基于正交试验的水发泡温拌沥青混合料体积性能研究

宋宽彬1，陈建新2，范文忠3，沈菊男1

(1. 苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2. 苏州市交通运输局，江苏 苏州 215001；3. 苏州交通工程集团有限公司，江苏 苏州 215031)

摘要：设计一组4因素3水平的正交试验L9(34)，研究了马歇尔击实次数、沥青发泡用水量、沥青含量和击实温度对水发泡温拌沥青混合料体积性能的影响，得出发泡温拌沥青混合料的最佳配合比设计组合为双面击实75次, 发泡用水量1.5%, 沥青含量4.9%, 击实温度130～135 ℃。在此最佳配合比设计组合下成型的马歇尔试件相关体积性能和热拌沥青混合料差异很小，能够实现降温10～15 ℃，为发泡温拌沥青混合料的配合比设计和施工提供了参考依据。

关键词：道路工程；温拌沥青混合料；正交试验；体积性能；水发泡

目前，我国的沥青路面基本上都采用的是传统的热拌沥青混合料HMA(Hot Mixture Asphalt)，通常混合料拌和温度都在160 ℃左右甚至更高，沥青和矿料的加热温度则更高。将沥青和矿料加热到如此高的温度，不仅要消耗大量的能源，而且在生产和施工的过程中还会排放出大量的废气和粉尘，影响周围的环境质量和施工人员的身体健康。因此，温拌沥青混合料WMA(Warm Mixture Asphalt)的研制和应用对改善上述状况有着巨大的意义，WMA 具有较低的拌和和压实温度，和热拌相比通常可以降低15～50 ℃，既可以节约大量的能源消耗，又能保证在较低的气候环境下能够顺利地施工，同时尽可能降低混合料在拌和和运输过程中沥青的老化从而延长路面寿命。在现有的温拌技术中，更多的是采用添加温拌剂技术[1-2]。近年来，泡沫温拌技术以其既能降低拌和温度，节约成本又能保证混合料良好的性能的巨大优势受到越来越多的青睐[3-5]。

水发泡沥青温拌技术在国外已经有了很长时间的发展，并且技术也在逐渐地成熟[6-9]。国内的泡沫沥青技术主要应用在冷再生领域[10-13]，发泡温拌领域的研究较少。如何生产出泡沫沥青是试验研究的前提和关键，一种选择是通过引进国外的沥青发泡设备——德国Wirtgen公司生产的WLB10泡沫沥青试验机[11]，但由于设备价格昂贵，并非最好的选择；另外的选择是自主开发出一套直流式沥青发泡设备，经过调试研究，确定合适的发泡参数。本试验以AC-13C沥青混合料为研究对象，运用自主研发的室内沥青发泡设备，进行混合料性能试验。

1.1 沥青

试验采用基质70#普通基质沥青，其性能指标见表1。

表1 70#沥青技术指标
Tab.1 Technical indexes of asphalt No. 70

试验项目针入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)软化点/℃延度/cm相对密度/(g·cm-3)试验结果6848.0>1001.031技术要求60～80≥46≥100实测

1.2 集料和级配

试验集料采用玄武岩和矿粉，主要技术指标见表2。

表2 各档集料指标试验结果
Tab.2 Test result of physical property indicators of aggregates

试验项目集料名称及规格1#料(10～15mm)2#料(5～10mm)3#料(3～5mm)4#料(0～3mm)矿粉表观相对密度/(g·cm-3)2.9542.9592.9642.9672.699毛体积相对密度/(g·cm-3)2.9082.8742.8522.783—

根据各档集料的的筛分结果和规范要求，级配合成如表3和图1所示。

1.3 发泡设备和参数

试验采用苏州科技学院道路工程研究中心自主研发且已申请国家专利的直流式沥青发泡设备，控制发泡用水量为1%～2%，发泡温度为165 ℃。发泡设备外形见图2，发泡设备的自动控制面板见图3，沥青发泡效果见图4。

表3 试验级配合成表
Tab.3 Aggregate gradation for test

筛孔尺寸/mm16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075通过率/%100.095.278.545.631.522.314.711.08.26.5级配上限/%100.0100.085.068.050.038.028.020.015.08.0级配下限/%100.090.068.038.024.015.010.07.05.04.0

图1 级配曲线
Fig.1 Gradation curves

图2 沥青室内发泡设备
Fig.2 Indoor asphalt foamer

图3 自动控制面板
Fig.3 Automatic control panel

图4 沥青发泡效果图
Fig.4 Foamed asphalt

本试验采用马歇尔击实进行混合料的成型。考虑到试验涉及的影响因素和水平较多，因此采用正交试验设计方法，用正交表进行试验安排，实现在每个因素水平兼顾的前提下，尽可能减少试验次数，从而减少试验工作量，更加快速有效地找到最佳因素水平组合。本试验的因素水平表和方案组合分别如表4和表5所示。

表4 正交试验因素水平表
Tab.4 Orthogonal test factors and levels

水平试验因素ABCD(击实次数)(发泡用水量/%)(沥青含量/%)(击实温度/℃)1601.04.51252751.55.01353902.05.5145

表5 正交试验方案组合
Tab.5 Orthogonal test scheme combination

编号击实次数发泡用水量/%沥青含量/%击实温度/℃Z1(A1B1C1D1)601.04.5125Z2(A1B2C2D2)601.55.0135Z3(A1B3C3D3)602.05.5145Z4(A2B1C2D3)751.05.0145Z5(A2B2C3D1)751.55.5125Z6(A2B3C1D2)752.04.5135Z7(A3B1C3D2)901.05.5135Z8(A3B2C1D3)901.54.5145Z9(A3B3C2D1)902.05.0125

3.1 试验结果

根据正交试验方案组合分别拌和和成型马歇尔试件，拌和温度比击实温度高5～10 ℃，集料加热温度比拌和温度高5～10 ℃。按规范要求每组成型6个试件，分别测试每个试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、饱和度、稳定度和流值等性能指标，数据测试结果如表6所示。

表6 马歇尔试验测试结果
Tab.6 Marshall test result

编号毛体积密度/(g·m-3)空隙率/%矿料间隙率/%饱和度/%稳定度/kN流值/(0.1mm)Z1(A1B1C1D1)2.4778.116.952.49.7337.0Z2(A1B2C2D2)2.5404.915.367.710.9435.9Z3(A1B3C3D3)2.5633.214.978.411.9640.1Z4(A2B1C2D3)2.5554.414.870.412.7434.0Z5(A2B2C3D1)2.5374.215.873.210.6137.4Z6(A2B3C1D2)2.5405.714.861.511.0034.7Z7(A3B1C3D2)2.5573.515.277.112.1033.8Z8(A3B2C1D3)2.5565.114.364.314.3528.4Z9(A3B3C2D1)2.5335.215.566.512.0331.6

3.2 极差分析

根据正交理论进行数据处理，各项试验指标分析结果见表7，极差分析见表8。

表7 正交设计直观分析结果
Tab.7 Visual analysis result of orthogonal design

性能指标击实次数发泡用水量/%沥青含量/%击实温度/℃KA1KA2KA3KB1KB2KB3KC1KC2KC3KD1KD2KD3空隙率/%5.414.774.595.304.764.716.294.833.655.834.704.23矿料间隙率/%15.7215.1414.9815.6215.1215.0915.3515.1815.3116.0915.0814.66饱和度/%66.1868.3669.2766.6368.4068.7859.4068.2076.1264.0468.7671.01稳定度/kN10.8811.4512.8311.5211.9711.6611.6911.9011.5610.7911.3513.02流值/(0.1mm)37.735.331.334.933.935.433.333.837.135.334.834.2

极差大的因素，说明它在3个水平之间变化时对所测指标造成的影响大，通常是重要因素，由表8可知：

(1)影响混合料空隙率的因素主次顺序为C→D→A→B，即沥青含量→击实温度→击实次数→发泡用水量；

(2)影响混合料矿料间隙率的因素主次为D→A→B→C，即击实温度→击实次数→发泡用水量→沥青含量；

(3)影响混合料饱和度的因素主次顺序为C→D→A→B，即沥青含量→击实温度→击实次数→发泡用水量；

(4)影响混合料稳定度的因素主次顺序为D→A→B→C，即击实温度→击实次数→发泡用水量→沥青含量；

(5)影响混合料流值的因素主次顺序为A→C→B→D，即击实次数→沥青含量→发泡用水量→击实温度。

表8 极差分析
Tab.8 Range analysis

因素ABCD空隙率0.820.592.641.60矿料间隙率0.740.540.171.43饱和度3.092.1516.826.97稳定度1.950.440.342.23流值6.41.63.81.2

3.3 正交点图分析

为了更直观地表示各因素水平的变化对泡沫温拌沥青混合料空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)、饱和度(VFA)、稳定度(MS)和流值(FL)的影响关系并推荐最优配合比，分别绘制点图，如图5～图9所示。

图5 空隙率点图分析
Fig.5 Dot plot analysis of air voids

图6 矿料间隙率点图分析
Fig.6 Dot plot analysis of air voids in mineral aggregate

图7 饱和度点图分析
Fig.7 Dot plot analysis of voids in mineral aggregate filled with asphalt

图8 稳定度点图分析
Fig.8 Dot plot analysis of stability

图9 流值点图分析
Fig.9 Dot plot analysis of flow value

由表7和图5～图9可知：

(1)击实次数从60到75，再到90次，空隙率逐渐降低，降低率分别为11.2%和3.7%。击实次数的增加和空隙率的下降并不成简单的正比关系，随着击实次数的不断增长，空隙率降低得越发不显著；发泡用水量对空隙率的影响不大，随着发泡用水量的提高，空隙率略微降低；沥青含量越高，空隙率越小，并且二者基本线性相关；击实温度从125 ℃到145 ℃，空隙率逐渐降低，降低率分别为18.7%和9.6%，空隙率的降低速率和击实温度的升高并不呈现简单的正比关系，随着击实温度的增加，空隙率的降低率逐渐减小。

(2)击实次数从60到75，再到90次，矿料间隙率逐渐降低，降低率分别为3.0%和1.1%。随着击实次数的不断增加，矿料间隙率降低得越发不显著；发泡用水量对矿料间隙率的影响不大，用水量为1.5%时，混合料的矿料间隙率最小；沥青含量从4.5%～5.5%，矿料间隙率的波动不大；击实温度从125～145 ℃，矿料间隙率逐渐降低，降低率分别为6.2%和5.1%，随着击实温度的增加，矿料间隙率的降低率减小。

(3)饱和度的变化规律和矿料间隙率有很大的联系，矿料间隙率降低的同时，饱和度会得到相应的增长。随着沥青含量的增加和击实温度的提高，饱和度的增长较为显著。

(4)随着击实次数的增加，稳定度相应增长，击实次数从60到75次，稳定度增长5.2%，从75到90次，稳定度增长12.0%；发泡用水量对混合料稳定度的影响并不显著；随着沥青含量从4.5%到5.5%的变化过程，稳定度先增加后降低，在5.0%附近达到最大值，但变化不显著；随着击实温度的升高，稳定度有所增长，从125 ℃到135 ℃，增加了5.2%，从135 ℃到145 ℃增加了14.7%，所有组合的稳定度都大于8.0 kN。

(5)击实次数越多，流值越小，从60次到75次，流值降低6.3%，从75次到90次，降低11.5%，和空隙率的变化规律很相似，这也间接说明了在某种程度上空隙率越大，流值也相对较大；发泡用水量对流值的影响比较微弱，1.5%的发泡用水量条件下混合料流值最小；随着沥青含量的增大，流值也越来越大，沥青含量从4.5%到5.0%，流值增加了1.6%，从5.0%到5.5%，流值增加了9.6%；击实温度越高，流值越小，但影响并不显著。

由第3节的试验数据可知，以5.0%为设计目标空隙率，保证其他各项指标都满足规范要求的基础上，水发泡温拌沥青混合料的最佳击实次数在75次附近，发泡用水量为1.5%最为合适，沥青含量在5.0%附近，击实温度在135 ℃附近，因此最佳配合比设计组合为A2B2C2D2。

进一步确定水发泡温拌沥青混合料的击实温度,以热拌沥青混合料为基准，结合以往的施工经验统一采用4.9%的沥青含量，热拌用145 ℃击实，发泡温拌分别采用145，135，125，115 ℃共4个不同的温度击实，分别测试其体积指标如表9所示。

表9 不同击实温度下沥青混合料体积性能
Tab.9 Asphalt mixture volumetric property at different compaction temperatures

项目击实温度/℃毛体积密度/(g·cm-3)空隙率/%矿料间隙率/%饱和度/%稳定度/kN流值/(0.1mm)热拌1452.5434.9715.0066.8512.3231.4发泡温拌1152.4359.0118.6151.578.7646.21252.5016.5516.4160.0611.5139.31352.5464.8414.8867.4711.5634.21452.5654.1314.2570.9813.1233.1

绘制发泡温拌混合料空隙率随击实温度变化曲线如图10所示。

图10 温拌沥青混合料空隙率随击实温度变化曲线
Fig.10 VV of warm-mix asphalt mixture varying with compaction temperature

由图10可以直观地得出水发泡温拌沥青混合料的击实温度在130～135 ℃。对135 ℃下成型的温拌混合料和热拌145 ℃成型的进行对比，发现二者的空隙率等体积参数差异性不大，温拌混合料的稳定度相比热拌略微降低，流值略微升高。

综合以上试验研究可以得出以下结论：

(1)运用正交设计思路得出的最佳发泡温拌沥青混合料配合比设计因素组合是A2B2C2D2。击实次数为双面75次，发泡用水量为1.5%，沥青含量4.9%，击实温度为130～135 ℃。

(2)在上述最佳配合比设计因素组合下，用马歇尔击实试验成型的温拌沥青混合料各项体积性能和较高温度下拌和成型的热拌沥青混合料体积性能差异性很小，满足规范要求。室内试验为水发泡温拌沥青混合料的工程应用提供了试验依据。

(3)在工程实际应用领域，发泡温拌沥青混合料的拌和温度和热拌相比可以降低10～15 ℃，压实工艺和热拌混合料没有太大差别，故压实机械的配置也不需要做太多的改变。

(4)水发泡温拌技术在沥青混合料领域有很好的发挥和利用价值，实现了拌和和击实温度降低10～15 ℃左右，能在一定程度上起到节约资源，保护环境的作用；并且该技术降低了混合料温度，有效防止运输过程中的沥青老化，延长其路用性能，因此水发泡温拌沥青混合料拥有广阔的应用前景。

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Volumetric Property of Water Foamed Warm-mix Asphalt Mixture based on Orthogonal Experiment

SONG Kuan-bin1， CHEN Jian-xin2 ，FAN Wen-zhong 3，SHEN Ju-nan1

(1.School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215011，China；2. Suzhou Department of Transport，Suzhou Jiangsu 215001，China；3. Suzhou Traffic Engineering Group Co., Ltd., Suzhou Jiangsu 215031，China)

Abstract：An orthogonal experiment L9(34) containing 9 groups of 4 factors and 3 levels is designed. The influence of Marshall compaction time, asphalt foaming water content, asphalt content and compaction temperature on the volumetric property of water foamed warm-mix asphalt mixture is researched.It is found that (1) the best mix design combination is 75 double-sided compaction, 1.5% foaming water content, 4.9% asphalt content, 130-135 ℃compaction temperature; (2) the volume performance of Marshall specimens of warm-mix asphalt mixture made in this optimum mix design combination are very similar to those of hot-mix asphalt mixture, the compaction temperature is reduced by 10-15 ℃, which can provide a practical reference for mix design and construction of water foamed warm-mix asphalt mixtures.

Key words：road engineering; warm-mix asphalt mixture; volume performance; orthogonal experiment; water foaming

doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2015.10.004

收稿日期：2014-09-09

基金项目：国家自然科学基金项目(51378328)；江苏省交通运输厅科技计划项目(2012C01)

作者简介：宋宽彬(1990-)，男，河南南召人，硕士研究生.(18963666704@163)

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2015)10-0019-06