熊家元

(河南高速公路發(fā)展有限公司， 河南 鄭州 450052)

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泡沫瀝青溫拌瀝青混合料配合比設計方法及路用性能研究

熊家元

(河南高速公路發(fā)展有限公司， 河南 鄭州 450052)

泡沫瀝青溫拌瀝青混合料是一種全新的節(jié)能環(huán)保型路面新材料，借鑒實體工程采用的溫拌泡沫瀝青技術，開展溫拌泡沫瀝青混合料配合比設計方法研究，同時將溫拌泡沫瀝青混合料的路用性能與同類型熱拌瀝青混合料進行了對比。試驗結(jié)果表明：推薦采用 “4%空隙率法”確定泡沫瀝青溫拌混合料的拌合溫度，以馬歇爾法確定泡沫溫拌瀝青混合料的最佳油石比，經(jīng)路用性能驗證，泡沫溫拌瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，但其水穩(wěn)定性和低溫抗裂性稍差，泡沫溫拌瀝青混合料疲勞性能為同類型瀝青混合料的90%，泡沫溫拌和熱拌瀝青混合料的綜合路用性能比較接近。

路面工程； 泡沫瀝青； 泡沫溫拌瀝青混合料； 配合比設計； 路用性能

0 引言

溫拌瀝青混合料是一種拌合攤鋪碾壓溫度介于熱拌瀝青混凝土和冷拌瀝青混凝土之間，性能達到熱拌瀝青混合料的新型瀝青混合料[1-3]。根據(jù)國內(nèi)外的文獻資料，這類混合料主要采用添加降粘劑或表面活性劑等不同方法降低瀝青混合料在較低溫度下的粘滯度，從而實現(xiàn)良好的壓實特性，與熱拌瀝青混合料相比，采用溫拌技術后集料可以在較低溫度時能夠完全被瀝青裹覆，較低的出料、攤鋪、壓實溫度大大降低了瀝青混合料在拌和生產(chǎn)過程中所排放出的有害氣體，同時延長了施工時間和混合料運輸距離[4-7]， 大大降低了隧道路面鋪筑難度。歐洲每年溫拌瀝青混合料用量大約有500萬t，其實現(xiàn)的溫拌劑技術的添加劑主要有三種，即化學添加劑、有機添加劑和發(fā)泡添加劑，其中泡沫溫拌技術占其溫拌瀝青混合料總量的88%以上。國內(nèi)用于生產(chǎn)溫拌瀝青混合料的添加劑主要有Soasbit(固體蠟)、A spha-min沸石和Evotherm DAT，目前國內(nèi)外對溫拌瀝青混合料的路用性能、降粘機理、壓實特性、配合比設計方法、力學性長期使用性能、耐久性等均開展了大量研究，也鋪筑了許多實體工程，但鮮見采用泡沫瀝青生產(chǎn)溫拌瀝青混合料方面研究報道[6-12]，法國大量工程實踐表明，溫拌泡沫瀝青混合料不僅是實現(xiàn)瀝青混合料溫拌技術的有效途徑，同時可降低溫拌瀝青混合料的工程造價，應用前景廣闊。本文借鑒實體工程采用的溫拌泡沫瀝青技術，開展溫拌泡沫瀝青混合料配合比設計方法研究，同時將溫拌泡沫瀝青混合料的路用性能與同類型熱拌瀝青混合料進行了對比， 經(jīng)試驗路驗證該法具有較好的技術優(yōu)勢，研究結(jié)果可為溫拌泡沫瀝青混合料在路面工程中的推廣應用提供試驗支撐。

1 原材料

試驗選用SK70號重交通石油瀝青，成品SBS改性瀝青(I — B類，SBS摻量為4%)，試驗檢測結(jié)果見表1和表2，這2種瀝青的性能試驗檢測結(jié)果表明符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40 — 2004)中的技術指標要求。粗集料選用玄武巖碎石，細集料采用機制砂，集料各項技術指標均滿足規(guī)范要求[13]。研究表明，在瀝青混合料的拌合過程中，瀝青吸附在礦粉的表面，形成瀝青膠漿薄膜，從而對粗、細集料產(chǎn)生粘附作用，礦粉在瀝青混合料中發(fā)揮著非常重要的作用，試驗研究過程中選用石灰?guī)r磨制的礦粉。

表1 70號重交通石油瀝青技術指標及要求Table1 70Numberofheavytrafficasphaltspecificationsandrequirements試驗項目規(guī)定值試驗結(jié)果試驗方法針入度(25℃,5s,100g)/0.1mm60～8078 T0604延度(5cm/min,15℃)/cm≥100 >100 T0605延度(5cm/min,10℃)/cm≥20 47 T0605軟化點(環(huán)球法)/℃≥46 49.5 T0606質(zhì)量變化,不大于/%±0.8-0.29T0609殘留針入度比(25℃)/%≥61 62 T0604薄膜加熱試驗163℃,5h殘留延度(15℃)/cm≥15 45 T0605殘留延度(10℃)/cm≥6 6 T0605

表2 SBS(I-B)改性瀝青技術指標及要求Table2 SBS(I—B)modifiedbitumenspecificationsandre-quirements試驗項目規(guī)定值試驗結(jié)果試驗方法針入度(25℃,5s,100g)/0.1mm80～10093.5T0604延度(5cm/min,5℃)/cm≥4055.8T0605軟化點(環(huán)球法)/℃≥5093.5T0606

2 泡沫瀝青溫拌瀝青混合料配合比設計

2.1 確定最佳發(fā)泡條件

《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》(JTG F41 — 2008)以膨脹率和半衰期評價瀝青的發(fā)泡特性，試驗時分別變化三組發(fā)泡溫度和發(fā)泡用水量對SK70號和SBS改性瀝青的發(fā)泡特性進行檢測，試驗結(jié)果見表3和表4。

表3 SK70#瀝青不同用水量及溫度條件下的發(fā)泡特性Table3 SK70#foamingbitumenpropertieswithdifferenttemperatureandwatercontent發(fā)泡用水量/%發(fā)泡溫度/℃150155160膨脹率(倍)半衰期/s膨脹率(倍)半衰期/s膨脹率(倍)半衰期/s1.02242173514321.52833243020272.0332930262221

表4 SBS改性瀝青不同用水量及溫度條件下的發(fā)泡特性Table4 SBSmodifiedasphaltfoamingcharacteristicswithdifferentwaterandtemperature發(fā)泡用水量/%發(fā)泡溫度/℃165170175膨脹率(倍)半衰期/s膨脹率(倍)半衰期/s膨脹率(倍)半衰期/s1.01326132112271.51921171615222.0231419131716

由瀝青發(fā)泡試驗結(jié)果可知: 以慮膨脹率和半衰期均較大的原則確定基質(zhì)瀝青最佳發(fā)泡溫度為150 ℃，發(fā)泡用水量1.0%可滿足規(guī)范膨脹率不小于10倍，半衰期不小于8 s的要求[14]。SBS改性瀝青最佳發(fā)泡溫度為165 ℃，最佳發(fā)泡用水量為1.5%。

2.2 確定礦料級配

選用實體工程中采用的AC — 13C混合料級配，根據(jù)粗細集料的篩分結(jié)果，確定混合料合成級配如圖1所示。

圖1 AC — 13C瀝青混合料礦料級配組成Figure 1 AC — 13C Asphalt Mixture Gradation

2.3 確定混合料拌合壓實溫度

現(xiàn)行《公路瀝青路面施工規(guī)范》根據(jù)瀝青的黏溫曲線確定瀝青混合料的室內(nèi)拌合、壓實溫度[15]，對于泡沫溫拌瀝青混合料該法顯然不適用， 本文采用“等空隙率法”確定泡沫溫拌瀝青混合料的拌合、壓實溫度。所謂的等空隙率法，就是通過比較在不同溫度下壓實成型的溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料的空隙率，以4%等空隙率為原則，從而確定泡沫溫拌量瀝青混合料拌合壓實溫度的試驗方法。具體試驗步驟如下： ①按照經(jīng)驗法預估最佳瀝青用量，在110、120、130、140、150、160、170 ℃溫度下采用馬歇爾擊實試驗分別成型熱拌與溫拌泡沫瀝青混合料，一組4個平行試件； ②按照JTG E20 — 2011試驗要求實測不同成型溫度下的馬歇爾試件毛體積密度和理論最大密度，計算泡沫溫拌瀝青混合料的空隙率； ③分別繪制不同溫度下溫拌泡沫瀝青混合料馬歇爾試件空隙率-溫度曲線，并進行統(tǒng)計擬合； ④以馬歇爾試件4%空隙率計算得到泡沫溫拌瀝青混合料的拌合壓實溫度。通過試驗測得不同泡沫溫拌瀝青混合料的空隙率-溫度曲線，結(jié)果如圖2,表5所示。

圖2 瀝青混合料空隙率 — 拌合溫度曲線Figure 2 Asphalt void-mixing temperature curve

表5 空隙率-拌合溫度曲線擬合方程Table5 Void-mixingtemperaturecurvefittingequation混合料類型溫度—空隙率回歸方程相關系數(shù)R2擊實溫度/℃SBS改性瀝青y=34.44718-0.2918x+6.568944E-4x20.9787166溫拌SBS改性瀝青y=45.51643-0.50467x+0.001424x20.9869143熱拌瀝青y=32.87497-0.37634x+9.94389E-4x20.9799153溫拌泡沫瀝青y=31.64387-0.34257x+9.54983E-4x20.9974132 注:y為空隙率,單位:%;x為拌合溫度,單位:℃。

根據(jù)等空隙率原則，溫拌SBS改性瀝青混合料可使SBS改性瀝青混合料的拌合溫度下降23 ℃，采用溫拌泡沫瀝青混合料可使熱拌瀝青混合料拌合溫度降低21 ℃，溫拌泡沫瀝青混合料的施工和易性優(yōu)于熱拌瀝青混合料，泡沫溫拌瀝青混合料具有較好的壓實特性，且減少集料加熱能源消耗，節(jié)能減排。

2.4 設計最佳泡沫瀝青用量

采用馬歇爾法確定泡沫溫拌瀝青混合料的最佳瀝青用量，通過對試件物理指標、力學指標的測定，得出不同混合料類型馬歇爾試驗結(jié)果見表6所示。

表6 4種瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果Table6 FourkindsofasphaltmixtureMarshalltestresults混合料類型OAC/%ρ相對毛體積/(g·cm-3)VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mmSBS4.632.4523.9714.43673.68012.132.47溫拌SBS4.672.4584.0314.22075.45812.602.74熱拌4.702.4404.0015.10873.4708.752.69溫拌泡沫瀝青4.742.4404.0615.11773.5118.862.73規(guī)范要求3～6≥13.565～75≥82～4

配合比設計結(jié)果表明: 泡沫溫拌瀝青混合料各項體積指標和力學強度與普通熱拌瀝青混合料無異，采用馬歇爾法確定的溫拌泡沫瀝青混合料各項技術指標均滿足現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》相關技術要求。

3 溫拌泡沫瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗評價溫拌泡沫瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗時根據(jù)(JTG E20 — 2011)中的要求，分別對熱拌瀝青混合料和溫拌泡沫瀝青混合料進行車轍試驗，驗證各種混合料的高溫性能。按照要求成型300 mm×300 mm×50 mm的標準車轍板試件(以馬歇爾試件毛體積密度反算成型車轍板所需的混合料質(zhì)量)，車轍試驗的溫度為60 ℃，輪壓為0.7±0.05 MPa，行走速度為42±1次/min，試驗時橡膠輪的行走方向與成型車轍板時的碾壓方向一致，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 車轍試驗結(jié)果Table7 Ruttingtestresults混合料類型d45min/mmd60min/mmDS/(次·mm-1)123平均值123平均值123平均值基質(zhì)瀝青3.1483.4343.1383.2403.5473.7023.5173.5891779195117631864溫拌泡沫瀝青3.1162.9653.1763.0173.3693.2983.4003.3551865185420321917SBS改性瀝青1.9902.1992.1692.1192.1452.3382.3102.2644065453244684355溫拌SBS改性瀝青1.8162.2091.9741.9991.9522.3502.1042.1354631443848464638

車轍試驗結(jié)果表明，泡沫溫拌瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，相比熱拌瀝青混合料，經(jīng)泡沫溫拌處理后基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性均有一定程度提高。溫拌泡沫瀝青混合料車轍試驗動穩(wěn)定度1917次/mm ，遠大于規(guī)范基質(zhì)瀝青混合料夏炎熱區(qū)1000次/mm的要求。

3.2 低溫抗裂性

按照現(xiàn)行《公路瀝青路面施工規(guī)范》的要求采用低溫彎曲試驗評價溫拌泡沫瀝青混合料的低溫抗裂性，根據(jù)JTG E20—2011要求，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的要求成型車轍板，切割尺寸為30 mm×35 mm×250 mm的小試件，試驗溫度為-10 ℃，采用單點加載方式，支點間距200 mm，加載速率為50 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應變，以破壞應變指標來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果見表8所示。

表8 低溫小梁低溫彎曲試驗結(jié)果Table8 Lowtemperaturetrabecularlowbendtestresults混合料類型抗彎拉強度/MPa最大彎拉應變/με彎曲勁度模量/MPa基質(zhì)瀝青8.782814.643119.40溫拌泡沫瀝青8.122612.873107.69SBS改性瀝青11.663473.473356.87溫拌SBS改性瀝青11.103105.423574.40

由表8試驗結(jié)果可知: 相比熱拌瀝青混合料，經(jīng)發(fā)泡處理后基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性有一定程度下降，溫拌泡沫瀝青對混合料的低溫性能有負面影響。分析其原因，由于拌合溫度低，集料不能完全烘干，殘留水分必然會影響集料與瀝青之間的粘附，這也是現(xiàn)有溫拌瀝青混合料普遍需要克服的技術難題，再加上生產(chǎn)泡沫瀝青時泡沫瀝青內(nèi)部含有1%作用的水，水的存在勢必影響瀝青與集料之間的粘附性(見圖3)，且水揮發(fā)后在瀝青內(nèi)部形成少量蜂窩狀的空隙，混合料內(nèi)部不均勻程度增加導致泡沫溫拌瀝青混合料低溫抗裂性降低。

圖3 溫拌與熱拌小梁破壞界面對比(左圖為熱拌，右圖為泡沫瀝青溫拌)

Figure 3 Warm mix compared with hot mix trabecular failure interface

3.3 水穩(wěn)定性

水損害是瀝青混凝土路面早期主要的病害之一，是指由于水的作用下，使瀝青混合料喪失原有強度和耐久性的一種現(xiàn)象。瀝青混凝土路面在水存在的條件下，經(jīng)受交通荷載和溫度變化的反復作用，水分會滲入混合料內(nèi)部，在軸載作用下不斷地削弱瀝青膠漿，破壞瀝青、瀝青膠漿與集料之間的粘結(jié)力，最終造成路面破壞。按照現(xiàn)行《公路瀝青路面施工規(guī)范》的要求，本文采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究溫拌泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性，具體試驗方法嚴格參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行，試驗結(jié)果見表9。

3.4 疲勞性能

本部分試驗采用中點加載簡支梁彎曲試驗法，加載模式為控制應力方式，控制應力的疲勞試驗就是在重復加載的疲勞試驗過程中，保持應力不變，以試件的疲勞斷裂作為疲勞破壞的準則，達到疲勞破壞的荷載作用次數(shù)為疲勞壽命。試驗時根據(jù)JTG E20—2011中的要求成型車轍板，切割為40 mm×40 mm×250 mm的小梁試件，彎曲疲勞試驗選用0.2、0.3、0.4、0.5共4個應力比，在MTS 810材料試驗機上采用中點加載方式進行，支點間距為200 mm，試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載波形為連續(xù)式正弦波，試驗結(jié)果如圖4所示。

表9 凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗結(jié)果Table9 Freeze-thawsplittingandimmersionMarshalltestresults混合料類型凍融劈裂試驗浸水馬歇爾試驗MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%基質(zhì)瀝青8.757.4284.80.9140.75082.3溫拌泡沫瀝青8.867.1180.30.8790.68978.4SBS改性瀝青12.8312.2895.71.2951.16289.7溫拌SBS改性瀝青11.8610.8591.51.1640.99485.4

圖4 疲勞試驗擬合結(jié)果Figure 4 Fatigue test fitting results

由圖4試驗結(jié)果可知: 4種瀝青混合料疲勞壽命與應力比在雙對數(shù)坐標下表現(xiàn)出較好的線性關系，基質(zhì)瀝青、溫拌泡沫瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、溫拌泡沫SBS改性瀝青混合料疲勞試驗雙對數(shù)擬合曲線的截距依次為3.7214、3.7002、4.265、4.246，斜率依次為2.184、2.287、1.861、1.914，K值越大，疲勞曲線的線位越高，表明混合料的疲勞壽命越高，n值越大，疲勞曲線越陡，混合料的疲勞壽命對應力水平的變化越敏感[16]，其抵抗疲勞破壞的能力越差，可見泡沫溫拌技術會對瀝青混合料的抗疲勞性能有負面影響，相同應力水平下，泡沫溫拌瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)約為熱拌瀝青混合料的90%。分析其原因，泡沫溫拌瀝青混合料降低了熱拌瀝青混合料拌合壓實溫度的同時，大大降低了瀝青的老化程度，這對瀝青混合料的抗疲勞性能有利，但由于集料加熱不夠以致其中還有殘留的水分，降低了瀝青—集料界面粘附性，此外，水分的加入導致瀝青混合料內(nèi)部存在缺陷或者泡沫瀝青不能完全裹附集料，在荷載作用下會因為應力集中而引起應變能的聚積，從而引起微裂縫的產(chǎn)生，混合料疲勞壽命降低[17]。

4 試驗路鋪筑

2013年課題組西安繞城高速鋪筑了2 km溫拌泡沫瀝青混合料試驗路，瀝青混合料類型為AC — 13C，SBS改性瀝青發(fā)泡溫度為170 ℃，發(fā)泡用水量為1.5%，攤鋪溫度為145 ℃，沒有摻加添加劑，路面結(jié)構為為4 cmAC — 13泡沫SBS改性溫拌瀝青混合料+6 cmAC — 20C+7 cmAC — 25瀝青混合料，攤鋪完成后，經(jīng)檢測試驗路滲水系數(shù)、壓實度、平整度等均滿足規(guī)范要求，上面層瀝青混凝土在攪拌出料、攤鋪和碾壓幾乎看不到藍煙，而且試驗取樣測出來的性能與熱拌瀝青混合料相當。到目前為止，試驗路已通車快2 a，并未發(fā)現(xiàn)車轍、開裂等病害，可見泡沫溫拌瀝青混合料具有較好的路用性能。

5 結(jié)論

① 泡沫瀝青溫拌技術顯著改善了基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料的施工和易性，泡沫溫拌SBS改性瀝青混合料可使SBS改性瀝青混合料的拌合溫度降低23 ℃，以“4%等空隙率法”確定泡沫瀝青溫拌混合料的拌合壓實溫度是合理可行的；

② 馬歇爾擊實試驗結(jié)果表明，采用馬歇爾配合比設計方法確定的泡沫瀝青溫拌混合料的各項體積指標和力學指標滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

③ 泡沫溫拌瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，但其水穩(wěn)定性和低溫抗裂性稍差，泡沫溫拌瀝青混合料疲勞性能為同類型瀝青混合料的90%，總體而言，泡沫溫拌瀝青混合料具有較好的路用性能。

④ 本文只對泡沫溫拌瀝青混合料的配合比設計方法和路用性能進行了初步研究，現(xiàn)場性能需要進一步鋪筑試驗路并進行跟蹤觀測。

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Study on Design Method and Road Performance of Foam Asphalt Warm Asphalt Mixture

XIONG Jiayuan

(Henan Expressway Development Co., Ltd,Zhengzhou, Henan 450052, China)

foam asphalt warm mix asphalt mixture is a new material，new energy efficient and environmentally friendly pavement engineering . draw lessons fromsubstantial warm foam asphalt technologyproject，this article Carry on warm mix asphalt foam mix design method， while the warm mix asphalt foam road performance with the same type of hot mix asphalt were compared. Test results show that：recommend to“4% void method”to determine the mixing temperature of foam warm asphalt mixture，Marshall method of foam temperature on the optimum proportion of asphalt mixture，The road performance verification, foam warm mix asphalt mixture has better high temperature stability, but its water stability and low temperature crack resistance is poor, the fatigue performance foam warm mix asphalt mixture is 90% of the same type asphalt mixture. Comprehensive road performance of both foam asphalt warm asphalt mixture and hot mix asphalt are relatively close.

road engineering； foam asphalt； foam warm asphalt mixture； mixture design； road performance

2015 — 04 — 27

國家自然基金項目(51375276)

熊家元(1965 — )，男，河南信陽人，高級工程師，主要從事道路與橋梁施工與管理工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0128 — 05