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AC-20型改性泡沫瀝青混合料配合比研究及應用
2019年06月03日    閱讀量:2102    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

結合某高速公路工程項目,研究了 AC-20型改性泡沫瀝青混合料配合比。通過測定瀝青發泡的物理指標確定瀝青最佳發泡條件。采用逐級填充法進行礦料級配設計,并進行馬歇爾試驗確定最佳油石比瀝青網sinoasphalt.com。在相同體積參數下進行溫拌與熱拌瀝青混合料的路用性能對比試驗研究。將設計的配合比應用在對比試驗路段的中面層,研究了泡沫瀝青混合料的施工壓實性能,并進行經濟效益與環境效益分析。分析結果表明:AC-20型改性泡沫瀝青混合料能夠在較低的生產溫度下成型,具有更強的高溫抗車轍性能,其水穩定性、低溫抗裂性、滲水性能、施工壓實度與常規熱拌改性瀝青混合料的基本一致。


1

引言

傳統的熱拌瀝青混合料(hotmixtureasphalt,HMA)生產需要將瀝青與集料加熱到 160℃以上,消耗大量的能源并排放 CO2、瀝青煙等廢氣,造成環境污染且危害周邊人員的健康。瀝青發泡技術是常用溫拌技術之一,在瀝青發泡設備中通入水與高壓氣體形成蒸汽泡,進入瀝青輸送管與熱瀝青相結合,熱瀝青附著在氣泡表面形成泡沫瀝青。泡沫瀝青與普通瀝青相比,黏度降低,集料與泡沫瀝青能夠在降低20~30℃的加熱溫度下拌合形成溫拌瀝青混合料(warm mixtureasphalt,WMA),可將能耗降低 30%以上,廢氣排放量減少 30%以上。由于氣泡的介入與拌制溫度的降低,使 WMA達到規范對 HMA各項性能的要求顯得非常重要。


歐洲于 1995年開始通過向瀝青中摻加降黏劑生產 WMA,各項性能與 HMA一致,但生產成本卻因降黏劑的使用增加 20%。美國于 2002年引入瀝青溫拌技術并逐步將瀝青發泡技術發展成為瀝青混合料降黏降溫的主流形式。文獻闡明了泡沫瀝青的發泡原理,提出了瀝青發泡特性的評價指標和影響因素。文獻對泡沫瀝青穩定材料的抗拉與抗壓力學特性進行了試驗研究。泡沫瀝青溫拌技術在冷再生路面及低等級路面中的研究與應用已經相對成熟,但其應用于高等級路面的相關路用性能的研究與配合比設計方法的闡述仍不完善。依托德商(德州—商丘)高速公路某標段工程,廠拌生產規格為 AC-20型的溫拌泡沫瀝青混合料,應用于高速公路的中面層。本文對泡沫瀝青混合料生產配合比的設計過程以及該配合比下混合料各項路用性能進行了研究,驗證了泡沫瀝青混合料的各項性能能夠達到高速公路對同等級熱拌瀝青混合料的規范設計要求,且在生產與施工過程中能夠帶來可觀的經濟效益與環境效益。


1 原材料


1.1 瀝青


該工程項目采用山東高速物資儲運有限公司生產的 70-A道路石油瀝青。依據 JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》

中瀝青相關試驗方法,對所用瀝青進行質量檢測。瀝青主要技術指標如下:針入度(25℃,100g,5s),5.4mm;延度(5℃,5cm/min),29cm;軟化點(R&B),79.6℃;閃點,305℃;運動黏度(135℃),2.3Pa·S;溶解度,99.93%;密度(15℃),1.036g/m3。該瀝青各項試驗結果滿足規范要求,瀝青質量合格。


1.2 集料


所用集料為不同粒徑石灰巖碎石與礦粉,產自山東省東平縣藍天石料加工責任有限公司。集料經加熱、除塵、篩分后進入熱料倉,取各熱料倉的料進行篩分、壓碎值測定、針片狀顆粒質量分數測定以及密度試驗。集料各指標測定值如表 1所示。


AC-20型改性泡沫瀝青混合料配合比研究及應用 瀝青網,sinoasphalt.com


泡沫瀝青在與集料拌合的過程中,瀝青黏附在碎石與礦粉的表面,形成瀝青膠漿薄膜,從而對粗細集料產生黏聚作用,因此,選用優質的集料與礦粉,對于提高溫拌泡沫瀝青混合料的強度具有重要作用。由表 1可以看出:4號倉與 5號倉集料壓碎值分別為 18.3%和 19.5%,均小于規范(26%);各倉針片狀顆粒質量分數均小于規范(15%);各倉表觀相對密度均大于規范(2.6)。

2

配合比設計


2.1 確定最佳發泡條件


規定瀝青發泡過程中的膨脹率與半衰期兩項物理指標用于評價瀝青發泡效果,膨脹率越大、半衰期越長,則發泡效果越好。在瀝青加熱溫度 165℃、175℃,發泡用水量 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(相對于瀝青的質量分數,下同)條件下,選擇滿足這兩項指標要求的最佳瀝青加熱溫度與發泡用水量。發泡用水量、加熱溫度與半衰期、膨脹率的關系如圖 1所示。


AC-20型改性泡沫瀝青混合料配合比研究及應用 瀝青網,sinoasphalt.com


通過圖 1的試驗結果可以看出:隨著發泡用水量的增加,泡沫瀝青膨脹率增加但是半衰期縮短;加熱溫度升高則膨脹率降低,半衰期延長。綜合考慮選擇使兩項指標都達到較高標準且較為接近的發泡條件:發泡用水量 1.0%,瀝青加熱溫度 165℃。此條件下泡沫瀝青半衰期為 26.7s,遠大于規范(8s);膨脹率為 14.2倍,大于規范(10倍)。故瀝青最佳加熱溫度為 165℃,最佳發泡用水量為1.0%。


2.2 礦料級配設計


逐級填充理論認為混合料空隙率與粒子大小無關,僅與不同粒徑礦料的摻和比例有關。大粒徑礦料嵌擠形成的空隙應由一定比例的小一級粒徑的礦料填充,比例過大則大小粒徑顆粒之間會發生粒子干涉現象;比例過小則礦料間隙填充不充分,需要更多的小粒徑及礦粉來填充。


根據礦料篩分結果,進行多組逐級填充試驗確定各粒徑礦料的大致比例,并采用人機對話方式進行生產合成級配優化確定生產合成級配。各種材料比例為 w(5號倉熱料)∶w(4號倉熱料)∶w(3號倉熱料)∶w(2號倉熱料)∶w(1號倉熱料)∶w(礦粉)=21.0∶18.0∶20.0∶14.0∶23.5∶3.5。此礦料級配同時用于熱拌瀝青混合料與溫拌泡沫瀝青混合料,AC-20型瀝青混合料礦料級配組成如圖 2所示。


AC-20型改性泡沫瀝青混合料配合比研究及應用 瀝青網,sinoasphalt.com

2.3 最佳油石比確定


采用 4.3%、4.6%和 4.9%的瀝青用量,拌和泡沫瀝青混合料并進行馬歇爾試驗,測得不同油石比成型的標準馬歇爾試塊的毛體積相對密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩定度及流值,試驗結果如表 2所示。


AC-20型改性泡沫瀝青混合料配合比研究及應用 瀝青網,sinoasphalt.com


毛體積相對密度越大、空隙率越小,則試塊越密實;穩定度越大、流值越小,則成型的試塊越抗壓、強度更大、抗變形能力更強。根據表 2的試驗結果可以看出:油石比為 4.6%時,泡沫瀝青混合料毛體積相對密度與穩定度較高,流值與空隙率較低。4.6%油石比成型的泡沫瀝青混合料標準馬歇爾試塊的毛體積相對密度為 2.403,混合料空隙率為 5.1%,礦料間隙率為 14.2%,穩定度為13.5,流值為 3.54mm,瀝青飽和度為 68.4%,主要指標均達到規范要求。4.6%的最佳油石比確定后,得出本次設計的配合比,w(瀝青發泡用水量)∶w(瀝青用量)∶w(集料)=0.046∶4.6∶100。


3

試驗檢測

3.1 水穩定性檢驗

按照設計配合比拌和熱拌改性瀝青混合料與溫拌泡沫瀝青混合料,并制作 X101.6mm×63.5mm標準馬歇爾試塊,對兩種試塊進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。


經過浸水馬歇爾試驗的熱拌改性瀝青混合料試塊的殘留穩定度為 87.1%,溫拌泡沫瀝青混合料試件的殘留穩定度為 86.5%,均大于規范技術要求的 85%。經過凍融劈裂試驗的熱拌改性瀝青混合料試件的凍融劈裂強度比為 91.2%,溫拌泡沫瀝青混合料試件的凍融劈裂強度比為 86.3%,均遠大于規范技術要求的 80%。表明溫拌泡沫瀝青混合料的水穩定性略微低于熱拌改性瀝青混合料,但仍超過規范要求的技術標準。


3.2 高溫性能檢驗


按 4.6%油石比拌和兩種混合料,并根據規范要求制作 300mm×300mm×50mm標準車轍板試塊,將試塊放入全自動車轍試驗儀進行高溫車轍試驗,檢驗混合料在重復荷載下的抗變形能力。


經標準車轍試驗后的熱拌改性瀝青混合料車轍板試塊的動穩定度為 5575次 /mm,溫拌泡沫瀝青混合料車轍板試塊的動穩定度為 6054次 /mm,均遠遠大于規范技術要求的 3000次 /mm。泡沫瀝青溫拌技術的應用使瀝青混合料在重復荷載下的高溫抗變形性能有所提高,溫拌泡沫瀝青路面具有比熱拌改性瀝青路面更強的抗車轍能力。


3.3 低溫性能檢驗


參照 JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的 T0715—2011瀝青混合料彎曲試驗來評定泡沫瀝青混合料的低溫抗裂性。將按 4.6% 的油石比成型的車轍試件切割成尺寸為250mm×30mm×35mm棱柱體小梁試件,將小梁試件放入 -10℃冰箱中冷凍 12h,采用馬歇爾自動試驗機換上彎曲試驗壓條,以 50mm/min速率對冷凍的小梁試件加載,進行低溫彎曲試驗,結果如表 3所示。


AC-20型改性泡沫瀝青混合料配合比研究及應用 瀝青網,sinoasphalt.com

由表 3的試驗結果可知:溫拌泡沫瀝青混合料的最大 彎 拉 應 變 為 2785με,抗 彎 拉 強 度 為 9.02MPa,均略小于熱拌改性瀝青混合料。熱瀝青經發泡處理后,瀝青混合料的最大彎拉應變與抗彎拉強度分別下降了 358με與0.93MPa。由于集料加熱溫度的降低,集料顆粒不能完全烘干,泡沫瀝青與集料間殘留的水分影響其相互黏附。溫拌成型的泡沫瀝青混合料內部空隙率要大于熱拌瀝青混合料,混合料內部因空隙的存在導致材料內部的不均勻性增加,從而導致泡沫溫拌瀝青混合料低溫抗裂性降低,但泡沫瀝青混合料的最大彎拉應變仍大于規范要求的 2500με。


3.4 滲水性能檢驗


瀝青路面的滲水性能是指瀝青路面的壓力水滲透能力,主要反映了混合料礦料級配組成的合理性,在一定程度上反映了瀝青混合料的水穩定性。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的T0730—2011,使用路面滲水儀對瀝青混合料進行滲水試驗,所得滲水系數用于評價混合料的滲水性能,滲水系數越大,混合料內部越易受水侵蝕。


試驗得熱拌改性瀝青混合料的滲水系數為 60.3mL/min,而溫拌泡沫瀝青混合料的滲水系數為69.2mL/min,熱拌改性瀝青混合料的防水滲透性能要好于溫拌泡沫瀝青混合料。由于瀝青混合料的滲水性能與混合料內部的連通空隙率密切相關,連通空隙率越大,混合料的滲水系數就越大,水就更容易滲入結構層,引起瀝青路面的水破壞。泡沫瀝青混合料由于生產溫度的降低和集料之間水分的存在,制作出的試件的空隙率要大于熱拌改性瀝青混合料試件的空隙率,造成其滲水系數略微大于熱拌改性瀝青混合料,但兩種混合料的滲水系數都遠遠滿足規范小于 120mL/min的要求。


4

工程應用

使用該配合比廠拌生產溫拌泡沫瀝青混合料與常規熱拌瀝青混合料鋪筑高速公路試驗路段。與德商高速夏津至聊城 段 路 面 工 程 一 標 段 合 作,于 夏 津 入 口 處 鋪 筑200m溫拌泡沫瀝青混合料與常規熱拌瀝青混合料的對比試驗路段,對路面滲水狀況與面層施工壓實度進行觀察與試驗,對比試驗路段見圖 3。試驗結果顯示:溫拌泡沫瀝青混合料在施工過程中產生的瀝青煙明顯少于熱拌瀝青混合料,鋪好的路面溫度比熱拌瀝青混合料的路面低 30℃以上,兩種混合料的實際鋪筑效果與使用狀況均無差異,在該配合比下泡沫瀝青混合料能夠投入高等級路面使用。


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在該試驗路段上通過鉆芯法測定瀝青面層壓實度,研究溫拌泡沫瀝青在實際工程鋪筑中的壓實效果。采用道路鉆孔取芯機對溫拌泡沫瀝青中面層與熱拌改性瀝青中面層的 4個測點取樣,對鉆取的瀝青混合料芯樣試件進行密度測定,測得溫拌泡沫瀝青混合料與常規熱拌改性瀝青混合料的路面理論密度壓實度分別為 92.2和與 92.3,均大于規范要求的 92。溫拌泡沫瀝青路面的標準密度壓實度略微高于熱拌改性瀝青路面的標準密度壓實度,分別為 97.6與 96.3。試驗結果顯示:溫拌泡沫瀝青混合料施工壓實度與熱拌改性瀝青混合料基本一致,完全滿足規范的要求。


4.2 經濟效益與環境效益分析


根據夏津至聊城路面工程一標段現場拌和站生產 HMA與 WMA的能耗數據,通過耗氣量計算出每生產 1t瀝青混合料的耗氣成本與 CO2、NOX、SO2 的排放量,進行經濟效益和環境效益分析,如表 4所示。


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由表 4的計算結果可得:每生產 1t泡沫瀝青溫拌混合料比熱拌瀝青混合料耗氣量減少 2.4m3,節省 8.592元,降低耗氣成本 30.77%,CO2、NOX、SO2 的排放也減少了 30%以上。采用瀝青發泡設備與傳統間歇式瀝青拌和站結合生產溫拌泡沫瀝青混合料,減少了天然氣的消耗,降低了混合料的生產成本,具有很好的經濟效益。大量減少溫室氣體的排放,實現了瀝青混合料的低碳生產,環境效益顯著。


5

結論

(1)瀝青在加熱溫度 165℃、發泡用水量 1.0%條件下能夠達到最佳發泡效果,在此條件下泡沫瀝青的膨脹率與半衰期兩項指標達到最佳,完全滿足技術要求。


(2)4.6%的油石比為本研究所用集料和瀝青的最佳油石比,在此油石比下混合料的各項指標和馬歇爾試驗性能達到最佳。


(3)w(瀝青發泡用水量)∶w(瀝青用量)∶w(集料)=0.046∶4.6∶100配合比下,溫拌泡沫瀝青混合料的水穩定性、低溫抗裂性能、滲水性能與常規熱拌瀝青混合料基本一致,其高溫抗車轍性能高于熱拌瀝青混合料,兩種混合料的各項性能完全滿足規范的要求。泡沫瀝青試驗路段的路面壓實度達到規范對同級配熱拌瀝青混合料的要求。


(4)與熱拌相比,溫拌生產泡沫瀝青混合料耗氣成本降低 30.77%,CO2 等氣體排放減少 30%以上,具有更好的經濟效益與環境效益。


標簽:技術中心溫拌瀝青
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