高文陽

（鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司公路分院，天津市 300142；）

成型溫度與添加劑對泡沫溫拌瀝青混合料影響

高文陽

（鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司公路分院，天津市 300142；）

泡沫溫拌瀝青混合料是一種高節(jié)能低排放的新型路面材料。通過對基于泡沫瀝青的溫拌瀝青混合料室內(nèi)試驗中出現(xiàn)的問題展開研究，討論了成型溫度，添加劑等因素對溫拌瀝青混合料路用性能的影響，并提出了改進(jìn)方法。

溫拌瀝青混合料；成型溫度；添加劑；空隙率；路用性能

0 引言

當(dāng)前，能源緊張和大氣污染是人類共同面臨的兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，世界各國嚴(yán)格控制一氧化碳和其它有害氣體的排放，節(jié)能和環(huán)保己成為全社會關(guān)注的熱點問題，同時節(jié)能和環(huán)保也是衡量一種應(yīng)用技術(shù)成熟與否的關(guān)鍵指標(biāo)因素[1]。溫拌瀝青混合料技術(shù)的應(yīng)用，將實現(xiàn)道路建設(shè)中能源成本的節(jié)約，同時也降低了對環(huán)境的污染，特別是對我國來說，根據(jù)國家近幾年的政策來看，有節(jié)能減排優(yōu)勢的溫拌瀝青混合料技術(shù)的應(yīng)用及研究對于我們公路事業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料（HMA）是一種熱拌熱鋪材料，生產(chǎn)施工中要消耗大量的能源，而且排出大量的廢氣和粉塵，嚴(yán)重影響周圍環(huán)境質(zhì)量和施工人員的身體健康，而且瀝青還會產(chǎn)生老化而影響其路用性能。冷拌混合料由于其路用性能不穩(wěn)定，一般只用于路面養(yǎng)護(hù)。

為了降低能源消耗和廢氣排放，人們開始研制一種新的節(jié)能環(huán)保型瀝青混合料，即溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)，其特點見表1。WMA是一類拌和溫度介于熱拌瀝青混合料 (150℃～180℃)和冷拌瀝青混合料(10℃～40℃)之間，性能達(dá)到(或接近)熱拌瀝青混合料的節(jié)能環(huán)保型瀝青混合料[2]。就目前的技術(shù)水平而言，WMA的拌和溫度一般保持在110℃～120℃，攤鋪和壓實溫度為80℃～110℃，相對于HMA,溫度降低了30℃以上。國內(nèi)外大量的試驗研究資料表明，與其它瀝青混合料相比，溫拌瀝青混合料具有高性能抵排放、低能耗的特點[3]。

表1 溫拌瀝青混合料和其他瀝青混合料的比較

目前的溫拌技術(shù)可以大致分成2種:

（1）在混合料拌和時，通過載體或者直接引入的水分，與熱熔狀的瀝青接觸產(chǎn)生大量蒸氣，造成瀝青體積膨脹形成泡沫瀝青，瀝青和易性增加使其可以在較低的溫度下充分包裹集料，從而實現(xiàn)混合料在較低的溫度下進(jìn)行拌和和壓實。該技術(shù)的主要影響因素有:添加的水量、添加水的方式和瀝青的溫度。

（2）加入低熔點的有機(jī)添加劑到瀝青或者混合料中，從而改變?yōu)r青的粘溫曲線，降低拌和溫度，這種有機(jī)物熔點一般在90℃左右，因此混合料的拌和溫度一般只能降到有機(jī)物的熔點以上。有機(jī)物必須慎重選擇，因為有機(jī)物的熔點必須高于環(huán)境的最高溫度，否則瀝青路面容易產(chǎn)生永久變形，還要考慮有機(jī)物是否會使瀝青在低溫變脆而影響瀝青路面的低溫抗裂性[3]。

目前，中國對泡沫瀝青的研究還多集中在將其作為穩(wěn)定劑和再生劑應(yīng)用于基層穩(wěn)定和冷再生方面，而利用泡沫瀝青制備溫拌瀝青混合料的相關(guān)研究較少，國內(nèi)應(yīng)用范圍較小。因此，進(jìn)行泡沫型溫拌瀝青混合料方面的研究是十分必要的。

本文通過對基于泡沫瀝青的溫拌瀝青混合料室內(nèi)實驗中出現(xiàn)的問題展開研究，討論了成型溫度，添加劑等因素對溫拌瀝青混合料路用性能的影響，并提出了改進(jìn)方法。

1 原材料

1.1 瀝青

本試驗選取70號的殼牌瀝青。各項性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

1.2 集料

試驗所用石料為石灰?guī)r，經(jīng)篩分后逐漸稱量級配，礦粉為石灰?guī)r礦粉，其密度為2 706 kg/m3。集料各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.3 添加劑

試驗所選用的添加劑是溫拌技術(shù)中常用的消石灰和液體抗剝落劑，其成本低且效果較好。

具體實施方式如下：使用AC-13C的密級配瀝青混合料，瀝青為70號的殼牌瀝青，油石比為0.38，消石灰2%（占總量），水4%（占細(xì)集料），集料為92%，液體抗剝落劑0.3%（占瀝青）。集料級配組成見表2。

表2 AC-13C的密級配瀝青混合料集料級配組成

選用的加水方式是將細(xì)集料加入拌合鍋中，用噴壺以霧化方式向細(xì)集料添加水，同時用玻璃棒不斷攪拌，使水分均勻、充分地裹覆細(xì)集料的表面，形成很薄的水膜。

2 試驗中各影響因素的分析

2.1 試件成型溫度對WMA性能的影響分析

通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，試件成型溫度對空隙率和水穩(wěn)定性有重要的影響。由表3的實驗數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)混合料拌合好后控溫在110℃再成型的試件空隙率在7%～9%之間，明顯偏大。

表3 控溫110℃后成型的試件測得的數(shù)據(jù)

表4試驗是拌合后直接擊實成型試件，其溫度在120℃左右，其空隙率在6%～7%之間。由此可見成型溫度升高10℃，其空隙率可降低1.5%左右。而當(dāng)溫度超過130℃之后，空隙率比較穩(wěn)定，變化很小。表5、表6分別是成型溫度為115℃和125℃時測得的空隙率。所以建議以本文中方法制備中溫瀝青混合料時推薦試件成型溫度為120℃左右為宜。

表4 成型溫度為120℃時測得的試驗數(shù)據(jù)

表5 成型溫度為115℃時測得的試驗數(shù)據(jù)

表6 成型溫度為125℃時測得的試驗數(shù)據(jù)

通過多次試驗發(fā)現(xiàn)壓實度受成型溫度影響較大，而且，壓實度直接影響著溫拌瀝青混合料的空隙率，空隙率又是影響溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的直接因素.隨著溫度升高，溫拌瀝青混合料的空隙率逐漸減小，且減小的趨勢逐漸平緩。各控制溫度下空隙率平均值趨勢見圖1,由圖1可知成型溫度從110℃到125℃之間變化時同一級配的瀝青混合料空隙率變化較明顯，所以建議以本文中方法制備中溫瀝青混合料時推薦試件成型溫度為120℃左右為宜。

圖1 試件成型溫度-空隙率關(guān)系

瀝青混合料的空隙率大小與瀝青路面性能直接相關(guān)?？障堵侍?，特別是對于普通密級配混合料，瀝青在夏天受熱膨脹時，沒有稍微移動的余地，便開始上浮(泛油)在荷載的作用下，很容易產(chǎn)生車轍?？障堵侍螅s大于15%時，水分能夠在結(jié)構(gòu)空隙中自由流動，混合料的持水時間不長，不會造成很嚴(yán)重的水損破壞，但路面的耐久性值得考慮，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，直接影響道路的使用壽命，過大的空隙會加速瀝青老化，降低瀝青混合料的疲勞壽命[4]。同時，在道路營運期間，又容易被壓密形成較大的車轍。當(dāng)路面的空隙率約處于8%～15%時，這是水損害最容易發(fā)生的區(qū)域?？障堵室坏┐笥?%,透水系數(shù)隨空隙率的增大急劇增長，空隙率從8%增長到15%,透水系數(shù)從約50 ml/min增長到1 000 m1/min左右，水份容易進(jìn)入混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而不易自動排出，在高速行車荷載和溫度的反復(fù)作用下，空隙中就會產(chǎn)生強(qiáng)大的動水壓力和泵吸作用力，使得集料和結(jié)合料之間的粘附性降低，瀝青薄膜開始慢慢脫落，空隙逐漸擴(kuò)大，最后便出現(xiàn)掉粒、松散、坑槽等水損壞現(xiàn)象。對于瀝青路面而言，適宜的空隙率是至關(guān)重要的。

已有大量資料表明，空隙率對瀝青混凝土路面的各個主要技術(shù)指標(biāo)有很大的影響，空隙率的大小直接與瀝青路面的透水性、抗車轍性能、疲勞壽命等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)相關(guān)。同時，空隙率與瀝青混凝土路面的強(qiáng)度也有很大關(guān)系。只有當(dāng)空隙率設(shè)計適當(dāng)時，瀝青混凝土路面的水損害、高溫車轍等早期破壞才會減小到最小程度。所以在溫拌混合料中通過控制試件成型溫度來對空隙率進(jìn)行控制是十分重要的。

2.2 不同外摻劑對WMA性能影響的分析

在制作基于泡沫瀝青的溫拌瀝青混合料的時候，由于要加入適量的水并且拌合溫度較低這會增加水損害的可能，為此我們根據(jù)以往熱拌瀝青混合料的成功經(jīng)驗并本著節(jié)約成本的原則選取了兩種普遍使用且成本較低的抗剝落劑用來提高整體的抗剝落效果，增強(qiáng)水穩(wěn)定性：消石灰和液體抗剝落劑。在傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料制備中主要利用消石灰提高集料與瀝青之間的粘結(jié)性，而液體抗剝落劑主要是利用其極性端與集料結(jié)合，從而加強(qiáng)與瀝青的粘附效果。為了檢驗二者的作用共做了3組對比試驗：

第一組實驗：瀝青中加液體抗剝落劑（占瀝青總量的0.3%）;

第二組實驗：細(xì)集料中加消石灰（占混合料總量的2%）;

第三組實驗：瀝青中加液體抗剝落劑（占瀝青總量的0.3%）并且細(xì)集料中加消石灰（占混合料總量的2%）。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，與在熱拌瀝青混合料中效果不同，在溫拌技術(shù)中直接添加消石灰時空隙率都比較大，這與消石灰的吸水，受熱膨脹特性有關(guān)，尤其是溫拌泡沫瀝青中這一點體現(xiàn)的特別明顯，而單加液體抗剝落劑時空隙率可以維持在5%到7%之間，且水穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

消石灰時一種最常用也是最經(jīng)濟(jì)的抗剝落劑。其主要使用方法包括：（1）干消石灰；（2）消石灰稀漿；（3）干消石灰處理濕集料；所有這些方法均可以提高瀝青混合料的抗剝落能力。但是在溫拌泡沫瀝青技術(shù)中，添加干的消石灰不能達(dá)到預(yù)期效果。這主要是因為在溫拌泡沫瀝青中，加入干的消石灰，在產(chǎn)生大量泡沫的時候消石灰會因為吸水而體積膨脹，之后由于時間溫度的關(guān)系，其吸收的水分會逐漸喪失而使體積再次變化。在體積不斷變化的過程中，原本的密實結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而使空隙率偏大，影響路面使用性能。表7為未添加抗剝落劑與分別添加兩種抗剝落劑得到的車轍試驗結(jié)果（每種類型分別進(jìn)行五組實驗）。

表7 車轍試驗結(jié)果

由表7可以看出添加消石灰時動穩(wěn)定度均值為952.86次/mm，而添加液體抗剝落劑時動穩(wěn)定度均值為1 348.18次/mm，二者相差395次/mm，可見摻加消石灰后空隙率偏大，對路用性能造成較大影響。所以在溫拌瀝青混合料制備中為了提高抗剝落作用，建議采用液體抗剝落劑，而盡量不要直接采用干消石灰。

3 結(jié) 語

（1）試件成型溫度對溫拌瀝青混合料性能影響較大，這是因為溫拌瀝青混合料的壓實度受成型溫度影響較大，而且，壓實度直接影響其空隙率，從而導(dǎo)致溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的不足。隨著溫度的升高，溫拌瀝青混合料的空隙率逐漸減小，所以應(yīng)該根據(jù)實際情況選取最佳成型溫度，從而保證瀝青混合料的路用性能。

（2）在溫拌技術(shù)中不能照搬熱拌瀝青混合料的設(shè)計經(jīng)驗，在熱拌技術(shù)中發(fā)揮較好作用的材料不能想當(dāng)然的用于溫拌技術(shù)中，應(yīng)該根據(jù)溫拌技術(shù)的特點有針對性的選取合適的材料來提高溫拌瀝青混合料的整體性能。

總而言之，如今資源節(jié)約、環(huán)境友好是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的客觀要求，也是道路行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。溫拌瀝青混合料是一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的道路材料，符合我國公路建設(shè)的要求，隨著技術(shù)的不斷，溫拌瀝青混合料將具有更廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

[1]徐世法,顏彬,季節(jié),等.高節(jié)能低排放型溫拌瀝青混合料的技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].公路,2005(7):195-198.

[2]蔡春華,曹亞東,嚴(yán)軍,等.溫拌瀝青混合料的應(yīng)用研究[J].上海建設(shè)科技,2006(6):30-31.

[3]左鋒,葉奮.國外溫拌瀝青混合料技術(shù)與性能評價[J].中外公路, 2007,27(6):164-168.

[4]沈金安.解決高速公路瀝青路面水損害早期損壞的技術(shù)途徑[J].公路,2000(5):71-75.

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U414

A

1009-7716（2017）03-0219-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.060

2016-12-13

高文陽（1986-），男，山東濟(jì)南人，工程師，從事道路設(shè)計工作。