微發(fā)泡型溫拌劑對溫拌瀝青混合料的影響

吳凈潔，趙恒博,付建村

(1.青島市公路管理局，山東 青島　266061；2.青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院，山東 青島　266106;3.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南　250031)

瀝青已廣泛應(yīng)用于路面工程中，世界各國對瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量非常重視。由于瀝青施工需要在較高氣溫條件下進(jìn)行，這給低溫條件施工帶來困難。溫拌瀝青混合料(warm mix asphalt, WMA)是指通過一定的技術(shù)措施或添加劑，使瀝青混合料在相對較低的溫度下進(jìn)行拌合及施工，同時保持其使用性能不低于熱拌瀝青混合料[1]。微發(fā)泡型溫拌瀝青混合料的技術(shù)原理是將帶結(jié)晶水的外加劑直接投入瀝青混合料中，誘發(fā)瀝青發(fā)泡，形成水-氣-瀝青膜結(jié)構(gòu),可以降低瀝青與礦料以及瀝青與空氣界面的表面張力，實(shí)現(xiàn)較低溫度下對集料更好的裹覆，從而降低瀝青混合料的作業(yè)溫度，具有成本低、環(huán)保性能好等特點(diǎn)[2-4]。目前我國在微發(fā)泡型溫拌技術(shù)方面的研究還很欠缺，本研究依托青島九水東路改造工程進(jìn)行冬季施工應(yīng)用驗(yàn)證，通過配合比設(shè)計(jì)、路用性能試驗(yàn)以及試驗(yàn)段的鋪筑，將該類型溫拌技術(shù)與表面活性劑型瀝青混合料溫拌技術(shù)進(jìn)行對比，分析該類溫拌技術(shù)工程應(yīng)用的可行性。

1　溫拌技術(shù)及溫拌劑

按照工作機(jī)理劃分，溫拌技術(shù)基本上可以分為3類。

1)基于有機(jī)物降黏的溫拌技術(shù)。將低熔點(diǎn)的有機(jī)添加劑與瀝青、集料相互拌合，根據(jù)高溫降黏特性增強(qiáng)瀝青與集料的和易性以實(shí)現(xiàn)溫拌目的。該技術(shù)多通過添加固體蠟或蠟狀物實(shí)現(xiàn)，易導(dǎo)致瀝青混合料低溫抗開裂性能損失，目前使用較少[5-6]。

2)基于表面活性劑的溫拌技術(shù)。表面活性劑與瀝青相互作用，在瀝青內(nèi)部形成具有一定潤滑性的結(jié)構(gòu)性水膜，從而降低瀝青黏度，增強(qiáng)混合料在低溫下的施工和易性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫拌效果。該類型表面活性劑多為液體狀，通過預(yù)混入瀝青或拌合過程中單獨(dú)加入實(shí)現(xiàn)效能，是目前應(yīng)用最廣泛的溫拌技術(shù)[7-8]。

3)發(fā)泡型溫拌技術(shù)。采用機(jī)械、結(jié)晶水合物或細(xì)集料等引入自由水或結(jié)晶水，通過激發(fā)瀝青發(fā)泡臨時性降低瀝青的黏度。受機(jī)械和材料制造水平的限制，目前該項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用有限。

本文擬選用兩種典型溫拌劑進(jìn)行試驗(yàn)對比：一種為工程擬采用的新型微發(fā)泡型溫拌劑(簡稱FYK-I)，對比樣為利用典型表面活性劑加入70#A級道路石油瀝青制備的溫拌瀝青(簡稱ZHY36-1)。兩種產(chǎn)品的工程應(yīng)用有較大差異，ZHY36-1溫拌瀝青采用拌合站的瀝青計(jì)量設(shè)備直接加入，瀝青混合料中溫拌瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與熱拌瀝青混合料中最佳瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同；FYK-I產(chǎn)品為白色粉末狀，性質(zhì)穩(wěn)定，高溫狀態(tài)下不分解，無刺激性煙霧產(chǎn)生，少量生產(chǎn)混合料時，可由人工通過拌合鍋投料口加入，大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)時采用專門的傳輸設(shè)備計(jì)量加入，摻加量為瀝青質(zhì)量的6%～8%，本項(xiàng)目采用7%進(jìn)行試驗(yàn)。

表1　幾種常見溫拌劑產(chǎn)品對瀝青的影響

表1為ZHY36-1溫拌瀝青與70#基質(zhì)瀝青原樣的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比。由表1可知，表面活性劑加入基質(zhì)瀝青后，針入度和軟化點(diǎn)基本無變化，膠結(jié)料的延度明顯降低。

FYK-I溫拌劑由于直接投放到瀝青混合料中，對基質(zhì)瀝青沒有影響，故只需對摻加前后的瀝青混合料性能進(jìn)行對比。

圖1　級配合成曲線

2　瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及溫拌劑摻量確定

2.1　配合比設(shè)計(jì)與路用性能測試

溫拌瀝青混合料的級配及最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)要求通過試驗(yàn)確定，試驗(yàn)流程如下：

1)首先根據(jù)原材料篩分結(jié)果進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，集料篩分及級配合成結(jié)果如圖1及表2～4所示。

表2　原材料規(guī)格及篩分通過率　%

表3　3個級配的原材料組成比例　%

表4　3個級配的各篩孔通過率　%

2)根據(jù)3個級配配制混合料，進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，試件雙面各擊實(shí)75次，膠結(jié)料采用70#A級道路石油瀝青，熱拌混合料室內(nèi)擊實(shí)溫度為140～145 ℃，最大理論密度采用真空實(shí)測法[9-10]，測試馬歇爾試件的體積指標(biāo)，結(jié)合面層混合料技術(shù)要求確定適宜的級配。馬歇爾指標(biāo)測試結(jié)果見表5。參照工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范技術(shù)要求，期望空隙率為4.5%，礦料間隙率≥13.5%，飽和度為65%～75%，因此選擇級配2作為確定級配。

表5　3個級配的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3)按照級配2組成比例配制混合料，分別采用瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、4.3%、4.6%的瀝青混合料(室內(nèi)擊實(shí)溫度為140～145 ℃)進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，試件測試結(jié)果如表6所示，綜合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，最終確定最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%。

表6　瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時級配2的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

4)對采用最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱拌瀝青混合料進(jìn)行路用性能檢驗(yàn)，主要包括高溫穩(wěn)定性能、抗水損害性能及低溫抗彎拉性能，如表7所示，檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表7　熱拌瀝青混合料路用性能測試結(jié)果

2.2　溫拌劑摻量及降溫幅度

采用體積指標(biāo)等效法確定溫拌劑適宜摻量及合理降溫幅度，即采用熱拌瀝青混合料確定的級配與最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別進(jìn)行摻加不同比例的FYK-I溫拌劑、不同擊實(shí)溫度下的馬歇爾試驗(yàn)，測試馬歇爾試件的體積指標(biāo)結(jié)果如圖2、表8所示[11-13]。

試驗(yàn)結(jié)果表明：1)溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，隨著擊實(shí)溫度的增加，瀝青混合料空隙率總體呈現(xiàn)遞減趨勢，擊實(shí)溫度較低時，加入溫拌劑較不加溫拌劑試件空隙率有所降低，說明加入溫拌劑對改善瀝青混合料和易性和壓實(shí)度有利；2)相同擊實(shí)溫度下，隨著溫拌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，瀝青混合料空隙率降低，說明溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，瀝青混合料和易性改善程度越好；3)摻加溫拌劑后，瀝青混合料擊實(shí)溫度降低20 ℃后，仍能達(dá)到熱拌瀝青混合料的空隙率控制水平。

圖2　不同F(xiàn)YK-I溫拌劑摻量及擊實(shí)溫度條件下的馬歇爾試件空隙率變化

FYK-1溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%溫拌劑與瀝青質(zhì)量比/%擊實(shí)溫度/℃最大相對理論密度馬歇爾毛體積相對密度空隙率/%0.266135120105902.5282.4442.4272.4102.3823.34.04.76.40.307135120105902.5282.4342.4022.4022.3743.34.54.66.10.348135120105902.5302.4392.4352.4172.3853.63.74.55.7

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，確定混合料中FYK-I溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%(為瀝青質(zhì)量的7%)條件下，建議降溫幅度為20 ℃。

3　瀝青混合料路用性能比較

為評價熱拌瀝青混合料摻加溫拌劑后的性能變化，本文通過車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)分別評價FYK-1微發(fā)泡型溫拌劑的高溫穩(wěn)定性能和抗水損害性能，同時與熱拌瀝青混合料、ZHY36-1溫拌瀝青混合料進(jìn)行對比。溫拌瀝青混合料中瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4.3%，降溫幅度均為20 ℃。

3.1　車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)的原理是負(fù)有一定荷載的車輪沿同一軌跡，在一定時間內(nèi)反復(fù)碾壓板塊狀試件，使試塊被壓密，并產(chǎn)生剪切、推移和流動，形成轍槽。通常用轍槽深度的變形率以及動穩(wěn)定度評價瀝青混合料在規(guī)定溫度下抵抗塑性流動變形的能力[14-16]。

動穩(wěn)定度反映了瀝青混合料抗高溫變形的能力，動穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的高溫抗變形能力越強(qiáng)，依據(jù)文獻(xiàn)[17]方法測定熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。由表9可知，摻加FYK-I微發(fā)泡型溫拌劑后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度基本無變化，滿足規(guī)范要求。

表9　瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果　次/mm

3.2　凍融劈裂試驗(yàn)

瀝青路面施工完成以后，水和空氣通過混合料中的空隙進(jìn)入混合料內(nèi)部，如果不能及時排出，在車輛動水壓力和溫度的共同作用下，水會逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青黏附性降低并逐漸喪失黏結(jié)力，瀝青和礦料發(fā)生剝離，造成強(qiáng)度下降。水損害進(jìn)一步發(fā)展，將導(dǎo)致唧漿、松散、坑槽、車轍、推擠變形等多種形式的破壞[18-21]。

瀝青混合料凍融劈裂是國內(nèi)較常采用的瀝青混合料抗水損害性能評價手段，按照文獻(xiàn)[17]方法進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表10所示。由表10可以看出：1)與熱拌瀝青混合料相比，摻加FYK-I溫拌劑和ZHY36-1溫拌劑后的溫拌瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度無明顯變化，說明溫拌劑的加入并未削弱瀝青混合料的抗水損害能力；2)加入溫拌劑后，溫拌瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度均有一定程度的降低，其中ZHY36-1溫拌瀝青混合料的強(qiáng)度衰減最顯著，F(xiàn)YK-I溫拌劑對混合料劈裂強(qiáng)度的影響基本可以忽略；3)試驗(yàn)所用馬歇爾試件均為雙面各50次擊實(shí)成型，熱拌瀝青混合料和ZHY36-1型溫拌瀝青混合料的空隙率較75次擊實(shí)時均有增加，而采用FYK-I溫拌劑的瀝青混合料空隙率基本不變，說明基于微發(fā)泡原理的FYK-I溫拌劑可以保證混合料在溫度降低及壓實(shí)功減少時有更理想的和易性。

表10　摻加溫拌劑前后瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果對比

4　工程驗(yàn)證

表11　現(xiàn)場芯樣試驗(yàn)結(jié)果

本文依托工程為冬季施工，熱拌瀝青混合料的溫度降低速度較快，攤鋪后很快到達(dá)可壓實(shí)的臨界溫度，導(dǎo)致有效壓實(shí)時間明顯縮短。因此采用熱拌溫鋪法進(jìn)行施工，即瀝青混合料添加FYK-I微發(fā)泡型溫拌劑后，仍按照熱拌瀝青混合料控制溫度進(jìn)行拌制[12-13]。表11為瀝青混凝土路面的現(xiàn)場取芯試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，采用微發(fā)泡型溫拌技術(shù)，路面的壓實(shí)度均在98%以上，有效保障了低氣溫條件下瀝青路面施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目的。

5　結(jié)論

1)采用體積指標(biāo)等效的試驗(yàn)方法，確定微發(fā)泡型溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和降溫幅度。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入溫拌劑可有效改善瀝青混合料的施工和易性，擊實(shí)溫度降低20 ℃時仍可達(dá)到目標(biāo)空隙率的控制要求。

2)與熱拌瀝青混合料相比，微發(fā)泡型溫拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能和抗水損害能力均未降低，而且在溫度降低和壓實(shí)功減少時仍然具有良好的施工和易性，有利于保障瀝青混合料的壓實(shí)度。

3)與某典型表面活性劑類溫拌劑產(chǎn)品的對比結(jié)果表明，微發(fā)泡型溫拌劑的加入，對瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的削弱程度更小，有利于保證瀝青混合料的力學(xué)性能。

4)采用熱拌溫鋪技術(shù)原理對某工程的試驗(yàn)結(jié)果表明，該類溫拌技術(shù)可以保證瀝青混合料在較低溫度時仍具有較好的和易性，對延長施工壓實(shí)的有效時間，保障壓實(shí)質(zhì)量和路用性能有利，具有明顯的推廣價值及工程實(shí)踐意義。

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