使沥青老化并降低试件中的水分,随后试件冷却4h,这样就可在预期的温度下进行试验。

3 试验研究

3.1 集料

回收的道路集料首先应在搅拌机里进行搅拌令其混合均匀,经烘箱干燥后,再用振动筛分机进行粒径分析(图1)。从图中可以看出虽然材料中石屑略少,但对用于泡沫沥青稳定来说,它仍在理想的级配范围内。在可修正压实功下确定材料的最佳含水量(OMC)为7.2%,最大干密度为2130kg/m。泡沫沥青稳定材料的用水量设定为5%(最佳含水量的70%)。3.2 试样制备

首先将2%的石灰作为添加剂加入用于泡沫沥青稳定的再生集料中,并在空气中干燥7d,随后在60%烘箱中干燥48h,使其含水量接近为零。3.3 泡沫沥青喷射

试验机械使用维特根公司生产的WLB10型道路

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4 试验结果

4.1 密度变化

干密度随沥青含量的变化如图3。可见旋转压实仪由于其较高的能量得到的干密度要高于马歇尔击实仪的密度。此外,马歇尔击实仪成型的试件对沥青含量变化敏感,用75次击实取代50次击实而多余的击

3期 泡沫沥青混合料的特性 95 沥青含量较高的试件影响较明显。与压实土壤类似,空隙率是压实功的函数。对于马歇尔击实50次试件,发现当沥青含量大约为2.7%时,最小空隙率为11%。对于同样沥青含量,马歇尔击实75次和旋转压实试件其最小空隙率分别为10.2%和9.8%

。

然旋转压实产生较高的能量值,但马歇尔击实试件要比旋转压实试件有较高的模量值。导致这种现象的一个原因可能是重型旋转压实会使试件具有不同的颗粒结构及石屑和沥青从上部向底部流动的特征,尤其在沥青含量值较低的情况下。

图3 沥青含量与干密度的关系

4.2 预养护后的回弹模量

预养护后的回弹模量随沥青含量的变化关系如图4。

对于马歇尔击实仪成型的试件在最高刚度处存在

图5 烘干处理后回弹模量随沥青含量的变化关系

4.4 浸水后试件的回弹模量

浸水试件回弹模量随沥青含量变化如图6。沥青

图4 预养护后回弹模量随沥青含量的变化关系

一个约为2.2%的最佳沥青含量值。然而,旋转压实成型的试件似乎对沥青含量变化不太敏感。而且有趣的是重型压实仪(马歇尔击实50次和旋转压实)其预养护后的模量值低于马歇尔击实50次。这也说明裹覆在空隙里的水分可以对早期强度产生影响(例如空隙水压的作用)。另外,对于旋转压实成型的试件,石屑和沥青的流动也有可能导致相对较低的模量值。4.3 烘干试件的回弹模量

对于三种不同击实功,烘干试件回弹模量随沥青含量的变化关系如图5。经过在60%烘箱里烘干3d后,试件的刚度达到处理前的5~28倍。沥青含量和

,图6 浸水试件回弹模量随沥青含量的变化关系

含量较高的旋转压实试件回弹模量值较高。马歇尔击实试件结果表明,粘结料设计含量可选择在对应浸水后试件模量最大值的地方;从旋转压实试件的试验结果看,合适的粘结料含量将由路面结构的要求控制。4.5 养护方法

研究时对三种不同养护方法进行了比较:28d室温(25%)空气养护,3d40%烘箱养护和3d60%烘箱养护。图7表明了在浸水和未浸水两种条件下,不同养护方法对沥青含量为2.5%的马歇尔击实50次试件回弹模量的影响。与其他两种方法相比,经室温

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图9 回弹模量随温度的变化关系

只是它在泡沫沥青拌和物中加入了石灰基填充料。

图7 回弹模量随养护方法和养护时间的变化关系

在60%烘箱养护的试件具有最高的回弹模量。这很可能与试件发生老化时其沥青性能发生变化有关。在某些情况下,60%的养护温度能反映出温度状态和长期的含水量。注意到3d40%烘箱养护和7d室温养护的试件其模量值差不多。3d40%的烘箱养护很有可能更适合某种特定的情况。

4.6 应变水平的影响

对于经60%烘箱养护后的马歇尔击实50次试件,其回弹模量随外应变水平变化关系如图8。可见回弹模量值依赖于应变水平,相对于50 的应变水平在澳大利亚比较常见,它在刚性材料中不太容易实现。因此,处在这种可能性时如果应变水平减小那么回弹

模量就会被高估。

5 结论

实验结果表明泡沫沥青混合料明显不同于热拌沥青混合料,具有独特的性质。泡沫沥青混合料最佳沥青含量不易从密实度-沥青含量曲线中估计得到。

泡沫沥青混合料力学特性对湿度有很强的依赖性,混合料的水敏感性应作为确定最小沥青含量指导。与旋转压实相比,马歇尔击实(不浸水)能产生较高的回弹模量值。旋转压实成型的试件对水不太敏感。

60%的加速养护与室温养护的试件相比具有较高的回弹模量值。因此建议在野外选择的养护方法应当与实际温度条件相适应。再者,弹性试验结果也表明回弹模量受外应变水平影响明显,高的应变产生较低的模量值。由于沥青含量与石灰填充料用量一样都比较低,所以温度变化对泡沫沥青的影响程度要比对典型热拌沥青稳定土混合料低。参考文献:

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图8 回弹模量随外应变水平的变化关系

4.7 温度的影响

回弹模量随试验温度的变化关系如图9。马歇尔击实50次成型试件的沥青含量为2.5%,可见回弹模量值较高的试件对试验温度变化也较敏感。然而当与典型热拌沥青混凝土回弹模量值的值域相比,显然泡沫沥青试件对温度不敏感。这与文献[2]中结论类似

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