0 引言

沥青路面材料温拌技术主要包含机添加剂法、化学工艺法和泡沫工艺法3类^[1-3]。前2类温拌技术在我国研究起步较早，已有一定规模应用，以有机添加剂Sasobit和表面活性剂Evotherm为代表。机械发泡温拌技术起步相对较晚，但成本低，逐渐受到重视，其基本原理是：将沥青和微量水在机械发泡装置内混合形成泡沫沥青，通过增大沥青的比表面积减小沥青黏度，可实现沥青与矿料在较低温度下的均匀拌和，同时还能提高沥青混合料的施工和易性，最终改善路面的可压实性^[4-6]。相比传统热拌沥青混合料(HMA)，该技术可减小混合料施工温度10~30 ℃，并降低沥青烟和CO₂等有害气体的排放分别达80%和50%以上^[7]。

祝鸿等^[8]研究了泡沫温拌沥青混合料(FWMA)在不同拌和温度和击实温度条件下空隙率的变化规律，相比HMA，FWMA的拌和温度和击实温度可降低20~30 ℃。Bairgi等^[9]研究发现沥青的发泡过程降低了沥青的摩擦系数，这有助于沥青在集料表面的裹覆，并提高较低击实温度下沥青在集料间的流动性。随着现代物相测试技术的发展，道路科技工作者尝试从更微观的层次探索泡沫沥青的技术特性。温彦凯等^[10]利用差示扫描量热仪进行研究，发现泡沫温拌沥青胶浆较基质沥青胶浆具有更优的热稳定性。Qtaish等^[11]利用原子力显微镜研究了泡沫温拌沥青的微观力学性质，发现其抗老化性能与热拌沥青相当。Ozturk等^[12]提出了一种基于图像处理技术的沥青发泡效果评价方法，用泡沫尺寸指数可更有效地评价泡沫沥青的工作特性。韦武举等^[13]通过躺滴法分析了泡沫沥青在不同阶段与矿料的表面自由能，提出以黏附功与剥离功的比值来评价FWMA的抗水损坏性能。

综上所述，国内外在FWMA的工作机理、组成设计、性能评价等方面已取得大量研究成果，推动了该项技术的应用，但业内仍存在少许担忧。通常情况下，水会削弱沥青在矿料表面的裹覆，大幅降低沥青混合料的路用性能，由水引起的沥青路面病害已成为道路工程界的主要难题之一。尤其针对泡沫温拌沥青技术，主动注入的水对于这种材料性能的影响成为该项技术的最主要关切点之一。邹晓勇等^[14]利用室内模拟试验研究了FWMA中水分在施工各阶段的相态变化和散失情况，发现内部结构水分随着施工工序的进行逐渐减少。王广山等^[15]研究发现泡沫温拌沥青的黏度与发泡用水量的敏感性较好。Arega等^[16]利用激光和超声波测距仪研究了沥青的发泡与破灭过程，发现含水量会显著影响泡沫沥青的发泡质量。国内外围绕发泡用水量对沥青的作用机制开展了诸多研究，而发泡用水量对于混合料的影响规律却鲜见报道。现有沥青的发泡用水量主要是通过沥青的发泡参数来确定，未充分考虑混合料性能，而混合料性能才是最终决定路面质量的关键因素。

基于此，本研究全面测试了不同发泡用水量条件下FWMA和泡沫温拌SBS改性沥青混合料(SBS-FWMA)的力学性能，包括抗水损坏性能、抗车辙性能、抗低温开裂性能、动态黏弹特性和抗疲劳性能，并分析了不同工况条件下FWMA和SBS-FWMA性能指标的变化规律。作为对比，用HMA和SBS改性沥青热拌混合料(SBS-HMA)进行了对照试验。旨在通过该研究，揭示发泡用水量对FWMA和SBS-FWMA力学性能的影响机制，为优化设计FWMA和SBS-FWMA的发泡用水量提供参考。

1 试验材料

本研究共选用2种类型沥青，分别为70^#基质沥青和SBS改性沥青(I-D)，其主要技术指标见表 1。

温拌沥青混合料和热拌沥青混合料均采用相同的矿料级配，见表 2，油石比均为4.8%。

2 试验方案

基质沥青发泡温度为150 ℃，发泡用水量分别为1%，2%，3%；SBS改性沥青的发泡温度为160 ℃，发泡用水量分别为1%，2%，3%，发泡设备采用维特根沥青发泡装置，发泡试验方法参照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)，试验结果见表 3。集料加热温度均为170 ℃，FWMA和HMA试件成型温度分别为130 ℃和145 ℃；SBS-FWMA试件成型温度分别为150 ℃和165 ℃。其中，FWMA/1%表示发泡用水量为1%的FWMA，SBS-FWMA /1%表示发泡用水量为1%的SBS-FWMA，以此类推。

2.1 抗水损坏性能试验方案

采用浸水马歇尔强度试验和冻融劈裂强度试验，分析不同发泡用水量条件下FWMA抗水损坏性能的变化规律，试验方法参照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)。

2.2 抗车辙性能试验方案

单轴贯入强度试验是近年来用以表征沥青混合料抗剪特性的一种试验手段。本研究采用单轴贯入强度试验分析发泡用水量对FWMA抗车辙性能的影响。利用旋转压实仪制备ϕ150×105 mm的圆柱形试件，然后钻芯切割成ϕ100×100 mm的试验用试件，试件空隙率控制在(7±0.5)%范围内。荷载作用速率为1 mm/min，加载头直径为28.5 mm，试验温度为60 ℃。

贯入强度由式(1)~(2)计算得出：

(1)

(2)

式中，R_a为贯入强度；σ_p为贯入应力；P为峰值荷载；A为加载头与试件接触面积；f_a为贯入应力系数，取0.34。

2.3 抗低温开裂性能试验方案

与小梁弯曲试验相比，半圆弯拉(SCB)试验受载过程中的应力分布状态与实际路面更接近^[17]。因此，采用SCB试验评价发泡用水量对FWMA抗低温开裂性能的影响。首先利用旋转压实仪制备ϕ150×105 mm的圆柱形试件，再切割为直径150 mm、厚50 mm的半圆形试验用试件，试件预切缝深度为15 mm，试件空隙率为(7±0.5)%。试件底部两端支撑点距离为120 mm。荷载作用速率为0.1 mm/min，试验温度为-24, -12, 0 ℃。

断裂能G_f由式(3) ~ (4) 计算得出。

(3)

(4)

式中，G_f为试件断裂能；P为作用荷载；u为P对应的位移；r，t，a分别为为试件的半径、厚度和预切缝深度。

2.4 动态黏弹特性试验方案

采用沥青混合料性能试验机AMPT，研究发泡用水量对于FWMA动态黏弹特性的影响。动态模量试验方法参照AASHTO T342-11标准执行。采用旋转压实仪制备ϕ150×170 mm的圆柱形试件，再钻芯切割为ϕ100×150 mm的试验用试件，试件空隙率控制在(7±0.5)%范围内。试验温度为4，20，40 ℃，施加荷载为偏移正弦波，荷载作用频率为25~0.1 Hz。动态模量试验的重复加载次数和荷载水平分别见表 4~5。

根据时温等效原理，通过有限的动态模量试验结果可构建一定温度条件下较宽频域内的动态模量主曲线^[18]。基于Sigmoidal函数进行非线性拟合，见式(5)。

(5)

式中，|E^*|为动态模量；f_r为缩减频率；δ，α，β，γ为拟合参数。

温度移位因子(T)的表达式为:

(6)

式中f为试验频率。

基于Arrhenius时温等效原理^[19]，由式(7)计算温度移位因子：

(7)

式中，T_k为试验开尔文温度；T_ref为主曲线开尔文温度；c为拟合参数。

由式(5)~(7)，采用最小二乘法拟合可获取动态模量主曲线参数。

2.5 抗疲劳性能试验方案

采用四点弯曲疲劳试验评价不同发泡用水量条件下FWMA的抗疲劳性能，试验方法参照AASHTO T321-03标准，以偏移正弦波作为疲劳试验的标准加载波形。试件采用剪切压实仪成型，试件空隙率为(7±0.5)%，试验温度为15 ℃。加载频率为10 Hz，采用应变控制。以第50次加载时对应的弯曲劲度模量为初始值，当混合料劲度模量衰减至初始值的50%时，试验停止。

3 试验结果与分析 3.1 抗水损坏性能

FWMA和HMA的抗水损坏性能试验结果分别见表 6~7。由试验结果可知，对于基质沥青，发泡用水量小于2%时，FWMA的残留稳定度与冻融劈裂强度比均略高于FHMA，表明FWMA的抗水损坏性能略优于HMA。推测其原因主要是基质沥青发泡后膨胀率较高(≥8倍)，增强了沥青对集料的裹覆，提高了沥青与集料的黏附性，从而改善了混合料的抗水损坏性能，但发泡用水量较大时，过多的水反而会削弱沥青与集料的黏结，影响混合料的水稳定性。

对于SBS改性沥青，SBS-FWMA的残留稳定度高于SBS-HMA，冻融劈裂强度比略低于SBS-HMA。与基质沥青不同的是，发泡用水量的增加并不会继续降低SBS-FWMA的水稳定性，这与SBS改性沥青更优的黏附性和抗变形能力有关。

综上所述，在1%~3%发泡用水量条件下，对于基质沥青，FWMA的水稳定性基本与HMA相当，在较低发泡用水量条件下甚至略高于HMA。为了控制FWMA的水稳定性，在满足沥青发泡参数的条件下，发泡用水量应尽量控制在较低值；对于SBS改性沥青，在不同发泡用水量条件下，SBS-FWMA的水稳定性无显著差异，水稳定性受发泡用水量变化的敏感性较小。

3.2 抗车辙性能

不同发泡用水量下FWMA和SBS-FWMA的单轴贯入强度试验结果见表 8~9。由试验结果可知，FWMA的贯入应力和贯入强度均大于HMA，贯入深度均小于HMA，这与泡沫沥青和集料的黏附性增强有关。例如，当发泡用水量为3%时，FWMA的贯入强度相比HMA提高了24%，表明FWMA的抗车辙性能优于HMA，且在一定发泡用水量条件下，发泡用水量越大，抗车辙性能更强。对于SBS-FWMA，其贯入应力和贯入强度略小于HMA-SBS，表明SBS-FWMA的高温抗变形能力相比HMA出现了轻微程度的衰减，但随着发泡用水量的增加，并无一致性变化规律。对比FWMA和SBS-FWMA，由于SBS改性沥青相比基质沥青形成了更为稳定的胶体结构，抗高温变形能力更强，因此SBS-FWMA的高温抗变形能力受发泡用水量变化的影响较低。

3.3 抗低温开裂性能

图 1为不同发泡用水量条件下FWMA和SBS-FWMA的SCB试验结果。可以看出，同一温度条件下，随着发泡用水量的增加，FWMA和SBS-FWMA的断裂能并无明显变化规律，但随着温度的降低，断裂能逐渐减小，说明温度的变化对泡沫温拌混合料的低温抗开裂性能影响更大。对于SBS改性沥青，SBS-FWMA的断裂能基本都大于SBS-HMA，表明在低温环境下SBS-FWMA较SBS-HMA具有更优异的抗开裂能力；对于基质沥青，FWMA的断裂能总体小于HMA，发泡用水量为1%时，FWMA和HMA的抗低温开裂性能差异相对较小。

表 10列举了不同温度条件下基于3种发泡用水量的FWMA断裂能的平均值和变异系数。可以看出, 随着温度的降低，发泡用水量的变化对于FWMA和SBS-FWMA断裂能的影响增强，表明不同发泡用水量条件下FWMA和SBS-FWMA的低温抗裂性差异性变大。因此，在我国北方寒冷地区应用FWMA时，应严格控制设计确定的发泡用水量，以保证混合料低温抗裂性能的稳定性。

3.4 动态黏弹特性

20 ℃条件下FWMA和HMA的动态模量主曲线见图 2。在不同发泡用水量下，FWMA的动态模量主曲线的变化特征与HMA一致，总体呈现出S形扁平状，说明FWMA的黏弹性能特征与HMA并无差异，发泡用水量的变化也不会改变这种特性。极端低频荷载作用时，FWMA的动态模量与HMA基本一致，随着荷载频率的增大，不同发泡用水量对于混合料动态模量的作用效应增大，在一定荷载区间范围内发泡用水量越大，动态模量越大，但当荷载频率增大到一定程度后，主曲线出现了交叉，发泡用水量与动态模量并不会出现一致性变化规律。

常规荷载作用频率区间为0.1~25 Hz，FWMA的动态模量始终大于HMA，且发泡用水量越大，动态模量越大，表明不同发泡用水量下FWMA的强度均优于HMA，这与泡沫沥青和集料的黏附性增大及抗变形能力增强有关。对于SBS-FWMA，在1%~3%发泡用水量条件下，SBS-FWMA的动态模量与SBS-HMA无显著差异，这主要是因为SBS改性沥青结构较基质沥青更为稳定，受外在因素影响程度更低。因此，对于WMA，发泡用水量对其强度起正相关作用；对于SBS-FWMA，发泡用水量对其强度无明显作用。

3.5 抗疲劳性能

对HMA和FWMA进行平行疲劳试验。结果表明，无论是基质沥青还是SBS改性沥青，不同发泡用水量条件下，FWMA的疲劳寿命次数均大于HMA，相比HMA，FWMA的抗疲劳性能得到了提升，这主要是由于混合料生产温度降低减小了沥青老化程度，使得混合料在重复荷载作用下具有更好的抗弹性变形能力。在较低应变水平条件下，FWMA与HMA的疲劳寿命差异明显。汇总分析，在应变水平小于100 με时，1%~3%发泡用水量下WMA的疲劳寿命大致是HMA的1.2倍，提高应变水平后，混合料疲劳寿命差异逐渐减小。随着发泡用水量的增加，对于基质沥青，FWMA的疲劳寿命总体上逐渐降低；对于SBS改性沥青，SBS-FWMA的疲劳寿命先增后减，在2%发泡用水量下，其疲劳寿命达到最大。

疲劳方程为：

(8)

式中，N_f为疲劳寿命次数；σ为应变水平；n和k为拟合参数。

表 11为利用疲劳方程(8)对HMA和FWMA、SBS-HMA和SBS-FWMA疲劳试验数据的拟合结果。

由表 11可见，1%~3%发泡用水量条件下，FWMA和SBS-FWMA疲劳方程拟合曲线的判定系数R²均较高，采用该疲劳方程可预估一定发泡用水量范围内FWMA的疲劳寿命。对于疲劳方程，n越大，表示混合料疲劳寿命相对应变水平变化的敏感性愈大，即疲劳开裂风险越大。对于同种类型沥青，1%~3%发泡用水量下FWMA与HMA的n值基本无变化，这表明FWMA和HMA、SBS-FWMA和SBS-HMA的疲劳寿命对应变变化的敏感性接近，FWMA和SBS-FWMA具有较好的抗疲劳性能。比较而言，SBS-FWMA的疲劳寿命对应变的敏感性低于FWMA，这主要是因为SBS改性沥青较基质沥青形成了更为发达的空间网状交联结构体系，具有更优异的抗变形性能。

4 结论

1%~3%发泡用水量条件下，FWMA和SBS-FWMA的力学性能变化规律如下：

(1) FWMA的抗水损坏性能与HMA基本处于同一水平，较低发泡用水量(小于2%)时，FWMA的抗水损坏性能甚至略高于HMA。SBS-FWMA的冻融劈裂强度比无显著差异，但低于HMA-SBS。

(2) FWMA的抗车辙性能强于HMA，且发泡用水量越大，抗车辙性能越优异。SBS-FWMA的抗车辙性能相比SBS-HMA略微降低，受发泡用水量变化的影响较低。

(3) FWMA的低温抗裂性能不如HMA，发泡用水量为1%时，二者差异相对较小。SBS-FWMA的低温抗裂性能基本优于SBS-HMA。随着温度的降低，发泡用水量的变化对FWMA和SBS-FWMA低温抗裂性能的影响增强。

(4) FWMA动态模量主曲线的变化特征与HMA一致。常规荷载作用频率下，发泡用水量对FWMA的强度起正相关作用，且优于HMA，但对SBS-FWMA的强度无明显作用。

(5) FWMA和SBS-FWMA的抗疲劳性能均优于相应的HMA。随着发泡用水量的增加，FWMA的疲劳寿命总体上逐渐降低，SBS-FWMA的疲劳寿命先增后减，2%发泡用水量时达到峰值。SBS-FWMA的疲劳寿命对应变的敏感性不如FWMA。

综合沥青的发泡效果及沥青混合料的各项路用性能，基质沥青发泡用水量不宜超过1%，SBS改性沥青的发泡用水量不宜超过2%。上述结论是基于有限样本得出的，若想得到更为普适的结论，需要选用更多不同类型沥青进行对比试验分析。