发泡温拌沥青混合料Superpave设计与性能研究

高启聚,宋旭艳

(1.苏州科技大学道路工程研究中心,江苏苏州 215011;2.苏州科技大学土木工程学院,江苏苏州 215011)

发泡温拌沥青混合料Superpave设计与性能研究

高启聚1,宋旭艳2

(1.苏州科技大学道路工程研究中心,江苏苏州 215011;2.苏州科技大学土木工程学院,江苏苏州 215011)

以Superpave沥青混合料设计方法和SUP-13混合料为基础,4%空隙率为设计体积指标,确定发泡温拌沥青混合料的拌和与击实温度,并对发泡温拌沥青混合料的水稳定性、动稳定度和低温弯曲性能进行检验,利用Superpave旋转压实曲线分析发泡温拌沥青混合料的压实特性.研究结果表明:在低于21℃的情况下,发泡温拌沥青混合料的压实效果与热拌沥青混合料的路用性能差异较小,发泡温拌沥青混合料可用于沥青路面温拌施工.

Superpave设计;发泡沥青;压实特性;路用性能

0 引 言

温拌沥青混合料施工技术可以降低施工过程中的能源消耗,大大减少有害气体的排放,降低对施工人员的健康危害,同时具有施工不受季节影响等优点,且与热拌沥青混合料性能相当,因此在道路施工领域得到了广泛应用.目前,沥青混合料的温拌施工主要是通过添加化学温拌剂的方法实现[1-5];但是化学温拌剂价格昂贵,导致沥青混合料的生产成本较高,且由于其成分复杂,与沥青发生化学反应带来的负面影响尚不甚明了.为了弥补上述不足,发泡温拌沥青混合料施工技术应运而生.该技术通过沥青发泡设备制备泡沫沥青作为胶结料,再与集料拌和制备沥青混合料.由于泡沫沥青比原样沥青黏度低,故提高了混合料的拌和和易性,因而可以在低于热拌沥青混合料20℃～30℃的温度下摊铺、碾压,从而实现沥青混合料温拌施工.沥青发泡所用原材料仅有沥青和水,且发泡是一个物理过程,不会导致沥青成分的变化,同时发泡设备的费用只需一次性投入,无需每次生产时购买温拌材料,大大降低了工程造价,性价比较高.由于发泡温拌技术在国外的研究和应用较多[6-7],国内主要应用泡沫沥青在常温状态下稳定路面基层材料,在沥青混合料温拌施工方面研究得较少.因此,研究发泡温拌沥青混合料设计方法,探讨其降温机理和路用性能,对于促进发泡温拌沥青混合料施工技术在中国的推广应用具有重要意义.

1 试验材料及设备

1．1 试验材料

试验采用SBS改性沥青,相对密度为1．031.集料类型为玄武岩,规格分别为0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm.填充料为石灰岩矿粉,同时加入混合料总质量1．5%的石灰粉,以增加混合料的抗水损害能力,各种集料的密度试验结果见表1.

表1 集料密度试验结果

1．2 沥青发泡工艺

采用自主研发并已申请发明专利的沥青发泡机(图1),利用膨胀率和半衰期评价沥青发泡效果.根据有关研究结果[8],SBS改性沥青的发泡工艺参数如下:发泡温度为170℃～175℃,发泡用水量为沥青质量的1．5%.图2为发泡后的改性沥青,表2为发泡沥青发泡效果评价指标.

图1 室内沥青发泡机

图2 发泡沥青

表2 发泡沥青指标

2 试验研究

2．1 沥青基本指标测试

测试发泡沥青和未发泡沥青的基本技术指标,结果如表3所示.可以看出,无论是发泡改性沥青还是原样改性沥青,其技术指标均满足SBS改性沥青的基本要求.

表3 沥青基本指标测试结果

2．2 基于Superpave法的温拌发泡沥青混合料设计

2．2．1 确定拌和与击实温度

沥青混合料的设计类型为Sup-13型,集料分为10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm,其与矿粉的比例为32∶23∶8∶36∶1,合成级配见表4.

拟定4．3%、4．8%、5．3%、5．8%四个沥青含量,按照拌和温度170℃、碾压温度160℃进行旋转压实试件成型,并进行相关技术指标测试.根据空隙率4.0%的控制指标,确定对应的沥青用量为4.9%,对应体积指标见表5.采用最佳沥青用量4.9%成型试件,并对试件进行路用性能试验,结果见表6.

表4 合成级配

表5 最佳沥青用量对应的体积指标

表6 热拌混合料性能试验结果

由表5、6可以看出,在沥青用量为4．9%时,相应的体积指标和路用性能试验结果均满足要求.采用最佳沥青用量,分别在160℃、145℃、130℃、115℃四个温度下进行温拌发泡沥青混合料的旋转压实成型,所对应的拌和温度分别为170℃、155℃、140℃和125℃,其体积指标试验结果见表7.

表7 不同压实温度下沥青混合料体积指标

根据上述试验结果,对发泡温拌混合料空隙率随压实温度的变化曲线进行统计回归,如图3所示,所得线性回归方程式为

式中:T为击实温度(℃);V为空隙率(%).

根据空隙率4．0%的控制指标,利用式(1)计算得到最佳击实温度为138℃.由于实际工程施工中拌和温度比压实温度高10℃左右,因此温拌沥青混合料的拌和温度为148℃.

图3 发泡温拌沥青混合料空隙率与压实温度的关系

2．2．2 路用性能试验

采用最佳沥青用量4.9%,在确定的发泡温拌沥青混合料的拌和与击实温度下进行路用性能试验,结果见表8.

表8 温拌混合料路用性能试验结果

由表8的试验结果可以看出,所有指标均满足要求,说明利用发泡温拌沥青混合料可以在低于热拌沥青混合料21℃的情况下进行拌和与施工,并与热拌沥青混合料效果相同.

3 试验结果分析

3．1 沥青试验结果分析

发泡改性沥青和原样改性沥青基本技术指标试验结果比较,如图4所示.由图4可以看出:与原样改性沥青相比,发泡沥青的针入度略大,延度略小,但与原样改性沥青差别并不明显;软化点具有明显差异,且发泡沥青的软化点要比原样改性沥青小5℃.究其原因是由于:发泡沥青在发泡过程中产生了微气泡并存在于沥青中,微气泡导致发泡沥青黏性降低,增加了沥青的和易性,从而在低于原样沥青软化点的温度下更易于软化,也更适于在较低的温度下与集料拌和.

图4 发泡沥青试验结果

3．2 旋转压实性能试验结果分析

通过与热拌原样改性沥青混合料压实效果比较的方式,探讨发泡温拌改性沥青混合料的压实效果.试验采用2种压实方案:在138℃的压实温度(即发泡温拌沥青混合料采用的压实温度)下分别对发泡温拌沥青混合料和热拌原样沥青混合料进行压实,试验结果见图5;另一种是在160℃的压实温度(即热拌沥青混合料采用的压实温度)下压实热拌沥青混合料,在138℃的压实温度(即发泡温拌沥青混合料采用的压实温度)下压实发泡温拌沥青混合料,试验结果见图6.

图5 138℃成型温度下混合料压实度变化曲线

图6 138℃和160℃成型温度下混合料压实度变化曲线

由图5可知,在138℃压实温度下,随着压实次数的增加,发泡温拌改性沥青混合料的压实度始终大于热拌原样改性沥青混合料的压实度,且相同压实次数下的压实度差值率近2%,说明发泡温拌沥青混合料在低于热拌原样沥青混合料的压实温度下更易于压实.由图6可知,压实次数达到80次之前,发泡温拌沥青混合料在138℃下的压实度与热拌沥青混合料在160℃下的压实度有略微差异;但随着压实次数的增加,2种混合料的压实度趋于一致,且在压实结束时表现出相同的压实度.由此说明,发泡温拌沥青混合料在低于热拌沥青混合料的压实温度下可以达到与热拌沥青混合料同样的压实效果.

3．3 路用性能试验结果分析

发泡温拌改性沥青混合料和热拌改性沥青混合料的路用性能试验比较,结果如图7所示.

图7 路用性能试验结果

从图7可以看出:由于加入了石灰,发泡温拌沥青混合料和热拌沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比等水稳定性技术指标并无显著差异,试验结果较为接近;但是在满足技术标准要求的基础上,发泡温拌沥青混合料的车辙试验和小梁低温弯曲试验结果均小于热拌沥青混合料.

4 结 语

以Superpave沥青混合料设计方法和Sup-13混合料类型为基础,设计了热拌改性沥青混合料,并以空隙率4.0%为体积指标,确定了发泡温拌改性沥青混合料的拌和与击实温度,进行了发泡温拌改性沥青混合料的路用性能检验.同时利用Superpave旋转压实特性曲线,通过与热拌改性沥青混合料的对比,论证了发泡温拌沥青混合料的压实效果完全可以达到热拌沥青混合料的压实效果,且路用性能试验结果表明发泡温拌沥青混合料的路用性能完全满足技术标准要求.发泡温拌沥青混合料施工技术可以用于沥青路面的温拌施工,与化学温拌法相比,不仅价格低廉,操作方便,而且节能减排,能够保护施工人员身体健康,可谓一劳永逸,因此发泡温拌沥青混合料施工技术将具有更广阔的应用前景.

[1] 丁宪德．添加剂CecasaseRT在温拌中的应用介绍[J]．山东交通科技,2010(4):43-45．

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[3] 冯彦彦,王二赞,李阿敏．Aspha-min温拌剂对沥青及沥青混合料性能的影响[J]．福建建材,2012(12):19-20．

[4] 李善强,田卿燕,方 杨,等．温拌沥青改性剂Sasowam与Sasobit性能对比分析[J]．广东公路交通,2013(4):1-3．

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[6] 张震韬,霍永成,李九苏,等．温拌发泡沥青混合料应用研究综述[J]．公路交通科技:应用技术版,2013(S1):56-58．

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[责任编辑: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

住房和城乡建设部科技项目(2014-k5-023)

高启聚(1973-),男,山东梁山人,工学博士,副教授,研究方向为路面结构与材料.