Evotherm温拌沥青混合料特性研究

袁 媛,徐建勇,胡建福

(浙江省交通规划设计研究院,杭州 310006)

0 引 言

温拌沥青混合料 (WMA)技术是指施工温度介于热拌沥青混合料和常温拌和混合料之间的沥青路面施工技术。它的应用可实现道路建设中资源成本的节约、环境污染问题的减少,符合低碳公路理念,是今后路面材料的重要研究方向之一。

常用的温拌沥青混合料有沥青发泡型、胶结料降粘型和表面活性平台等[1]。目前,国内绝大多数温拌沥青混合料的应用,主要采用的是表面活性平台技术,其中Evotherm是表面活性型技术路线的代表性产品[2]。开展系统试验研究,从沥青结合料粘度特性、混合料降温规律、压实特性及混合料性能来评价Evotherm温拌技术。

1 原材料

在沥青混合料中掺加DAT添加剂是美德维实伟克公司Evotherm温拌技术的第二代技术 (第一代技术为基于乳化平台温拌技术)。DAT添加剂主要包含改善沥青对石料裹附的成分、形成润滑结构实现低温可压实性的成分和改善沥青与石料粘附力的成分[3]。根据使用场合的不同,DAT添加剂固含量及与沥青的掺配比例亦不同。此次采用的DAT添加剂固含量为10%,根据厂家建议,与沥青的掺配比例为5∶95。

试验所用的改性沥青为SBS(I-D),石料为玄武岩,矿粉为石灰岩,性能检测结果分别见表1、表2。

表1 SBS(I-D)改性沥青性能检测结果

表2 集料性能检测结果

为了使试验结果具有可比性,温拌及热拌沥青混合料均采用AC-13C型 (组成见表3),沥青用量均为5.1%。

表3 级配组成

2 温拌剂对沥青粘度影响研究

测定SBS(I-D)改性沥青加入DAT添加剂前后的布氏粘度值,探究DAT添加剂对沥青粘度的影响。

2.1 沥青结合料的制备

试验分为两组,一组为SBS(I-D)改性沥青,另一组为掺加5%DAT添加剂的SBS(I-D)改性沥青。温拌沥青制备过程中,当添加剂与加热至150℃的改性沥青接触时,瞬时冒出白烟,并发出 “滋滋”声,用玻璃棒不断搅拌,使添加剂均匀分散在沥青中。DAT添加剂由表面活性成份和水组成,冒出的白烟,可能是蒸发的水汽所致。

2.2 结果分析

待试样冷却后,从低温到高温,选择不同的温度,检测沥青结合料的布氏粘度,结果见表4。

表4 不同温度下沥青结合料的布氏粘度

可以看出:当温度低于155℃时,DAT添加剂的加入使得沥青粘度降低,特别是温度越低,其降低的幅度越大。拌和过程中,虽然DAT添加剂中的大部分水被蒸发,但仍有部分残留水,添加剂中的表面活性剂富集于残留微量水和沥青的界面,在胶结料内部形成临时性水膜结构,它的存在会影响沥青的粘度,且温度越低,水膜润滑作用能够很大程度抵消沥青粘度增大的作用,从而实现低温施工的目的。

当温度为175℃时,加入DAT添加剂的沥青粘度增加,这是由于在该温度下临时水膜结构难易形成,此时温拌剂发挥不了降粘、润滑作用。

对试验数据进行趋势分析,DAT使沥青粘度不降低反而增加的温度拐点为156℃,高于该温度,DAT添加剂作用将失效。

3 混合料温度衰减特性研究

沥青路面施工中,当拌和好的混合料装入运料车时,它就开始接受太阳辐射、气温、风速等环境因素的影响,这些因素直接导致沥青混合料自身温度的衰减。而温度衰减速率的快慢,决定沥青路面有效压实时间的长短,进而影响到压实工艺的实施。利用室内模型,在同一环境条件下 (温度15℃,湿度75%),横向比较温拌及热拌沥青混合料自拌和,经碾压、静置,整个过程的温度衰减情况。

3.1 室内模型

沥青路面上面层厚度通常在4～6 cm之间,利用厚5 cm的车辙试件作为室内测温模型,并利用轮碾法成型过程模拟沥青路面现场施工过程。试件碾压前,将温度传感器埋入试模中部 (见图1),并每隔2分钟记录一次混合料内部温度,至温度降低到90℃为止。

图1 温度测定

3.2 结果分析

热拌及温拌沥青混合料温度衰减趋势见图2。

图2 沥青混合料温度衰减规律

图2 中,热拌沥青混合料从150℃降至90℃需40min,对于温拌沥青混合料,需54min。相同环境条件,温拌沥青混合料的有效压实时间比热拌沥青混合料长,即有效碾压操作时间延长。这意味着温拌沥青路面施工时,压实设备数量配置及组合与热拌沥青混合料相比,宜做相应调整。

4 混合料压实特性研究

沥青混合料的压实特性是指其在施工碾压和使用过程中体积参数的变化程度和稳定性,它反映了混合料碾压的难易程度[4]。采用AFG2CS旋转压实仪成试件,通过分析碾压次数、压实温度对混合料体积指标的影响来反映压实特性。

4.1 压实次数对体积指标的影响

在旋转压实成型过程中,电脑自动监控试件的高度,通过计算可得出不同旋转次数对应的试件压实度。当拌和温度为150℃,压实温度分别为80℃、140℃时,混合料的压实曲线如图3所示。

图3 压实曲线

可以看出:

(1)相同的压实次数,温拌沥青混合料压实度高于热拌沥青混合料,即在同一碾压温度和压实功作用下,温拌沥青混合料更容易被压实,施工时和易性更好。

(2)压实温度改变,温拌与热拌沥青混合料的压实度之差也随之改变。压实温度为140℃时,温拌与热拌沥青混合料的压实曲线比压实温度为80℃时更为接近。也就是压实温度越低,温拌沥青混合料容易被压实的这种特性更加明显。

4.2 压实温度对体积指标的影响

当拌和温度为150℃,成型温度为140℃、120℃、100℃、80℃时,分别测定温拌及热拌沥青混合料试件的毛体积密度,计算空隙率,结果见图4。

图4 混合料空隙率

可以得到:

(1)无论是温拌还是热拌沥青混合料,随着压实温度的升高,其空隙率均呈现明显的下降趋势。压实温度对混合料空隙率影响较大,施工过程中应严格控制。

(2)温拌沥青混合料的空隙率曲线均在热拌混合料之下,也就是,达到相同的空隙率,温拌沥青混合料的压实温度均低于热拌混合料。这是因为,温拌沥青混合料在拌和、压实过程中,DAT添加剂内含的化学包与水在热石料作用下,充分分散并形成润滑结构,降低了石料之间的摩阻力,使石料之间排列更加紧密,从而降低了混合料的空隙率,继而实现混合料工作温度的下降。

(3)温拌沥青混合料在100℃～120℃时,曲线较为平坦,空隙率变化不大。相对于热拌沥青混合料,温拌沥青混合料的空隙率在该温度范围内对温度不敏感。施工中,可对摊铺、碾压工艺做适当调整。

(4)规范要求AC-13C型沥青混合料的空隙率在4%～6%之间,粗略推算,温拌沥青混合料的压实温度比热拌沥青混合料下降了16℃～37℃。压实温度的降低,意味着燃料消耗降低,沥青路面施工对环境的负面影响随之减小。

5 沥青混合料性能研究

在本文试验条件下,为达到相同的空隙率4.5%,热拌及温拌沥青混合料压实温度分别为150℃、140℃。采用该成型温度,并利用表3级配,在沥青用量为5.1%时,对温拌及热拌沥青混合料进行高温、低温、水稳性能测试,结果见表5。

表5 沥青混合料性能

从表中可以得到:

(1)温拌与热拌沥青混合料的动稳定度值、破坏应变值相差不大,可以认为温拌与热拌沥青混合料的高温及低温抗裂性能相当。

(2)温拌沥青混合料的残留稳定度值及冻融劈裂强度比均大于热拌沥青混合料,这是由于温拌沥青混合料中的DAT添加剂包含改善沥青与石料粘附力的成份,使得温拌沥青混合料的水稳性优于热拌沥青混合料。

6 结 语

温拌沥青混合料作为一种节能、环保型材料,有着很好的发展前景和潜力,通过研究得到以下结论:

(1)Evotherm DAT添加剂对沥青具有降粘作用,但温度过高时,这种作用将失效。

(2)相同环境条件下,Evotherm温拌沥青混合料的有效压实时间比热拌沥青混合料长。

(3)同一碾压温度和压实功作用下,温拌比热拌沥青混合料更容易被压实,并且压实温度越低,这种特性更加明显。

(4)本文试验条件下,对于AC-13C型沥青混合料,在规范规定的空隙率范围内,Evotherm温拌沥青混合料与热拌沥青混合料相比,压实温度可实现16℃～37℃的降低。

(5)与热拌沥青混合料相比,Evotherm DAT温拌剂的添加并没有降低沥青混合料的高温和低温性能,而且在水稳定性能上还所提高。

[1]左锋,叶奋[编译].国外温拌沥青混合料技术与性能评价[J].中外公路,2007,27(6):164-168.

[2]许菲菲,刘黎萍,唐海威,等.温拌沥青混合料与热拌沥青混合料性能对比[J].公路工程,2009,34(3):73-82.

[3]陈莉莉.温拌沥青混合料在道路整治工程中的应用[J].中国市政工程,2008,(6):12-13.

[4]王维.SAK温拌沥青混合料压实性能分析[J].石油沥青,2009,23(1):23-26.