浅析泡沫沥青稳定材料力学特性

浅析泡沫沥青稳定材料力学特性

曹永清

扬州恒晨建设工程有限公司 江苏扬州 225000

摘 要: 本文对泡沫沥青处治材料的强度参数和最佳泡沫沥青含量进行了研究。通过掺加不同含量的泡沫沥青和水泥/石灰稳定旧料，分别制成直径为100mm和150 mm的试件进行间接拉伸试验(ITS)和无侧限抗压强度试验(UCS)，并对两种试验结果的相关关系进行分析；对比了由不同强度参数确定的泡沫沥青混合料的最佳沥青含量。结果表明，无侧限抗压强度不是泡沫沥青稳定材料分类的关键参数，采用直径为150mm试件的浸水后间接拉伸强度来考察材料的水敏感性也是不必要的。

关键词:泡沫沥青稳定材料；间接拉伸强度；无侧限抗压强度；最佳泡沫沥青含量

1 引言

近年来，以泡沫沥青作为粘结剂制备冷拌混合料或作为稳定剂进行路面再生处理成为备受广泛关注的一项新技术。目前，对于泡沫沥青稳定材料，主要根据马歇尔击实法制成直径为100 mm的标准试件进行混合料配合比设计和现场质量控制，以间接抗拉强度(以下简称ITS)评价其相对强度大小以及浸水后的ITS评价其水敏感性。

泡沫沥青稳定材料中期技术指南》，简称TG2。该指南中的混合料配合比设计体系更加完善，以150 mm直径的试件代替100 mm直径的试件，依据间接拉伸强度(ITS)和无侧限抗压强度(UCS)这两个强度指标对泡沫沥青稳定材料进行了分类，其中，UCS用于评价混合料的抗压强度，ITS用于评价混合料的柔韧性。但是，TG2提出的方法在实际应用中并未得到推广，也没有对Φ150 mm试件与常规的Φ100 mm试件之间的相关性进行探究。

本文对100 mm和150 mm两种不同直径的泡沫沥青混合料试件进行各项力学指标的测试分析，旨在研究采用不同直径成型的泡沫沥青混合料力学性能的相关联系，并对TG2中泡沫沥青混合料的分类体系进行评价。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本研究选用不同产地、不同类型的矿质材料，包括破碎集料、风化集料、路面回收材料等，加入不同用量的泡沫沥青(2%～4.5%)进行稳定，同时加入少量的

水泥(0～1.5%) 或石灰(0～2%)，共组成23种泡沫沥青混合料试样。

2.2 试件制备方法与测试指标

(1) 100 mm 直径的试件制备

对热拌沥青混合料的马歇尔试件制备方法进行部分修正，包括压实温度及试件养生方法，制备直径为100 mm的泡沫沥青混合料试件，通过对试件进行不同条件的处理可测试得到两个指标:¹干ITS(ITS_dry100)。试件在40℃条件下养生72h，使试件的含水量低于1%且其中的沥青不至于过度软化；④浸湿ITS (ITS_wet100 )。干试件浸于环境温度(约25℃)的水中24h后测试得到。

(2)150 mm直径的试件制备

按照TG2中所述方法，采用100%修正AASH-TO 击实成型150 mm直径的试件，其中，用于ITS测试的试件高度为127mm。150 mm试件的具体测试指标包括：¹平衡含水量下的ITS (ITS_eq150)。试件在室温中养生24 h，然后用塑料袋密封于40℃烘箱中养生48 h，这样养生的目的在于模拟现场的平衡含水量，其值一般介于2.5%～6%之间；④浸湿ITS (ITS_wet150)。在平衡含水量下进行养生的试件浸于室温(约25℃)的水中24 h；㈣UCS。采用与ITS_eq150相同的养生过程，测试平衡含水量下的无侧限抗压强度。

3 试验结果分析

3.1 不同直径试件力学指标的相关性

以不同用量的泡沫沥青和水泥/石灰稳定旧料，分别成型直径为100 mm和150 mm的试件，并测试上述各项指标。对不同直径的试件试验结果进行回归分

析，表明各项指标之间存在线性关系，如表 1所示。

由表 1的相关性分析可知：

(1)ITS_dry100与ITS_wet100之间的相关系数为0.45，表明ITS_dry100并不能准确反映泡沫沥青稳定材料的水敏感性，将ITS_dry100和ITS_wet100两个指标结合进行测试来评价材料的特性是很必要的。

(2)ITS_eq150与ITS_wet150之间的相关系数为0.92，说明进行了ITS_eq150测试分析后，ITSwet150这个指标就没有必要再分析了。

(3)ITS_dry100与ITS_eq150之间的相关系数为0.86，与ITS_wet150之间为0.83，表明ITS_dry100可在一定的置信水平下推导出ITS_eq150和ITS_wet150这两个指标。

(4) ITS_dry100与UCS存在着0.86的相关系数，说明ITS_dry100可在一定的置信水平下推导出UCS。

(5)ITS_wet100与ITS_wet150之间的相关系数为0.49，结合前述

ITS_wet100与ITS_dry100之间0.45的相关系数，表明ITS_wet100与其他指标的相关性较低，不能独立作为表征泡沫沥青稳定材料强度的参数。这可能是受到诸如压实方法、压实功、试件尺寸与集料最大尺寸关系等因素的影响，造成ITS_wet100可信度较低。

(6)总体分析可知,150 mm试件的各指标相关性较100 mm直径的试件要好，表明100 mm试件的测试可能存在较大的变异性，这很可能是由小尺寸试件中存在的大粒径颗粒造成的。

3.2 最佳泡沫沥青用量的确定

TG2中推荐以ITS_eq150最大值来确定泡沫沥青混合料设计中的最佳沥青含量及水泥/石灰用量，也可同时结合ITS_wet150和UCS两个指标，以减小设计中的人为误差，如压实含水量不同或泡沫沥青加入量的不准确造成的压实度差异等。本文分别根据ITS_dry100、ITS_wet150与UCS来确定不同泡沫沥青混合料试样的最佳沥青含量， 并与ITS_eq150确定的最佳沥青用量相比较，从而探讨由不同力学指标确定的最佳泡沫沥青用量之间的异同，结果如表 2所示。由前述分析可知，ITS_wet100与其他各项指标之间的相关性较差，因此，未将该指标列入研究范围之内。

从表 2可知：

(1)由ITS_dry100和ITS_eq150两个指标分别确定最佳泡沫沥青用量，对测试的所有混合料试样，最佳沥青用量偏差在0.5%以内的达到100%，偏差在0.25%以内的达到80%，无偏差的达到67%。

(2)由UCS和ITS_eq150两个指标分别确定最佳泡沫沥青用量，对测试的所有混合料试样，偏差在0.5%以内的达到100%，偏差在0.25%以内的达到 60%，无偏差的达到40%。

(3)由ITS_wet150和ITS_eq150两个指标分别确定最佳泡沫沥青用量，对测试的所有混合料试样，偏差在0.5%以内的达到100%，偏差在0.25%以内的达到87%，无偏差的达到53%。

3.3 泡沫沥青稳定材料的分类

TG2中根据直径150 mm的试件在平衡含水量下测得的间接拉伸强度和无侧限抗压强度，即ITS_eq150和UCS对泡沫沥青稳定材料进行分类，如图 1与表 3所示。本研究考虑表 4所示的3种分类参数，探究由实测ITS_eq150和UCS导出的泡沫沥青材料分类与根据各力学指标间线性关系推导的ITS_eq150和UCS进行的材料分类之间的相符程度，从而评价各力学指标间线性关系的可信度。相对于实测ITS_eq150和UCS为依据的泡沫稳定材料分类，3种情况下确定的材料分类相符程度如表 5所示。

由图 1和表 5可知：

(1)根据条件2的分类结果可见，仅实测ITS_eq150一个指标，即可以97%的可靠度实现对泡沫沥青稳定材料的准确分类。

(2)虽然ITS_dry100可以91%的可靠度对FB1类泡沫沥青稳定材料进行准确分类，但就泡沫沥青稳定材料的各分类总体而言，仅以ITS_dry100一个指标只能达到71%的可靠度，即ITS_dry100对泡沫沥青稳定材料的分类而言不是一个可靠的参数。

(3)仅以ITS_wet150一个指标可 较为准确地对FB1、FB4两类材料进行分类。

(4)所测试的试样中没有落入FB3类中的混合料，说明通常使用中FB3类泡沫沥青稳定材料很少遇到。

4 结论

本研究以不同用量的泡沫沥青及水泥/石灰对23种不同来源、不同类型的矿质材料进行稳定，通过成型100 mm和150 mm两种直径的马歇尔试件，分别测试

ITS_dry100、ITS_wet100、ITS_eq150、ITS_wet150和UCS；分析了各项强度指标的相关性，并根据TG2的泡沫沥青稳定材料分类对各指标的相关性进行了检验；另外，还对泡沫沥青稳定材料设计中确定最佳泡沫沥青用量的关键参数进行了探讨。通过研究得出如下结论：

(1)采用100 mm直径的试件可以较高的可靠度对FB1类泡沫稳定材料进行分类，而对其他类材料，该指标的可靠度较低。因此，推荐采用150 mm试件进行泡沫沥青混合料的设计、材料分类以及现场质量控制。

(2)ITS_eq150可较准确地推导出UCS和ITS_wet150两个指标，另外还可单独用来确定混合料设计中最佳泡沫沥青用量。

(3)本研究中直径100 mm试件的ITS测试结果可在一定的置信水平下推导出直径150 mm试件的ITS或UCS指标，但此结论仅适用于本研究所测试的混合料试样，能否外延到其他泡沫沥青稳定材料还有待进一步试验验证。

(4)ITS_wet150测试结果与ITS_eq150表现出很好的相关性。说明ITS_wet150可能并不是一个很好的反映泡沫沥青稳定材料水敏感性的指标，或者说明ITS_eq150是良好的水敏感性指标，从本研究的试验结果还无法断定哪种结论是正确的。建议采用不同的试验方法来研究泡沫沥青稳定材料的水敏感性，从而确定合理的评价指标。

(5)本研究的分析表明，同时用UCS和ITS试验对泡沫沥青稳定材料进行分类是不必要的。在泡沫沥青稳定材料中，仅需使用UCS或ITS中的一个参数来确定最佳结合料用量即可。