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    AC-20型改性泡沫沥青混合料配合比研究及应用
    2019年06月03日    阅读量:2066    新闻来源:沥青网 www.ktyjk.com  |  投稿

    拜仁纽伦堡 www.ktyjk.com 结合某高速公路工程项目,研究了 AC-20型改性泡沫沥青混合料配合比。通过测定沥青发泡的物理指标确定沥青最佳发泡条件。采用逐级填充法进行矿料级配设计,并进行马歇尔试验确定最佳油石比沥青网www.ktyjk.com。在相同体积参数下进行温拌与热拌沥青混合料的路用性能对比试验研究。将设计的配合比应用在对比试验路段的中面层,研究了泡沫沥青混合料的施工压实性能,并进行经济效益与环境效益分析。分析结果表明:AC-20型改性泡沫沥青混合料能够在较低的生产温度下成型,具有更强的高温抗车辙性能,其水稳定性、低温抗裂性、渗水性能、施工压实度与常规热拌改性沥青混合料的基本一致。


    1

    引言

    传统的热拌沥青混合料(hotmixtureasphalt,HMA)生产需要将沥青与集料加热到 160℃以上,消耗大量的能源并排放 CO2、沥青烟等废气,造成环境污染且危害周边人员的健康。沥青发泡技术是常用温拌技术之一,在沥青发泡设备中通入水与高压气体形成蒸汽泡,进入沥青输送管与热沥青相结合,热沥青附着在气泡表面形成泡沫沥青。泡沫沥青与普通沥青相比,黏度降低,集料与泡沫沥青能够在降低20~30℃的加热温度下拌合形成温拌沥青混合料(warm mixtureasphalt,WMA),可将能耗降低 30%以上,废气排放量减少 30%以上。由于气泡的介入与拌制温度的降低,使 WMA达到规范对 HMA各项性能的要求显得非常重要。


    欧洲于 1995年开始通过向沥青中掺加降黏剂生产 WMA,各项性能与 HMA一致,但生产成本却因降黏剂的使用增加 20%。美国于 2002年引入沥青温拌技术并逐步将沥青发泡技术发展成为沥青混合料降黏降温的主流形式。文献阐明了泡沫沥青的发泡原理,提出了沥青发泡特性的评价指标和影响因素。文献对泡沫沥青稳定材料的抗拉与抗压力学特性进行了试验研究。泡沫沥青温拌技术在冷再生路面及低等级路面中的研究与应用已经相对成熟,但其应用于高等级路面的相关路用性能的研究与配合比设计方法的阐述仍不完善。依托德商(德州—商丘)高速公路某标段工程,厂拌生产规格为 AC-20型的温拌泡沫沥青混合料,应用于高速公路的中面层。本文对泡沫沥青混合料生产配合比的设计过程以及该配合比下混合料各项路用性能进行了研究,验证了泡沫沥青混合料的各项性能能够达到高速公路对同等级热拌沥青混合料的规范设计要求,且在生产与施工过程中能够带来可观的经济效益与环境效益。


    1 原材料


    1.1 沥青


    该工程项目采用山东高速物资储运有限公司生产的 70-A道路石油沥青。依据 JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》

    中沥青相关试验方法,对所用沥青进行质量检测。沥青主要技术指标如下:针入度(25℃,100g,5s),5.4mm;延度(5℃,5cm/min),29cm;软化点(R&B),79.6℃;闪点,305℃;运动黏度(135℃),2.3Pa·S;溶解度,99.93%;密度(15℃),1.036g/m3。该沥青各项试验结果满足规范要求,沥青质量合格。


    1.2 集料


    所用集料为不同粒径石灰岩碎石与矿粉,产自山东省东平县蓝天石料加工责任有限公司。集料经加热、除尘、筛分后进入热料仓,取各热料仓的料进行筛分、压碎值测定、针片状颗粒质量分数测定以及密度试验。集料各指标测定值如表 1所示。


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    泡沫沥青在与集料拌合的过程中,沥青黏附在碎石与矿粉的表面,形成沥青胶浆薄膜,从而对粗细集料产生黏聚作用,因此,选用优质的集料与矿粉,对于提高温拌泡沫沥青混合料的强度具有重要作用。由表 1可以看出:4号仓与 5号仓集料压碎值分别为 18.3%和 19.5%,均小于规范(26%);各仓针片状颗粒质量分数均小于规范(15%);各仓表观相对密度均大于规范(2.6)。

    2

    配合比设计


    2.1 确定最佳发泡条件


    规定沥青发泡过程中的膨胀率与半衰期两项物理指标用于评价沥青发泡效果,膨胀率越大、半衰期越长,则发泡效果越好。在沥青加热温度 165℃、175℃,发泡用水量 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(相对于沥青的质量分数,下同)条件下,选择满足这两项指标要求的最佳沥青加热温度与发泡用水量。发泡用水量、加热温度与半衰期、膨胀率的关系如图 1所示。


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    通过图 1的试验结果可以看出:随着发泡用水量的增加,泡沫沥青膨胀率增加但是半衰期缩短;加热温度升高则膨胀率降低,半衰期延长。综合考虑选择使两项指标都达到较高标准且较为接近的发泡条件:发泡用水量 1.0%,沥青加热温度 165℃。此条件下泡沫沥青半衰期为 26.7s,远大于规范(8s);膨胀率为 14.2倍,大于规范(10倍)。故沥青最佳加热温度为 165℃,最佳发泡用水量为1.0%。


    2.2 矿料级配设计


    逐级填充理论认为混合料空隙率与粒子大小无关,仅与不同粒径矿料的掺和比例有关。大粒径矿料嵌挤形成的空隙应由一定比例的小一级粒径的矿料填充,比例过大则大小粒径颗粒之间会发生粒子干涉现象;比例过小则矿料间隙填充不充分,需要更多的小粒径及矿粉来填充。


    根据矿料筛分结果,进行多组逐级填充试验确定各粒径矿料的大致比例,并采用人机对话方式进行生产合成级配优化确定生产合成级配。各种材料比例为 w(5号仓热料)∶w(4号仓热料)∶w(3号仓热料)∶w(2号仓热料)∶w(1号仓热料)∶w(矿粉)=21.0∶18.0∶20.0∶14.0∶23.5∶3.5。此矿料级配同时用于热拌沥青混合料与温拌泡沫沥青混合料,AC-20型沥青混合料矿料级配组成如图 2所示。


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    2.3 最佳油石比确定


    采用 4.3%、4.6%和 4.9%的沥青用量,拌和泡沫沥青混合料并进行马歇尔试验,测得不同油石比成型的标准马歇尔试块的毛体积相对密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度及流值,试验结果如表 2所示。


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    毛体积相对密度越大、空隙率越小,则试块越密实;稳定度越大、流值越小,则成型的试块越抗压、强度更大、抗变形能力更强。根据表 2的试验结果可以看出:油石比为 4.6%时,泡沫沥青混合料毛体积相对密度与稳定度较高,流值与空隙率较低。4.6%油石比成型的泡沫沥青混合料标准马歇尔试块的毛体积相对密度为 2.403,混合料空隙率为 5.1%,矿料间隙率为 14.2%,稳定度为13.5,流值为 3.54mm,沥青饱和度为 68.4%,主要指标均达到规范要求。4.6%的最佳油石比确定后,得出本次设计的配合比,w(沥青发泡用水量)∶w(沥青用量)∶w(集料)=0.046∶4.6∶100。


    3

    试验检测

    3.1 水稳定性检验

    按照设计配合比拌和热拌改性沥青混合料与温拌泡沫沥青混合料,并制作 X101.6mm×63.5mm标准马歇尔试块,对两种试块进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。


    经过浸水马歇尔试验的热拌改性沥青混合料试块的残留稳定度为 87.1%,温拌泡沫沥青混合料试件的残留稳定度为 86.5%,均大于规范技术要求的 85%。经过冻融劈裂试验的热拌改性沥青混合料试件的冻融劈裂强度比为 91.2%,温拌泡沫沥青混合料试件的冻融劈裂强度比为 86.3%,均远大于规范技术要求的 80%。表明温拌泡沫沥青混合料的水稳定性略微低于热拌改性沥青混合料,但仍超过规范要求的技术标准。


    3.2 高温性能检验


    按 4.6%油石比拌和两种混合料,并根据规范要求制作 300mm×300mm×50mm标准车辙板试块,将试块放入全自动车辙试验仪进行高温车辙试验,检验混合料在重复荷载下的抗变形能力。


    经标准车辙试验后的热拌改性沥青混合料车辙板试块的动稳定度为 5575次 /mm,温拌泡沫沥青混合料车辙板试块的动稳定度为 6054次 /mm,均远远大于规范技术要求的 3000次 /mm。泡沫沥青温拌技术的应用使沥青混合料在重复荷载下的高温抗变形性能有所提高,温拌泡沫沥青路面具有比热拌改性沥青路面更强的抗车辙能力。


    3.3 低温性能检验


    参照 JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的 T0715—2011沥青混合料弯曲试验来评定泡沫沥青混合料的低温抗裂性。将按 4.6% 的油石比成型的车辙试件切割成尺寸为250mm×30mm×35mm棱柱体小梁试件,将小梁试件放入 -10℃冰箱中冷冻 12h,采用马歇尔自动试验机换上弯曲试验压条,以 50mm/min速率对冷冻的小梁试件加载,进行低温弯曲试验,结果如表 3所示。


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    由表 3的试验结果可知:温拌泡沫沥青混合料的最大 弯 拉 应 变 为 2785με,抗 弯 拉 强 度 为 9.02MPa,均略小于热拌改性沥青混合料。热沥青经发泡处理后,沥青混合料的最大弯拉应变与抗弯拉强度分别下降了 358με与0.93MPa。由于集料加热温度的降低,集料颗粒不能完全烘干,泡沫沥青与集料间残留的水分影响其相互黏附。温拌成型的泡沫沥青混合料内部空隙率要大于热拌沥青混合料,混合料内部因空隙的存在导致材料内部的不均匀性增加,从而导致泡沫温拌沥青混合料低温抗裂性降低,但泡沫沥青混合料的最大弯拉应变仍大于规范要求的 2500με。


    3.4 渗水性能检验


    沥青路面的渗水性能是指沥青路面的压力水渗透能力,主要反映了混合料矿料级配组成的合理性,在一定程度上反映了沥青混合料的水稳定性。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0730—2011,使用路面渗水仪对沥青混合料进行渗水试验,所得渗水系数用于评价混合料的渗水性能,渗水系数越大,混合料内部越易受水侵蚀。


    试验得热拌改性沥青混合料的渗水系数为 60.3mL/min,而温拌泡沫沥青混合料的渗水系数为69.2mL/min,热拌改性沥青混合料的防水渗透性能要好于温拌泡沫沥青混合料。由于沥青混合料的渗水性能与混合料内部的连通空隙率密切相关,连通空隙率越大,混合料的渗水系数就越大,水就更容易渗入结构层,引起沥青路面的水破坏。泡沫沥青混合料由于生产温度的降低和集料之间水分的存在,制作出的试件的空隙率要大于热拌改性沥青混合料试件的空隙率,造成其渗水系数略微大于热拌改性沥青混合料,但两种混合料的渗水系数都远远满足规范小于 120mL/min的要求。


    4

    工程应用

    使用该配合比厂拌生产温拌泡沫沥青混合料与常规热拌沥青混合料铺筑高速公路试验路段。与德商高速夏津至聊城 段 路 面 工 程 一 标 段 合 作,于 夏 津 入 口 处 铺 筑200m温拌泡沫沥青混合料与常规热拌沥青混合料的对比试验路段,对路面渗水状况与面层施工压实度进行观察与试验,对比试验路段见图 3。试验结果显示:温拌泡沫沥青混合料在施工过程中产生的沥青烟明显少于热拌沥青混合料,铺好的路面温度比热拌沥青混合料的路面低 30℃以上,两种混合料的实际铺筑效果与使用状况均无差异,在该配合比下泡沫沥青混合料能够投入高等级路面使用。


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    在该试验路段上通过钻芯法测定沥青面层压实度,研究温拌泡沫沥青在实际工程铺筑中的压实效果。采用道路钻孔取芯机对温拌泡沫沥青中面层与热拌改性沥青中面层的 4个测点取样,对钻取的沥青混合料芯样试件进行密度测定,测得温拌泡沫沥青混合料与常规热拌改性沥青混合料的路面理论密度压实度分别为 92.2和与 92.3,均大于规范要求的 92。温拌泡沫沥青路面的标准密度压实度略微高于热拌改性沥青路面的标准密度压实度,分别为 97.6与 96.3。试验结果显示:温拌泡沫沥青混合料施工压实度与热拌改性沥青混合料基本一致,完全满足规范的要求。


    4.2 经济效益与环境效益分析


    根据夏津至聊城路面工程一标段现场拌和站生产 HMA与 WMA的能耗数据,通过耗气量计算出每生产 1t沥青混合料的耗气成本与 CO2、NOX、SO2 的排放量,进行经济效益和环境效益分析,如表 4所示。


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    由表 4的计算结果可得:每生产 1t泡沫沥青温拌混合料比热拌沥青混合料耗气量减少 2.4m3,节省 8.592元,降低耗气成本 30.77%,CO2、NOX、SO2 的排放也减少了 30%以上。采用沥青发泡设备与传统间歇式沥青拌和站结合生产温拌泡沫沥青混合料,减少了天然气的消耗,降低了混合料的生产成本,具有很好的经济效益。大量减少温室气体的排放,实现了沥青混合料的低碳生产,环境效益显著。


    5

    结论

    (1)沥青在加热温度 165℃、发泡用水量 1.0%条件下能够达到最佳发泡效果,在此条件下泡沫沥青的膨胀率与半衰期两项指标达到最佳,完全满足技术要求。


    (2)4.6%的油石比为本研究所用集料和沥青的最佳油石比,在此油石比下混合料的各项指标和马歇尔试验性能达到最佳。


    (3)w(沥青发泡用水量)∶w(沥青用量)∶w(集料)=0.046∶4.6∶100配合比下,温拌泡沫沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性能、渗水性能与常规热拌沥青混合料基本一致,其高温抗车辙性能高于热拌沥青混合料,两种混合料的各项性能完全满足规范的要求。泡沫沥青试验路段的路面压实度达到规范对同级配热拌沥青混合料的要求。


    (4)与热拌相比,温拌生产泡沫沥青混合料耗气成本降低 30.77%,CO2 等气体排放减少 30%以上,具有更好的经济效益与环境效益。


    标签:技术中心,温拌沥青
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