多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的性能及適用性

張 琛, 汪海年, 王寵惠

(1.西安航空學院 能源與建筑學院,陜西 西安 710077; 2.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的性能及適用性

張 琛1, 汪海年2, 王寵惠2

(1.西安航空學院 能源與建筑學院,陜西 西安 710077; 2.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

文章以青海G214國道為工程實例,綜合考慮多年凍土區(qū)的氣候條件和施工現(xiàn)狀,分析不同摻量的WB-1型溫拌劑對橡膠瀝青結合料性能的影響,并確定最佳摻量;通過施工和易性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性等試驗,對多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的路用性能進行研究。結果表明:濕法橡膠瀝青在多年凍土區(qū)具有較好的存儲穩(wěn)定性,多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的最佳油石質量比為5.8%,WB-1型溫拌劑的最佳摻量為0.7%;溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度比熱拌橡膠瀝青降低了20～30 ℃,推薦溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度為160 ℃;在相同拌和溫度條件下,多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的施工和易性要優(yōu)于熱拌橡膠瀝青混合料的施工和易性;溫拌橡膠瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比及最大彎拉應變與熱拌混合料相比分別下降了2.5%、2.6%、9.8%,但依然符合規(guī)范要求;摻加WB-1型溫拌劑的AR AC-13C溫拌橡膠瀝青混合料可適應多年凍土區(qū)的施工條件,在多年凍土地區(qū)具有較好的應用前景。

道路工程;多年凍土區(qū);溫拌橡膠瀝青;路用性能

0 引 言

橡膠瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、耐久性以及抗滑降噪性能,然而,橡膠瀝青混合料的施工溫度較高,不適用于低溫寒區(qū)道路的建設[1]。相關研究表明,在橡膠瀝青中加入溫拌劑,實現(xiàn)橡膠瀝青混合料的溫拌,可以降低橡膠瀝青混合料的拌和溫度[2]。多年凍土區(qū)海拔高，且晝夜溫差大,若將傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料應用于多年凍土區(qū),則會出現(xiàn)拌和溫度難以控制,施工工藝難以滿足規(guī)范要求等情況,且鋪筑的路面往往耐久性較差[3]。本文以青海G214國道為工程實例,綜合考慮多年凍土區(qū)的氣候條件和施工現(xiàn)狀,在溫拌橡膠瀝青混合料配合比設計的基礎上,分析不同摻量的溫拌劑對橡膠瀝青結合料性能的影響,并確定最佳摻量。通過現(xiàn)場施工和易性試驗以及水穩(wěn)定性和低溫抗裂性等室內(nèi)試驗,對多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的路用性能進行研究,并與傳統(tǒng)熱拌橡膠瀝青混合料的性能進行對比,評價溫拌橡膠瀝青混合料在多年凍土區(qū)的適用性。

1 原材料的技術性能

1.1 橡膠瀝青

采用由濕法工藝制備而成的成品橡膠瀝青,其技術指標見表1所列。

表1 橡膠瀝青的技術指標

1.2 溫拌劑

溫拌劑為上海某新材料公司生產(chǎn)的WB-1型溫拌劑,其25 ℃時的外觀為白色粉末狀,其燃點大于200 ℃,冰點為-10.5 ℃,4種溫度下的黏度與密度見表2所列。

表2 WB-1溫拌劑4種溫度下的黏度與密度

1.3 集料

以青海多年凍土區(qū)G214國道為工程實例,所采用的集料為當?shù)刈援a(chǎn)石灰?guī)r集料,分為1#料(10～20 mm)、2#料(5～10 mm)、3#料(3～5 mm),各項指標檢測結果見表3所列。

表3 集料性能指標

1.4 橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性

多年凍土區(qū)的晝夜溫差較大,且氣壓較低,有必要研究橡膠瀝青在多年凍土區(qū)的存儲穩(wěn)定性,為溫拌橡膠瀝青在多年凍土區(qū)的施工提供參考。相關研究表明,濕法制備的橡膠瀝青具有較好的高溫存儲穩(wěn)定性,但是放置時間不宜超過24 h[5]。根據(jù)施工現(xiàn)場的氣候環(huán)境條件,以175 ℃旋轉黏度為評價指標,分別通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗測試不同存儲時間的橡膠瀝青175 ℃旋轉黏度。其中室內(nèi)試驗是將成品濕法橡膠瀝青置于175 ℃烘箱中進行取樣測試,現(xiàn)場試驗是將成品濕法橡膠瀝青置于施工現(xiàn)場常用的160 ℃存儲罐中進行取樣測試,試驗結果如圖1所示。

圖1 多年凍土區(qū)橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性

由圖1可知,在存儲前期(24 h內(nèi)),無論是現(xiàn)場存儲的還是室內(nèi)存儲的橡膠瀝青的175 ℃旋轉黏度均有一定程度的下降,且存儲溫度越高,175 ℃旋轉黏度下降幅度就越大,其原因是存儲溫度越高,橡膠瀝青中膠粉與瀝青的反應越激烈,從而導致175 ℃旋轉黏度下降幅度就越大;在存儲中后期(24 h后),橡膠瀝青的175 ℃旋轉黏度變化較小,且逐漸趨于平衡,其原因是膠粉與瀝青在高溫環(huán)境下會持續(xù)發(fā)生溶脹和脫硫降解反應,導致橡膠瀝青的性能指標發(fā)生了一些變化,但在一定時間后,膠粉與瀝青的反應逐漸趨于平衡,兩者也充分進行了結合,橡膠瀝青的各項指標也趨于穩(wěn)定,且滿足技術要求。

研究區(qū)域的年平均氣溫較低,比較適合于橡膠瀝青的存儲,但是由于晝夜溫差較大,且太陽輻射比較強烈,建議施工現(xiàn)場在存儲橡膠瀝青時應在陰涼處儲存,充分利用多年凍土區(qū)的低溫優(yōu)勢來保障橡膠瀝青的性能。同時,要加強早期性能檢測(24 h內(nèi)),盡量避免在高溫期間施工。

1.5 配合比設計

多年凍土區(qū)瀝青混合料的配合比設計,根據(jù)多年凍土區(qū)路用性能的要求,重點考慮其低溫抗裂性能和抗凍性能,因此選擇密實類結構較為有利[6]。本文所制備的混合料用于瀝青路面的表面層,所采用的級配為AR AC-13C。綜合考慮規(guī)范要求[4]以及現(xiàn)場施工經(jīng)驗,所選的混合料級配見表4所列。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗,采用5種油石質量比進行馬歇爾試驗,分析AR AC-13C混合料的體積參數(shù)變化,從而確定最佳油石質量比,結果見表5所列。

表4 AR AC-13C瀝青混合料級配

表5 AR AC-13C瀝青混合料的馬歇爾試驗結果

根據(jù)表5中的試驗結果,初步確定最佳油石比為 5.5%。但多年凍土區(qū)常年低溫,太陽輻射強烈,凍融循環(huán)頻繁,瀝青混合料的長期老化速度也高于其他地區(qū),適當增大瀝青用量,可使混合料的蠕變速率增大,對于低溫抗裂和抗老化都是有利的。此外,多年凍土區(qū)也鮮有瀝青混合料高溫穩(wěn)定性問題。因此,對于該地區(qū)的最佳油石質量比,在試驗結果的基礎上再增加0.3%,即最終確定最佳油石質量比為5.8%。

2 相關參數(shù)設計

2.1 溫拌劑摻量的初步確定

多年凍土區(qū)的年平均溫度較低,且常年多風,瀝青混合料的施工溫度會下降較快,當溫拌劑摻量過多時,瀝青黏度會降低,不利于混合料的低溫施工,且經(jīng)濟性較差。

為初步確定溫拌橡膠瀝青混合料的溫拌劑最佳摻量,參照文獻[7],基于室內(nèi)試驗測試不同溫拌劑摻量(0、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)下的橡膠瀝青基本性能的變化情況,其中溫拌劑的摻量是指溫拌劑占橡膠瀝青結合料的質量分數(shù),試驗結果見表6所列。

表6 不同溫拌劑摻量條件下的橡膠瀝青結合料性能

由表6可知,隨著溫拌劑摻量的增加,橡膠瀝青結合料的針入度從49×0.1 mm增加到59×0.1 mm,軟化點從74.3 ℃降到67.2 ℃,175 ℃旋轉黏度從3.12 Pa·s降到2.61 Pa·s,各項指標值均發(fā)生了不同程度的變化,但依然符合橡膠瀝青結合料的技術性能要求[8]。多年凍土區(qū)瀝青混合料的性能主要考慮低溫性能和抗凍性能,為保證低溫時混合料具有較高的黏結能力,且性能最佳,結合試驗結果,本文選擇0.7%的溫拌劑摻量為初始摻量。

2.2 混合料拌和溫度確定

多年凍土區(qū)常年氣溫較低,難以在現(xiàn)場施工時保持較高的拌和溫度,為研究WB-1型溫拌劑對AR AC-13C橡膠瀝青混合料拌和溫度的降溫效果,本文基于馬歇爾擊實試驗,以空隙率為評價指標,對比不同拌和溫度下溫拌和熱拌橡膠瀝青混合料的空隙率變化情況,其中溫拌劑摻量為0.7%,試驗結果見表7所列。

表7 AR AC-13C瀝青混合料的空隙率 %

規(guī)范要求,AR AC-13C的設計空隙率在3%～5%之間[9]。由表7可知,當擊實溫度從180 ℃降低到155 ℃時,溫拌橡膠瀝青混合料AR AC-13C的空隙率在3.29%～4.11%范圍內(nèi)波動,空隙率變化不大;150 ℃成型擊實時,溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率突然增大到5.42%。而對于熱拌橡膠瀝青混合料,當拌和溫度達到175 ℃以上時,其壓實空隙率才符合規(guī)范要求。由此可知,溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度比熱拌橡膠瀝青低20～30 ℃[10]?？紤]到該地區(qū)溫度低,常年多風,瀝青混合料溫度下降較快,施工時攤鋪碾壓工序應緊密配合,同時宜將混合料的拌和溫度適當提高。因此,綜合考慮試驗結果和現(xiàn)場施工條件,推薦多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度為160 ℃。

3 溫拌橡膠瀝青混合料的路用性能

G214國道多年凍土區(qū)瀝青路面的典型病害主要為裂縫和水損壞[11]。本文基于室內(nèi)試驗和現(xiàn)場施工經(jīng)驗,通過和易性試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及低溫小梁彎曲試驗對AR AC-13C溫拌橡膠瀝青的路用性能進行研究,并評價其在多年凍土區(qū)的適用性。

3.1 施工和易性

本文課題組自主研發(fā)了一種簡易的和易性測試設備[12],該設備可以在拌和筒中模擬溫拌橡膠瀝青混合料在拌鍋中的拌和過程,操作時將焊接三葉片的轉軸埋入拌和筒里的瀝青混合料中,轉軸上嵌入扭力扳手,在一定溫度下以恒定速率轉動轉軸,并在扭力扳手上讀出相應的扭矩值,依據(jù)扭矩的大小來評價瀝青混合料的和易性。本文中瀝青混合料和易性的測定過程為:將經(jīng)保溫好的恒定溫度的10 kg瀝青混合料倒入拌和筒中,以每轉3 s的速率轉動扭力扳手,記錄扭矩值。扭矩值越小,和易性越好[13]。

分別對不同拌和溫度(120、135、155、170、180 ℃)和不同溫拌劑摻量(0、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)的AR AC-13C溫拌橡膠瀝青混合料進行現(xiàn)場施工和易性測試,結果如圖2所示。

由圖2可知,不同溫拌劑摻量的和易性扭矩均隨著拌和溫度的增大而減小。當拌和溫度不變時,隨著溫拌劑摻量的增大,溫拌橡膠瀝青混合料的和易性扭矩也隨之減小。由此可推斷,在相同的拌和溫度條件下,多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的施工和易性要優(yōu)于熱拌橡膠瀝青混合料的施工和易性。

圖2 不同溫拌劑摻量下的現(xiàn)場和易性測試結果

根據(jù)圖2,拌和溫度與施工和易性扭矩之間的關系如下：

lny=a-bT

(1)

其中,y為和易性扭矩;T為試驗溫度;a、b為回歸系數(shù)。結合(1)式和圖2可以求出擬合系數(shù)a和b,結果見表8所列。為了研究WB-1型溫拌劑對橡膠瀝青混合料拌和溫度的降溫效果,選擇熱拌橡膠瀝青混合料(溫拌劑摻量為0)在拌和溫度為180 ℃時的和易性扭矩值作為參考值,不同溫拌劑摻量的溫拌橡膠瀝青混合料所對應的拌和溫度可以根據(jù)(1)式計算得出,結果同樣列于表8中。

表8 拌和溫度與和易性扭矩值的擬合結果

由表8可知,隨著溫拌劑摻量的增大,橡膠瀝青混合料的拌和溫度降低。當溫拌劑摻量為0.7%時,溫拌混合料比熱拌混合料的拌和溫度降低約44 ℃,而當溫拌劑摻量增加到0.9%時,混合料的拌和溫度比0.7%摻量時僅降低了1 ℃。因此,綜合考慮溫拌降溫效果和經(jīng)濟性,推薦WB-1型溫拌劑的最佳摻量為0.7%,這也與前述2.1中的結論一致。

3.2 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對熱拌和溫拌AR AC-13C橡膠瀝青混合料抗水損害性能進行試驗評價,其中溫拌劑摻量為0.7%,評價指標分別為浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比,試驗結果如圖3所示。

對于浸水馬歇爾試驗,借鑒美國SHRP計劃中對于同一種性能,不同地區(qū)可以采用不同試驗條件的理念,結合多年凍土地區(qū)的氣候狀況,溫度調整為45 ℃進行試驗,其標準與一般地區(qū)相同。浸水馬歇爾試驗采用2組試件:一組在45 ℃的恒溫水槽中進行保溫,40 min后測定其穩(wěn)定度;另一組先在真空飽水后,再在45 ℃恒溫水箱中浸泡48 h后進行試驗。

對于凍融劈裂試驗則采用2組馬歇爾試件:一組是未經(jīng)過凍融的試件,在15 ℃條件下進行劈裂試驗;另一組是經(jīng)過凍融的試件,先經(jīng)過真空飽水,在-18 ℃條件下冰凍16 h,取出后立即放入45 ℃恒溫水箱中浸泡24 h,然后在15 ℃條件下進行劈裂試驗。2組試件分別測定劈裂強度,計算出凍融劈裂強度比,凍融劈裂強度比越小,則抗水損害能力越好。

圖3 溫拌劑對橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性影響

由圖3可知,溫拌和熱拌橡膠瀝青混合料AR AC-13C的浸水殘留穩(wěn)定度均大于85%,凍融劈裂強度比均大于80%,滿足規(guī)范技術要求[4]。溫拌橡膠瀝青混合料AR AC-13C的浸水殘留穩(wěn)定度比傳統(tǒng)熱拌的低2.5%,凍融劈裂強度比與傳統(tǒng)熱拌相比低2.6%。由此可見,WB-1型溫拌劑對AR AC-13C橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)性能影響不顯著。

3.3 低溫抗裂性能

由于多年凍土區(qū)路基的融沉和凍脹作用,瀝青路面會出現(xiàn)頻繁的收縮開裂現(xiàn)象。目前國內(nèi)外評價瀝青混合料的低溫性能試驗方法主要是低溫小梁彎曲試驗[14]。常規(guī)彎曲試驗的加載速率通常為50 mm/min,一般在幾秒內(nèi)就完成了,主要體現(xiàn)其承受瞬時荷載的能力,反映的也只是瀝青混合料在低溫下的彈性性質,而未體現(xiàn)其重要的應力松弛特性。根據(jù)研究區(qū)域的氣候與環(huán)境狀況,選擇試驗溫度為(-10±0.5)℃,加載速率為25 mm/min。本文采用最大彎拉應變評價瀝青混合料低溫性能,彎拉應變越大,瀝青混合料的低溫性能就越好。采用低溫小梁彎曲試驗對熱拌和溫拌AR AC-13C橡膠瀝青混合料的低溫抗裂性能進行測試,試驗得到溫拌、熱拌橡膠瀝青混合料的最大彎拉應變分別為3 108×10-6、3 415×10-6,溫拌比傳統(tǒng)熱拌橡膠瀝青混合料的最大彎拉應變降低9.8%,但仍然滿足規(guī)范中大于2 800×10-6的要求[4]。多年凍土區(qū)的低溫裂縫主要是由于路基的凍脹和融沉作用引起的,若路基設計得當,則道路整體的低溫抗裂性能也未必會降低[15]。

4 結 論

(1) 濕法橡膠瀝青在多年凍土區(qū)具有較好的存儲穩(wěn)定性,高溫存儲造成的性能衰減主要集中在存儲前期(前24 h),之后性能基本保持穩(wěn)定,且存儲溫度越高,性能衰減越明顯?；谑覂?nèi)試驗和現(xiàn)場施工經(jīng)驗,確定多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的最佳油石質量比為 5.8%。

(2) 摻入溫拌劑后,橡膠瀝青結合料的針入度增加、軟化點下降、175 ℃旋轉黏度下降。綜合考慮研究區(qū)域的施工現(xiàn)狀,并結合課題組自行研制的和易性測試設備,最終推薦WB-1型溫拌劑摻量為0.7%。

(3) 基于馬歇爾擊實試驗,對比不同拌和溫度下溫拌和熱拌橡膠瀝青混合料的空隙率變化結果可知,當馬歇爾擊實溫度從180 ℃降低到155 ℃時,溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率波動不大,且符合規(guī)范要求。溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度比熱拌橡膠瀝青降低了20～30 ℃,最終推薦溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度為160 ℃。

(4) 在相同拌和溫度條件下,多年凍土區(qū)溫拌橡膠瀝青混合料的施工和易性要優(yōu)于熱拌橡膠瀝青混合料的施工和易性。溫拌橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)性能和低溫抗裂性能的各項指標均滿足技術要求,浸水馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比與熱拌混合料相比分別下降了2.5%和2.6%,低溫最大彎拉應變下降了9.8%,但溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度低,適應多年凍土區(qū)的低溫施工條件。

(5) 綜合本文的研究成果可知,摻加WB-1型溫拌劑的AR AC-13C溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度較低,在多年凍土區(qū)具有較好的存儲穩(wěn)定性,且175 ℃旋轉黏度較低,具有較好的施工和易性,水穩(wěn)性能和低溫抗裂性能均可滿足規(guī)范要求。因此,溫拌橡膠瀝青技術在多年凍土地區(qū)具有較好的應用前景。

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Performanceandapplicabilityofrubberizedwarmasphaltmixtureinpermafrostregions

ZHANG Chen1, WANG Hainian2, WANG Chonghui2

(1.School of Energy and Architecture, Xi’ an Aeronautical University, Xi’ an 710077, China; 2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’ an University, Xi’ an 710064, China)

Regarding G214 National Highway in Qinghai Province as supporting engineering, comprehensively taking climatic conditions and status quo of the construction in permafrost regions into account, the influence of different content of WB-1 warm mix agent on the performance of asphalt rubber mixture is analyzed, and the optimal content is determined. Through experiments on construction workability, water stability, low temperature anti-cracking performance and so on, the pavement performance of rubberized warm asphalt mixture in permafrost regions is studied. The result shows that wet rubber asphalt possesses quite good storage stability in permafrost regions; the optimum asphalt-aggregate ratio of rubberized warm asphalt mixture in permafrost regions is 5.8%; the best content of WB-1 warm mix agent is 0.7%; the mixing temperature of rubberized warm asphalt mixture is 20-30 ℃ lower than that of hot-mixed asphalt rubber mixture and the recommended mixing temperature of rubberized warm asphalt mixture is 160 ℃; at the same mixing temperature, the construction workability of rubberized warm asphalt mixture in permafrost regions is better than that of hot-mixed asphalt rubber mixture; compared with hot-mixed asphalt rubber mixture, the immersion Marshall stability, the tensile strength ratio and the maximum bending strain of rubberized warm asphalt mixture decrease by 2.5%, 2.6% and 9.8%, respectively, but still conform to standard requirements; AR AC-13C asphalt rubber mixture with WB-1 warm mix agent can adapt to the construction situations in permafrost regions, which has a promising application prospect in permafrost regions.

highway engineering; permafrost region; rubberized warm asphalt; pavement performance

2016-02-09；

2017-03-20

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2014BAG05B04);國家自然科學基金資助項目(51378074)

張 琛(1986-),男,安徽碭山人,博士,西安航空學院講師;

汪海年(1977-),男,江蘇漣水人,博士,長安大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.020

U416.217

A

1003-5060(2017)09-1254-06

(責任編輯 張淑艷)