高啟聚,宋旭艷

(1.蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心,江蘇蘇州 215011;2.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇蘇州 215011)

發(fā)泡溫拌瀝青混合料Superpave設(shè)計(jì)與性能研究

高啟聚1,宋旭艷2

(1.蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心,江蘇蘇州 215011;2.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇蘇州 215011)

以Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法和SUP-13混合料為基礎(chǔ),4%空隙率為設(shè)計(jì)體積指標(biāo),確定發(fā)泡溫拌瀝青混合料的拌和與擊實(shí)溫度,并對(duì)發(fā)泡溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性、動(dòng)穩(wěn)定度和低溫彎曲性能進(jìn)行檢驗(yàn),利用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線分析發(fā)泡溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性.研究結(jié)果表明:在低于21℃的情況下,發(fā)泡溫拌瀝青混合料的壓實(shí)效果與熱拌瀝青混合料的路用性能差異較小,發(fā)泡溫拌瀝青混合料可用于瀝青路面溫拌施工.

Superpave設(shè)計(jì);發(fā)泡瀝青;壓實(shí)特性;路用性能

0 引 言

溫拌瀝青混合料施工技術(shù)可以降低施工過程中的能源消耗,大大減少有害氣體的排放,降低對(duì)施工人員的健康危害,同時(shí)具有施工不受季節(jié)影響等優(yōu)點(diǎn),且與熱拌瀝青混合料性能相當(dāng),因此在道路施工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.目前,瀝青混合料的溫拌施工主要是通過添加化學(xué)溫拌劑的方法實(shí)現(xiàn)[1-5];但是化學(xué)溫拌劑價(jià)格昂貴,導(dǎo)致瀝青混合料的生產(chǎn)成本較高,且由于其成分復(fù)雜,與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)帶來的負(fù)面影響尚不甚明了.為了彌補(bǔ)上述不足,發(fā)泡溫拌瀝青混合料施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.該技術(shù)通過瀝青發(fā)泡設(shè)備制備泡沫瀝青作為膠結(jié)料,再與集料拌和制備瀝青混合料.由于泡沫瀝青比原樣瀝青黏度低,故提高了混合料的拌和和易性,因而可以在低于熱拌瀝青混合料20℃～30℃的溫度下攤鋪、碾壓,從而實(shí)現(xiàn)瀝青混合料溫拌施工.瀝青發(fā)泡所用原材料僅有瀝青和水,且發(fā)泡是一個(gè)物理過程,不會(huì)導(dǎo)致瀝青成分的變化,同時(shí)發(fā)泡設(shè)備的費(fèi)用只需一次性投入,無需每次生產(chǎn)時(shí)購買溫拌材料,大大降低了工程造價(jià),性價(jià)比較高.由于發(fā)泡溫拌技術(shù)在國(guó)外的研究和應(yīng)用較多[6-7],國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用泡沫瀝青在常溫狀態(tài)下穩(wěn)定路面基層材料,在瀝青混合料溫拌施工方面研究得較少.因此,研究發(fā)泡溫拌瀝青混合料設(shè)計(jì)方法,探討其降溫機(jī)理和路用性能,對(duì)于促進(jìn)發(fā)泡溫拌瀝青混合料施工技術(shù)在中國(guó)的推廣應(yīng)用具有重要意義.

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青,相對(duì)密度為1．031.集料類型為玄武巖,規(guī)格分別為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm.填充料為石灰?guī)r礦粉,同時(shí)加入混合料總質(zhì)量1．5%的石灰粉,以增加混合料的抗水損害能力,各種集料的密度試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 集料密度試驗(yàn)結(jié)果

1．2 瀝青發(fā)泡工藝

采用自主研發(fā)并已申請(qǐng)發(fā)明專利的瀝青發(fā)泡機(jī)(圖1),利用膨脹率和半衰期評(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡效果.根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果[8],SBS改性瀝青的發(fā)泡工藝參數(shù)如下:發(fā)泡溫度為170℃～175℃,發(fā)泡用水量為瀝青質(zhì)量的1．5%.圖2為發(fā)泡后的改性瀝青,表2為發(fā)泡瀝青發(fā)泡效果評(píng)價(jià)指標(biāo).

圖1 室內(nèi)瀝青發(fā)泡機(jī)

圖2 發(fā)泡瀝青

表2 發(fā)泡瀝青指標(biāo)

2 試驗(yàn)研究

2．1 瀝青基本指標(biāo)測(cè)試

測(cè)試發(fā)泡瀝青和未發(fā)泡瀝青的基本技術(shù)指標(biāo),結(jié)果如表3所示.可以看出,無論是發(fā)泡改性瀝青還是原樣改性瀝青,其技術(shù)指標(biāo)均滿足SBS改性瀝青的基本要求.

表3 瀝青基本指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2．2 基于Superpave法的溫拌發(fā)泡瀝青混合料設(shè)計(jì)

2．2．1 確定拌和與擊實(shí)溫度

瀝青混合料的設(shè)計(jì)類型為Sup-13型,集料分為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm,其與礦粉的比例為32∶23∶8∶36∶1,合成級(jí)配見表4.

擬定4．3%、4．8%、5．3%、5．8%四個(gè)瀝青含量,按照拌和溫度170℃、碾壓溫度160℃進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件成型,并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試.根據(jù)空隙率4.0%的控制指標(biāo),確定對(duì)應(yīng)的瀝青用量為4.9%,對(duì)應(yīng)體積指標(biāo)見表5.采用最佳瀝青用量4.9%成型試件,并對(duì)試件進(jìn)行路用性能試驗(yàn),結(jié)果見表6.

表4 合成級(jí)配

表5 最佳瀝青用量對(duì)應(yīng)的體積指標(biāo)

表6 熱拌混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5、6可以看出,在瀝青用量為4．9%時(shí),相應(yīng)的體積指標(biāo)和路用性能試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求.采用最佳瀝青用量,分別在160℃、145℃、130℃、115℃四個(gè)溫度下進(jìn)行溫拌發(fā)泡瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型,所對(duì)應(yīng)的拌和溫度分別為170℃、155℃、140℃和125℃,其體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表7 不同壓實(shí)溫度下瀝青混合料體積指標(biāo)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)發(fā)泡溫拌混合料空隙率隨壓實(shí)溫度的變化曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸,如圖3所示,所得線性回歸方程式為

式中:T為擊實(shí)溫度(℃);V為空隙率(%).

根據(jù)空隙率4．0%的控制指標(biāo),利用式(1)計(jì)算得到最佳擊實(shí)溫度為138℃.由于實(shí)際工程施工中拌和溫度比壓實(shí)溫度高10℃左右,因此溫拌瀝青混合料的拌和溫度為148℃.

圖3 發(fā)泡溫拌瀝青混合料空隙率與壓實(shí)溫度的關(guān)系

2．2．2 路用性能試驗(yàn)

采用最佳瀝青用量4.9%,在確定的發(fā)泡溫拌瀝青混合料的拌和與擊實(shí)溫度下進(jìn)行路用性能試驗(yàn),結(jié)果見表8.

表8 溫拌混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表8的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,所有指標(biāo)均滿足要求,說明利用發(fā)泡溫拌瀝青混合料可以在低于熱拌瀝青混合料21℃的情況下進(jìn)行拌和與施工,并與熱拌瀝青混合料效果相同.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 瀝青試驗(yàn)結(jié)果分析

發(fā)泡改性瀝青和原樣改性瀝青基本技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果比較,如圖4所示.由圖4可以看出:與原樣改性瀝青相比,發(fā)泡瀝青的針入度略大,延度略小,但與原樣改性瀝青差別并不明顯;軟化點(diǎn)具有明顯差異,且發(fā)泡瀝青的軟化點(diǎn)要比原樣改性瀝青小5℃.究其原因是由于:發(fā)泡瀝青在發(fā)泡過程中產(chǎn)生了微氣泡并存在于瀝青中,微氣泡導(dǎo)致發(fā)泡瀝青黏性降低,增加了瀝青的和易性,從而在低于原樣瀝青軟化點(diǎn)的溫度下更易于軟化,也更適于在較低的溫度下與集料拌和.

圖4 發(fā)泡瀝青試驗(yàn)結(jié)果

3．2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

通過與熱拌原樣改性瀝青混合料壓實(shí)效果比較的方式,探討發(fā)泡溫拌改性瀝青混合料的壓實(shí)效果.試驗(yàn)采用2種壓實(shí)方案:在138℃的壓實(shí)溫度(即發(fā)泡溫拌瀝青混合料采用的壓實(shí)溫度)下分別對(duì)發(fā)泡溫拌瀝青混合料和熱拌原樣瀝青混合料進(jìn)行壓實(shí),試驗(yàn)結(jié)果見圖5;另一種是在160℃的壓實(shí)溫度(即熱拌瀝青混合料采用的壓實(shí)溫度)下壓實(shí)熱拌瀝青混合料,在138℃的壓實(shí)溫度(即發(fā)泡溫拌瀝青混合料采用的壓實(shí)溫度)下壓實(shí)發(fā)泡溫拌瀝青混合料,試驗(yàn)結(jié)果見圖6.

圖5 138℃成型溫度下混合料壓實(shí)度變化曲線

圖6 138℃和160℃成型溫度下混合料壓實(shí)度變化曲線

由圖5可知,在138℃壓實(shí)溫度下,隨著壓實(shí)次數(shù)的增加,發(fā)泡溫拌改性瀝青混合料的壓實(shí)度始終大于熱拌原樣改性瀝青混合料的壓實(shí)度,且相同壓實(shí)次數(shù)下的壓實(shí)度差值率近2%,說明發(fā)泡溫拌瀝青混合料在低于熱拌原樣瀝青混合料的壓實(shí)溫度下更易于壓實(shí).由圖6可知,壓實(shí)次數(shù)達(dá)到80次之前,發(fā)泡溫拌瀝青混合料在138℃下的壓實(shí)度與熱拌瀝青混合料在160℃下的壓實(shí)度有略微差異;但隨著壓實(shí)次數(shù)的增加,2種混合料的壓實(shí)度趨于一致,且在壓實(shí)結(jié)束時(shí)表現(xiàn)出相同的壓實(shí)度.由此說明,發(fā)泡溫拌瀝青混合料在低于熱拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度下可以達(dá)到與熱拌瀝青混合料同樣的壓實(shí)效果.

3．3 路用性能試驗(yàn)結(jié)果分析

發(fā)泡溫拌改性瀝青混合料和熱拌改性瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)比較,結(jié)果如圖7所示.

圖7 路用性能試驗(yàn)結(jié)果

從圖7可以看出:由于加入了石灰,發(fā)泡溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比等水穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)并無顯著差異,試驗(yàn)結(jié)果較為接近;但是在滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上,發(fā)泡溫拌瀝青混合料的車轍試驗(yàn)和小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果均小于熱拌瀝青混合料.

4 結(jié) 語

以Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法和Sup-13混合料類型為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了熱拌改性瀝青混合料,并以空隙率4.0%為體積指標(biāo),確定了發(fā)泡溫拌改性瀝青混合料的拌和與擊實(shí)溫度,進(jìn)行了發(fā)泡溫拌改性瀝青混合料的路用性能檢驗(yàn).同時(shí)利用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性曲線,通過與熱拌改性瀝青混合料的對(duì)比,論證了發(fā)泡溫拌瀝青混合料的壓實(shí)效果完全可以達(dá)到熱拌瀝青混合料的壓實(shí)效果,且路用性能試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)泡溫拌瀝青混合料的路用性能完全滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求.發(fā)泡溫拌瀝青混合料施工技術(shù)可以用于瀝青路面的溫拌施工,與化學(xué)溫拌法相比,不僅價(jià)格低廉,操作方便,而且節(jié)能減排,能夠保護(hù)施工人員身體健康,可謂一勞永逸,因此發(fā)泡溫拌瀝青混合料施工技術(shù)將具有更廣闊的應(yīng)用前景.

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[責(zé)任編輯:高 甜]

Research on Superpave Mix Design for Foamed Warm Mix Asphalt and Performance

GAO Qi-ju1,SONG Xu-yan2
(1．Road Engineering Research Center,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011,Jiangsu,China; 2．School of Civil Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011,Jiangsu,China)

Based on the Superpave mix design and SUP-13 mixture,with the 4%porosity being the designed volume index,the mixing and compaction temperatures of the foamed warm mix asphalt were determined．The water stability,dynamic stability and bending performance at low temperature of the foamed warm mix asphalt were tested,and the compaction characteristics of the asphalt mixture were analyzed by Superpave rotation compaction curve．The results show that there is small difference between the pavement performance of foamed warm mix asphalt and that of the hot mix asphalt in the case of below 21℃,suggesting that the foamed warm mix asphalt is applicable for asphalt pavement construction．

Superpave design;foamed asphalt;compaction characteristic;pavement performance

U416．02

B

1000-033X(2017)05-0064-04

2016-10-30

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項(xiàng)目(2014-k5-023)

高啟聚(1973-),男,山東梁山人,工學(xué)博士,副教授,研究方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)與材料.