環(huán)保型瀝青混合料制備及性能評(píng)測研究

史彥偉 楊飛 劉方韜

摘 要：本文首先分析了發(fā)泡瀝青混合料的環(huán)保特性，并利用馬歇爾試驗(yàn)確定出了基準(zhǔn)配比。通過對(duì)礦物發(fā)泡和機(jī)械發(fā)泡生產(chǎn)控制參數(shù)的研究，確定了ZQ礦物發(fā)泡劑最優(yōu)摻量為7%。同時(shí)，提出了基于瀝青模量參數(shù)的礦物發(fā)泡劑最優(yōu)摻量的確定方法，以及基于灰關(guān)聯(lián)法確定機(jī)械發(fā)泡各因素影響程度。在進(jìn)行混合料試驗(yàn)時(shí)，本文模擬生產(chǎn)實(shí)際，混合料短期老化2 h后成型試件，并對(duì)泡沫瀝青混合料的降溫幅度和性能進(jìn)行研究，結(jié)果顯示泡沫瀝青混合料較熱拌瀝青混合料可降低25℃左右，混合料的性能均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。通過成本對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)械發(fā)泡生產(chǎn)的瀝青混合料不僅可實(shí)現(xiàn)較高幅度的降溫，其成本也是各種溫拌方式中最低的。

關(guān)鍵詞：礦物發(fā)泡;發(fā)泡參數(shù);路用性能

中圖分類號(hào)：U415.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

從上世紀(jì)九十年代開始，國內(nèi)外泡沫瀝青技術(shù)的工程應(yīng)用呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢。泡沫瀝青技術(shù)的引進(jìn)、開發(fā)與吸收，采用泡沫瀝青冷、熱再生及溫拌技術(shù)，不僅可以解決傳統(tǒng)道路維修造價(jià)高、浪費(fèi)資源，而且極大的減少了碳排放及環(huán)境污染環(huán)境等問題。

由于應(yīng)用發(fā)展的時(shí)間有限，瀝青發(fā)泡特性、材料設(shè)計(jì)、施工過程等許多技術(shù)環(huán)節(jié)的問題并沒有完全解決，遠(yuǎn)未達(dá)成共識(shí)，缺乏系統(tǒng)性的研究成果。再加上各個(gè)國家和地區(qū)的材料性質(zhì)、氣候條件、地質(zhì)環(huán)境均存在客觀差異，學(xué)者們對(duì)發(fā)泡效果標(biāo)準(zhǔn)、材料設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵技術(shù)問題各有不同。

通過對(duì)擬定不同瀝青溫度、發(fā)泡用水量、發(fā)泡水溫及發(fā)泡劑用量，研究各要素對(duì)發(fā)泡效果的影響，進(jìn)而確定礦物發(fā)泡和機(jī)械發(fā)泡最優(yōu)實(shí)施方案。通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，對(duì)泡沫瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)混合料壓實(shí)溫度進(jìn)行研究。同時(shí)根據(jù)高溫、低溫、抗水損害及疲勞試驗(yàn)對(duì)混合料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為發(fā)泡瀝青混合料應(yīng)用提供參考。

1 瀝青混合料基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范中聚合物改性瀝青I-D的技術(shù)要求[1]，礦物發(fā)泡劑為ZQ添加劑。試驗(yàn)所用集料均為山東某廠產(chǎn)石灰?guī)r，原材料指標(biāo)參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E42-2005進(jìn)行測試[2]，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

1.2 瀝青混合料基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)混合料類型采用AC-20密級(jí)配，混合料配比按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）設(shè)計(jì)方法確定合適的級(jí)配。本課題考慮生產(chǎn)拌合的實(shí)際情況，采用擊實(shí)溫度下短期老化2 h，通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)等空隙率法來確定最佳成型溫度，最后選取合理的成型溫度通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)溫拌混合料的常規(guī)路用性能及力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，混合料性能均滿足要求。

2 不同發(fā)泡方式泡沫瀝青生產(chǎn)參數(shù)確定

2.1 礦物發(fā)泡瀝青生產(chǎn)參數(shù)確定

本文選用一種礦物發(fā)泡劑ZQ，添加劑廠家推薦值擬定四種不同摻量（0%，6%，7%，8%），研究ZQ添加劑對(duì)瀝青原材的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

通過不同ZQ摻量SBS改性瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果顯示ZQ摻量對(duì)瀝青常規(guī)指標(biāo)影響較小。

試驗(yàn)按照AASHTO T315進(jìn)行膠泥的30℃、40℃、50℃、60℃高溫性能試驗(yàn)，采集動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)子直徑25 mm，轉(zhuǎn)子間隙1 mm，轉(zhuǎn)速10 rad/s，應(yīng)力水平100 Pa。

從試驗(yàn)結(jié)果看其模量存在一個(gè)極值，對(duì)應(yīng)摻量為7%，此時(shí)瀝青的模量最大，高溫性能也最好。在各種溫度下的相位角基本穩(wěn)定，并不隨著摻量的增加產(chǎn)生明顯的升高或降低，說明這種外加劑對(duì)瀝青的結(jié)構(gòu)并沒有造成影響，使瀝青具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而這一點(diǎn)恰恰是實(shí)際工程中需要的使用特點(diǎn)。

2.2 機(jī)械發(fā)泡瀝青生產(chǎn)參數(shù)確定

試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明SBS改性瀝青溫度低于140℃很容易造成發(fā)泡機(jī)的堵塞，瀝青很難發(fā)泡，發(fā)泡時(shí)改性瀝青試驗(yàn)最低溫度為150℃，同時(shí)瀝青加熱溫度過高很容易造成瀝青的老化，綜合考慮試改性瀝青的試驗(yàn)溫度為150℃～180℃。

綜合各因素選用4種不同的瀝青加熱溫度，7種不同的發(fā)泡用水量，7種不同的發(fā)泡水的溫度，研究不同發(fā)泡條件對(duì)瀝青發(fā)泡效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）改性瀝青溫度對(duì)發(fā)泡效果影響。在其他條件不變的情況下，改性瀝青在瀝青溫度達(dá)到170℃時(shí)最大膨脹率與半衰期都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極值。通過以上試驗(yàn)可以看出增加瀝青的溫度有利于發(fā)泡，最大膨脹率會(huì)隨著溫度的上升而變大，但并不是瀝青的溫度越高發(fā)泡的效果越好?？傮w來看，瀝青溫度對(duì)發(fā)泡的影響較小，變化幅度不大。綜合最大膨脹率與半衰期兩大指標(biāo)，改性瀝青溫度定為170℃。

（2）加水量對(duì)發(fā)泡效果影響。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)發(fā)泡效果影響較大，發(fā)泡用水量可以增加泡沫的大小，使膨脹率增大，但泡沫瀝青所產(chǎn)生的熱力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（半衰期越長系統(tǒng)穩(wěn)定性越好）隨用水量的增加而變差。但當(dāng)用水量增加到一定程度時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變化較為平緩，最大膨脹率與半衰期在加水量3%時(shí)都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極值。

（3）發(fā)泡水溫對(duì)發(fā)泡效果的影響研究。水溫的提高有利于瀝青的發(fā)泡（膨脹率會(huì)變大），但不代表溫度越高越好，瀝青的發(fā)泡還應(yīng)綜合考慮其穩(wěn)定性。在其他條件不變的前提下，改性瀝青水溫對(duì)瀝青的發(fā)泡效果影響較小，綜合考慮最大膨脹率與半衰期兩大指標(biāo)，同時(shí)考慮試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)適用性，最終瀝青發(fā)泡水溫定為常溫，試驗(yàn)常溫水在30℃左右。

綜合以上研究成果，試驗(yàn)所選瀝青的最優(yōu)制備參數(shù)為SBS改性瀝青發(fā)泡用水量為3.0%，瀝青溫度為165℃，水溫為30℃。

3 環(huán)保型瀝青混合料降溫幅度確定

3.1 礦物發(fā)泡瀝青混合料降溫幅度確定

ZQ摻量為瀝青質(zhì)量的7%，擬定四種不同拌合溫度（120℃、130℃、140℃、150℃）進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，依據(jù)“體積等效原則”確定礦物發(fā)泡瀝青混合料的降溫幅度。礦物泡沫瀝青混合料的拌合順序與熱拌有一定的不同，本次采用拌和順序如下：集料→瀝青→添加劑→礦粉。

為確保礦物泡沫瀝青混合料的質(zhì)量并易于控制試驗(yàn)溫度，最終確定ZQ礦物泡沫瀝青混合料最佳成型溫度為145℃，可降溫約20℃。

3.2 機(jī)械發(fā)泡瀝青混合料最佳成型溫度的確定

采用不同溫度對(duì)泡沫瀝青混合料進(jìn)行壓實(shí)成型，通過“體積等效法”得到泡沫瀝青混合料最佳壓實(shí)溫度。隨壓實(shí)溫度的降低泡沫瀝青混合料空隙率逐步提高，空隙率按4%左右控制當(dāng)壓實(shí)溫度在140℃～130℃時(shí)，混合料空隙率可以滿足要求。因此，與熱拌瀝青混合料相比擊實(shí)溫度可以降低25℃左右。

4 不同發(fā)泡方式混合料路用性能及力學(xué)性能對(duì)比

4.1 礦物發(fā)泡和機(jī)械泡沫瀝青混合料路用性能對(duì)比

本節(jié)選用上述設(shè)計(jì)級(jí)配AC-20C，在等體積原則確定的成型溫度下，成型溫拌混合料試件，然后以熱拌混合料為參照，分別對(duì)礦物泡沫瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能以及水穩(wěn)定性能進(jìn)行了對(duì)比研究，并利用漢堡試驗(yàn)進(jìn)一步評(píng)價(jià)其高溫性能及水穩(wěn)定性。其中礦物發(fā)泡ZQ礦物發(fā)泡劑的摻量為瀝青質(zhì)量的7%。

相對(duì)于熱拌混合料，泡沫瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度降低約12%，低溫破壞應(yīng)變降低了約5%，劈裂強(qiáng)度比降低了約8%，降低的幅度不大，且試驗(yàn)結(jié)果均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要去。因此泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)及生產(chǎn)時(shí)注重配合比控制，必要時(shí)可采取抗剝落措施。

4.2 礦物發(fā)泡和機(jī)械泡沫瀝青混合料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性對(duì)比

當(dāng)前，溫拌瀝青混合料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用已得到比較廣泛的研究，但對(duì)其與力學(xué)相關(guān)的性能研究尚少。為對(duì)比研究溫拌瀝青混合料的動(dòng)態(tài)特性，本文應(yīng)用SHRP簡單性能試驗(yàn)機(jī)SPT，測定了對(duì)熱拌瀝青混合料，及ZQ礦物泡沫瀝青混合料在不同溫度和加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量，并與SBS改性瀝青熱拌瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)借鑒SHRP計(jì)劃對(duì)于瀝青膠結(jié)料永久變形的分析，對(duì)通過SPT試驗(yàn)得到的溫拌混合料的模量和相位角進(jìn)行組合分析，分析溫拌混合料的永久變形和疲勞開裂。

5 結(jié)論

（1）采用體積指標(biāo)等效的試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了泡沫瀝青混合料降溫幅度的有效確定。試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫的引入有效改善了瀝青混合料的施工和易性，擊實(shí)溫度降低20℃時(shí)仍可達(dá)到目標(biāo)空隙率的控制要求。試驗(yàn)過程中進(jìn)行體積設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)時(shí)，規(guī)定試件需在壓實(shí)溫度下養(yǎng)生2 h。

（2）礦物發(fā)泡泡沫瀝青混合料在性能方面具有如下特點(diǎn)：

①相對(duì)于熱拌混合料，礦物發(fā)泡型瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度分別降低了17.5%，低溫破壞應(yīng)變降低了35%，劈裂強(qiáng)度較低注重抗水損害設(shè)計(jì)。

②通過漢堡輪轍試驗(yàn)對(duì)于溫拌混合料的綜合路用性能再次進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，礦物發(fā)泡型瀝青混合料的高溫性能能夠滿足要求，但其抗水損害能力有所降低。

③采用“熱拌溫鋪”技術(shù)原理對(duì)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(shí)仍具有較好的和易性，對(duì)延長施工壓實(shí)的有效時(shí)間，保障壓實(shí)質(zhì)量和路用性能有利，具有明顯的推廣價(jià)值及工程實(shí)踐意義。

（3）機(jī)械發(fā)泡泡沫瀝青混合料在性能方面具有如下特點(diǎn)：

①泡沫瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度低于熱拌瀝青混合料，主要原因是泡沫瀝青混合料，瀝青整體處于較低溫度情況下，瀝青短期老化效應(yīng)較傳統(tǒng)瀝青混合料小，因此瀝青軟化點(diǎn)較低，混合料動(dòng)穩(wěn)定度有一定程度減小，抗車轍變形能力變差。

②拌瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度均大于泡沫瀝青混合料，表明泡沫瀝青混合料的抗水損害的能力較熱拌瀝青混合料有所降低。但降低的幅度小于15%，在系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，因此不屬于明顯降低的范疇，可通過大樣本補(bǔ)充試驗(yàn)獲取。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].人民交通出版社，2011.