DAT與SA溫拌排水瀝青混合料路用性能對(duì)比

王 坤，陳景雅，王 謙，瞿 翔

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；2.濰坊昌大建設(shè)集團(tuán)，山東濰坊 261031）

在高等級(jí)公路建設(shè)中，熱拌瀝青混合料（hotmix asphalt，HMA）以其獨(dú)特良好的使用性能受到各國(guó)的的青睞。迄今為止，HMA是應(yīng)用最為廣泛、路用性能最為優(yōu)良的一種混合料［1］。但熱拌瀝青混合料也暴露出許多缺陷，主要表現(xiàn)在［2-4］：混合料生產(chǎn)過(guò)程中伴有有害氣體排放，污染環(huán)境嚴(yán)重，對(duì)操作人員的身體健康產(chǎn)生不利影響；能源消耗量也相對(duì)較大；較為苛刻的施工條件加速了瀝青膠結(jié)料的老化，降低了混合料路用性能；相對(duì)較短的施工季節(jié)造成機(jī)械人員很長(zhǎng)時(shí)間的閑置，再有就是HMA施工工期長(zhǎng)。相對(duì)于熱拌，冷拌瀝青混合料在能耗、環(huán)保方面有一定優(yōu)勢(shì)，但總體上其路用性能與HMA相比還有較大差距。因此，它只能用于瀝青路面的修補(bǔ)，低、中重交通量路面的下面層和基層［5］。鑒于此，為控制環(huán)境污染，減少能源消耗，針對(duì)傳統(tǒng)的HMA技術(shù)，各國(guó)科研工作者經(jīng)過(guò)不斷努力，相應(yīng)提出了溫拌瀝青混合料（warmmix asphalt，WMA）技術(shù)［6-7］。目前，該方向的研究趨勢(shì)就是通過(guò)一定的技術(shù)措施，降低瀝青高溫下的粘度，使瀝青能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌合及施工，同時(shí)又不致?lián)p害其路用性能。

溫拌瀝青混合料的主要優(yōu)點(diǎn)有［6］：無(wú)需改造設(shè)備即可進(jìn)行生產(chǎn)；可以降低拌合成本；可以降低瀝青混合料的生產(chǎn)能耗，減輕老化，改善路用性能；可以減少有害氣體排放量，降低環(huán)境污染，改善工作環(huán)境；可以延長(zhǎng)施工季節(jié)，增加瀝青路面施工的靈活性和便利性；可以延長(zhǎng)瀝青混合料拌合設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備使用成本；可以較快開(kāi)放交通。溫拌技術(shù)的主要技術(shù)路線：降黏型溫拌技術(shù)，添加高溫黏度很低的有機(jī)降黏劑，降低膠結(jié)料黏度，以蠟或蠟狀物（sasobit，SA）為主；發(fā)泡型溫拌技術(shù)，通過(guò)自由水或結(jié)晶水，采用機(jī)械或細(xì)集料帶水激發(fā)瀝青發(fā)泡來(lái)臨時(shí)性降低瀝青的黏度；表面活性溫拌技術(shù)［8］，與前兩種不同，表面活性溫拌技術(shù)采用分散瀝青添加劑（disperseasphalt technology，DAT)、表面活性添加劑、水和瀝青在拌合過(guò)程中共同作用，借助拌合的強(qiáng)大分散能力實(shí)現(xiàn)彼此交織。由于水膜潤(rùn)滑作用不受溫度影響，溫度下降時(shí)，水膜潤(rùn)滑作用能夠很大程度抵消瀝青黏度增大的作用，從而實(shí)現(xiàn)溫拌效果。

由于溫拌技術(shù)與排水路面的大空隙結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響的疊加，使得目前溫拌技術(shù)在排水瀝青路面上的應(yīng)用極為罕見(jiàn)，所以，溫拌技術(shù)應(yīng)用于排水瀝青路面非常值得研究。通過(guò)空隙率指標(biāo)變化確定SA溫拌與DAT溫拌排水瀝青混合料的合理的拌合擊實(shí)溫度，并對(duì)2種溫拌排水路面的路用性能進(jìn)行對(duì)比，用以驗(yàn)證溫拌技術(shù)的可行性及確定合適的溫拌添加劑。

1 原材料

1.1 瀝青

排水瀝青的大空隙結(jié)構(gòu)使其具有良好的排水功能和雨天行車(chē)安全特性的同時(shí)，必然使其耐久性與強(qiáng)度有所損失；而且空隙率越大，排水功能越好，這種損失程度也隨之增大［9］。為了減少這種損失，本次試驗(yàn)選取粘度較高的瀝青膠結(jié)料—高粘瀝青，并對(duì)其各指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，本次試驗(yàn)選取的髙粘瀝青的各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求［10］。

表1 高粘瀝青檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Resultsof very sticky bitumen test

1.2 集料

排水瀝青混合料以粗集料為主，因此粗集料質(zhì)量直接決定排水瀝青路面的抗滑性能。同時(shí)，為保證混合料排水功能，石料外形應(yīng)具有近似立方體形狀，針片狀顆料比一般要求高，而且要求采用洛杉磯法測(cè)定的磨耗率小于25%～30%［11］。試驗(yàn)選取的礦粉為石灰?guī)r礦粉，粗細(xì)集料為玄武巖。集料的密度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.3 溫拌添加劑

SA溫拌添加劑有顆粒狀及粉末狀兩種形態(tài)，其中顆粒狀小球可直接摻入混合料，為保證施工便利及質(zhì)量控制，粉末狀適用于在熔融狀態(tài)下?lián)饺霟岬臑r青中，本試驗(yàn)推薦選用顆粒狀形態(tài)的SA溫拌劑，其物理化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 集料密度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Resultsof aggregate density test

表3 SA的物理和化學(xué)性質(zhì)Tab.3 Physicaland chem icalpropertiesof SA

DAT溫拌添加劑常溫下呈液態(tài)，主要與水和瀝青在拌合過(guò)程中共同作用，借助拌合的強(qiáng)大分散能力實(shí)現(xiàn)彼此交織。其物理指標(biāo)見(jiàn)表4。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其討論

2.1 配合比設(shè)計(jì)

進(jìn)行溫拌排水瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)前需要對(duì)混合料的原材料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）［12］在OGFC-13的級(jí)配范圍內(nèi)選擇排水瀝青混合料的3個(gè)級(jí)配。溫拌排水瀝青混合料所選的級(jí)配見(jiàn)表6。

表5 原材料篩分試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Resultsof raw materialsieving test

表4 DAT溫拌外加劑關(guān)鍵指標(biāo)Tab.4 Key index of DAT additive

表6 OGFC-13級(jí)配Tab.6 Curve graph of OGFC-13

分別對(duì)3條級(jí)配的熱拌瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)、動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 熱拌排水瀝青混合料各級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Resultsof hotm ix porousasphaltm ixtureatall levels

從表7可以看到，3條級(jí)配瀝青混合料的各指標(biāo)，為保證排水瀝青路面的使用性能，空隙率宜在18%～25%之間，級(jí)配2符合此要求，且其各指標(biāo)明顯優(yōu)于其它兩條級(jí)配的指標(biāo)，因此優(yōu)選級(jí)配2作為設(shè)計(jì)級(jí)配，進(jìn)行其它性能的試驗(yàn)。

按此級(jí)配的集料配料，采用5種油石比4.3%，4.8%，5.3%，5.8%，6.3%，聚酯纖維摻加量均為混合料質(zhì)量的0.25%，雙面各擊實(shí)50次制作馬歇爾試件，進(jìn)行空隙率、謝倫堡析漏損失、肯塔堡飛散損失、馬歇爾穩(wěn)定度等相關(guān)指標(biāo)試驗(yàn)，最終確定最佳油石比為5.4%。然后，進(jìn)行最佳油石比下的熱拌與溫拌的性能對(duì)比試驗(yàn)。

2.2 溫拌與熱拌排水瀝青混合料性能比較

2.21 最佳擊實(shí)與拌和溫度的確定

瀝青混合料的拌和溫度根據(jù)瀝青的不同而有所差別。為了以體積參數(shù)為控制指標(biāo)來(lái)確定合理施工溫度［13］，對(duì)于未添加溫拌劑，添加DAT溫拌劑和SA溫拌劑的髙粘瀝青，拌和溫度分別采用135，145，155，165，175℃，對(duì)成型試件的空隙率作對(duì)比確定合理的拌和溫度。

瀝青混合料拌和好以后立即成型，試件采用馬歇爾擊實(shí)儀，試件尺寸為直徑101.6mm、高（63.5±1.3）mm。為了對(duì)比不同試驗(yàn)溫度的空隙率差別，故對(duì)所有混合料試件均采用相同的壓實(shí)功（正反各擊實(shí)50次）。空隙率結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出3種混合料的空隙率都隨拌和溫度的升高而降低，175℃下的熱拌瀝青混合料的空隙率與155℃兩種溫拌條件下的空隙率接近，故溫拌條件下合理的拌和溫度是155℃。

采用級(jí)配2對(duì)排水瀝青混合料進(jìn)行熱拌和兩種溫拌添加劑下的溫拌性能試驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比分析，其中DAT溫拌劑的摻量為瀝青質(zhì)量的10%，溫拌試驗(yàn)采用的SA溫拌劑的摻量為瀝青質(zhì)量的2.5%，擊實(shí)次數(shù)為正反各50次。兩種試驗(yàn)條件見(jiàn)表8所示。

圖1 空隙率與拌和溫度關(guān)系圖Fig.1 Relationalgraph of void ratio and m ixing temperature

表8 熱拌與溫拌排水瀝青混合料試驗(yàn)條件對(duì)比Tab.8 Test condition contrastofwarm and hot porousasphaltm ixture ℃

由表8可以總結(jié)出：溫拌排水瀝青混合料的集料加熱溫度比熱拌的降低20℃，擊實(shí)成型溫度比熱拌的降低20℃。

2.22 高溫穩(wěn)定性能

對(duì)溫拌和熱拌排水瀝青混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，荷載按標(biāo)準(zhǔn)方法采用0.7MPa，試驗(yàn)溫度為60℃，測(cè)試兩種拌和條件下的排水瀝青混合料的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，比較分析拌和與擊實(shí)溫度對(duì)排水瀝青混合料抗車(chē)轍能力的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9所示。

表9 排水瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Rutting test resultsof porousasphaltm ixture

試驗(yàn)結(jié)果表明，拌和與擊實(shí)溫度對(duì)排水瀝青混合料的抗車(chē)轍能力影響明顯，由表9可以看出，溫拌排水瀝青混合料與熱拌排水瀝青混合料相比穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度稍有升高SA溫拌OGFC-13升高幅度較DAT溫拌OGFC-13明顯，說(shuō)明SA和DAT添加劑對(duì)排水瀝青混合料的抗車(chē)轍能力有促進(jìn)作用，且SA添加劑對(duì)其的促進(jìn)效果更為明顯。

2.23 水穩(wěn)定性能

對(duì)溫拌和熱拌排水瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。從表10可以看出熱拌排水瀝青混合料和溫拌排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性能各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。溫拌排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性能與熱拌相比稍有所降低但是降低幅度不大，均滿足規(guī)范要求［10］，兩種溫拌條件下的瀝青混合料水穩(wěn)定性相差不大。

表10 排水瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Water stability test resultsof porousasphaltm ixture

溫拌排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)穩(wěn)定性能均滿足規(guī)范技術(shù)要求［10］，與熱拌排水瀝青混合料相比高溫性能稍有升高，水穩(wěn)定性能稍有降低。

2.2.4 低溫性能

表11 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.11 Resultsof bending testof smallbeam

由表11可以看出，溫拌OGFC-13瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性有所降低，而且SA溫拌OGFC-13瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性略低于DAT溫拌OGFC-13瀝青混合料。

綜上，與熱拌排水瀝青混合料相比溫拌排水瀝青混合料的高溫性能稍有升高，水穩(wěn)定性能稍有降低，低溫性能有所下降，但是都符合規(guī)范要求［10］。

3 結(jié)論

1）通過(guò)合理的選擇溫拌劑的種類(lèi)與用量，可以實(shí)現(xiàn)排水瀝青路面的溫拌技術(shù)。

2）與熱拌排水瀝青混合料相比，溫拌排水瀝青混合料的合理?yè)魧?shí)溫度為155℃，可以在低于熱拌料20℃條件下取得同等的拌和與碾壓效果。

3）SA溫拌與DAT溫拌有相近的降溫效果。兩者的水穩(wěn)定性較熱拌瀝青混合料均有略微降低，但仍符合規(guī)范要求；抗車(chē)轍能力有較大提高，并且SA溫拌瀝青混合料的抗車(chē)轍能力最強(qiáng)。溫拌條件下的低溫性能均有所下降，DAT溫拌條件下的低溫性能下降幅度較小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終選擇SA作為最適宜的溫拌排水瀝青路面的溫拌劑。

4）溫拌瀝青混合料的各工藝過(guò)程均在低于熱拌瀝青混合料20℃條件下完成，因此可以較大程度的解決瀝青高溫下的熱老化問(wèn)題，進(jìn)而提高瀝青混凝土路面的耐久性。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終選擇SA作為最適宜的溫拌排水瀝青路面的溫拌劑。

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