采用泡沫瀝青溫拌工藝拌制橡膠瀝青混合料研究

王榮慶??

摘要：為了系統(tǒng)地評估泡沫瀝青溫拌橡膠瀝青混合料的性能，提出合理的生產(chǎn)施工工藝，針對拌和溫度與拌和效果的關(guān)系、馬歇爾擊實成型與壓實密度的關(guān)系以及SHRP旋轉(zhuǎn)壓實成型與壓實密度的關(guān)系展開研究。研究成果包括擊實溫度、發(fā)泡用水量、旋轉(zhuǎn)次數(shù)與密度的關(guān)系，這些成果可為現(xiàn)場施工工藝的設(shè)計及節(jié)能效果的評估提供重要的參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：泡沫瀝青；溫拌工藝；橡膠瀝青；施工工藝

中圖分類號：U414.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to systematically evaluate the performance of rubberized asphalt mixture produced with foaming and warm mix technology， proper production process and construction technology were proposed， and the relationships between the mixing temperature and effect， Marshall compaction shaping and compaction degree， and SHRP gyratory compaction shaping and compaction degree were studied. The correlation between the compaction degree and the compaction temperature， water amount for foaming and the number of rotations was obtained， which provides data basis for on-site construction technology design and energy savings assessment.

Key words： foamed asphalt； warm mix technology； rubberized asphalt； construction technology

0 引 言

近年來，橡膠瀝青混合料以其優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損壞、抗老化和抗疲勞性在國內(nèi)得到了大范圍的應(yīng)用[1-2]。但是橡膠瀝青在生產(chǎn)過程中需將瀝青加熱到180℃，集料加熱到190℃，而高溫帶來的弊端眾所周知。泡沫瀝青溫拌技術(shù)以其節(jié)能減排的顯著優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用，許多研究結(jié)果表明，泡沫瀝青溫拌技術(shù)能夠有效降低瀝青混合料的施工操作溫度，且泡沫瀝青溫拌混合料的路用性能仍能達(dá)到熱拌瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。

本文為了系統(tǒng)地評估泡沫瀝青溫拌橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)施工性能，提出生產(chǎn)施工工藝，針對拌和溫度與拌和效果的關(guān)系、馬歇爾擊實成型與壓實密度的關(guān)系、SHRP旋轉(zhuǎn)壓實成型與壓實密度的關(guān)系展開研究。

1 拌和溫度研究

1.1 試驗方案

本文研究使用的橡膠瀝青采用90#基質(zhì)瀝青，摻入20%的30目膠粉，在現(xiàn)場加工而成。采用AR-AC-13橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計。

（1）室內(nèi)進(jìn)行AR-AC-13瀝青混合料拌和性能的試驗，級配如表1、圖1所示。在85 ℃、95 ℃、105 ℃、115 ℃、125 ℃、135 ℃、145 ℃、155 ℃下觀察混合料拌和效果，記錄不同溫度下橡膠瀝青混合料拌和的難易程度和均勻性以及達(dá)到拌和均勻時需要的拌和時長等。通過比較，確定采用發(fā)泡溫拌工藝時橡膠瀝青混合料的允許最低拌和溫度。

（2）對AR-AC-13橡膠瀝青混合料進(jìn)行常規(guī)熱拌（加熱溫度170 ℃），并記錄其拌和效果。以常規(guī)熱拌的拌和效果作為標(biāo)準(zhǔn)，確定（1）中橡膠瀝青發(fā)泡溫拌工藝下與此拌和效果相接近的礦料加熱溫度條件。

（3）試驗過程。礦料加熱并恒溫4 h以上，并使其受熱均勻。拌和時先將熱礦料倒入攪拌鍋內(nèi)，然后加入瀝青，攪拌1 min后觀察拌和情況，一般如果攪拌鍋內(nèi)邊角上有未能拌勻的礦料，用人工略微翻拌一下，再攪拌1 min后加入礦粉，再拌和1 min。 拌和均勻的混合料在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行2 h養(yǎng)生，恒溫箱設(shè)定的養(yǎng)生溫度比拌和溫度低20 ℃（即擊實溫度）。混合料雙面擊實各75次，冷卻后脫模，再進(jìn)行穩(wěn)定度試驗。

1.2 試驗結(jié)果

不同拌和溫度下拌和料的外觀如圖2所示。110 ℃～130 ℃下拌和的橡膠瀝青混合料拌和均勻，無花料現(xiàn)象，裹附完整，能夠拌和；140 ℃～170 ℃下拌和的混合料可很快拌和均勻。

通過試拌發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1 min的攪拌，手工拌和均存在裹附不勻現(xiàn)象，主要集中在拌和鍋邊緣處。這種現(xiàn)象出現(xiàn)在瀝青混合料短時間拌和后，需要手動再翻拌一下；隨著溫度的降低，裹附不均現(xiàn)象有擴(kuò)大趨勢；2 min后基本上都能拌勻，再加入礦粉，經(jīng)過適當(dāng)?shù)陌韬投寄芎芸彀韬途鶆颉?/p>

2 馬歇爾性能研究

將配好的集料倒入拌鍋里，并在攪拌狀態(tài)下加入拌和用水；然后將拌鍋和發(fā)泡試驗機(jī)對接起來，在攪拌狀態(tài)下噴灑泡沫瀝青；攪拌30 s即可倒出，將拌好的混合料按規(guī)范要求制成標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件（雙面擊實，每面75次）。試驗采用熱拌、溫拌混合料對比的方式考察擊實溫度對溫拌橡膠瀝青混合料的影響。

2.1 馬歇爾試驗方案

標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗方法為：將試件置于已達(dá)規(guī)定溫度的恒溫水槽中保溫；將馬歇爾試驗儀的上下壓頭放入水槽或烘箱中達(dá)到同樣的溫度；當(dāng)采用自動馬歇爾試驗儀時，連接好接線；啟動加載設(shè)備，使試件承受荷載，加載速度為（50±5）mm·min-1；記錄試件的穩(wěn)定度和流值。

對比泡沫溫拌瀝青混合料與普通熱拌瀝青混合料在不同溫度下?lián)魧嵑蟮拿w積密度、馬氏穩(wěn)定度及流值。

2.2 試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)如圖3、圖4、表2所示。

從圖3可以看出，在相同溫度條件下溫拌橡膠瀝青混合料的密度均大于熱拌橡膠瀝青混合料。隨著擊實溫度的降低，熱拌橡膠瀝青混合料的密度與溫拌橡膠瀝青混合料密度的差距逐漸減小。這主要是因為，溫度低于100 ℃以后，泡沫中的水分由水蒸氣變成液體，發(fā)泡效果降低，泡沫瀝青粘度隨之增加，因此其擊實效果有所降低。從馬歇爾擊實試驗效果（擊實密度及馬歇爾穩(wěn)定度）來看，成型溫度控制在125 ℃時擊實效果較好。

馬歇爾穩(wěn)定度試驗是一種徑向的加載試驗，其試驗結(jié)果（馬歇爾穩(wěn)定度值）可以反映出瀝青混合料的粘性，還可以反映出瀝青混合料內(nèi)部各個成分之間的內(nèi)摩阻力和嵌擠力的作用情況。圖4說明：在較低的擊實溫度條件下，泡沫瀝青混合料的穩(wěn)定度比普通熱拌瀝青混合料更穩(wěn)定，在75 ℃～120 ℃的范圍內(nèi)，溫拌混合料與熱拌混合料的穩(wěn)定度相差不大；隨著擊實溫度進(jìn)一步升高（大于125 ℃），溫拌混合料的馬氏穩(wěn)定度與熱拌瀝青混合料的差值逐漸變大，熱拌瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度受溫度的影響顯著，特別是在120 ℃以上時。

試驗同時也對比了不同發(fā)泡加水量對擊實密度以及馬歇爾穩(wěn)定度的影響，研究結(jié)果表明，在115 ℃條件下，加水量（1%或1.5%）對發(fā)泡溫拌瀝青混合料的擊實密度、馬歇爾穩(wěn)定度以及流值沒有明顯影響。這說明增加少量水對溫拌泡沫瀝青混合料擊實效果以及力學(xué)強(qiáng)度影響較小，因此從耐久性角度考慮，宜采用較低的發(fā)泡加水量。

通過對比可以看出，115 ℃下制備的泡沫溫拌瀝青混合料馬歇爾試件與135 ℃成型熱拌料試件的毛體積密度基本一致，同時其馬氏穩(wěn)定度明顯達(dá)到規(guī)范要求，由此可以確定泡沫瀝青混合料的成型溫度為115 ℃。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，拌和溫度一般要高于擊實成型溫度10 ℃以上，因此拌和溫度確定為125 ℃，比熱拌瀝青混合料降低20 ℃～30 ℃。

3 Superpave旋轉(zhuǎn)壓實成型試驗

目前Superpave的旋轉(zhuǎn)壓實成型方法已被廣大單位認(rèn)可和采用，美國、加拿大等歐美國家在試驗與施工中大都采用了旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件。為了進(jìn)一步確定溫拌橡膠瀝青混合料的路用性能，對橡膠瀝青混合料進(jìn)行Superpave旋轉(zhuǎn)壓實成型試驗，并測試試件密度。旋轉(zhuǎn)壓實儀的壓實過程比較接近路面的實際壓實受力，壓實的程度可達(dá)到最大理論密度的98%以上。

旋轉(zhuǎn)壓實儀通過旋轉(zhuǎn)的滾軸對試件的揉搓作用來模擬汽車在瀝青路面上行駛時輪胎對路面的作用。根據(jù)交通量等級確定設(shè)計壓實次數(shù)Ndes和最大壓實次數(shù)Nmax，在設(shè)定的工作條件（垂直壓力600 kPa，旋轉(zhuǎn)角度1.25°，旋轉(zhuǎn)速度30 rpm）和設(shè)計壓實次數(shù)Ndes下，通過對混合料的反復(fù)搓揉成型試件。采用相同壓實次數(shù)，即Ndes=100次。壓實溫度、圈數(shù)與密度的關(guān)系分別見表3、4，曲線見圖5、6。

通過對比壓實圈數(shù)-密度曲線發(fā)現(xiàn)：在相同溫度及相同壓實功的條件下，溫拌橡膠瀝青混合料的壓實效果明顯優(yōu)于普通橡膠瀝青混合料；在較低溫度條件下，溫拌橡膠瀝青混合料在不同壓實圈數(shù)下的密度均大于熱拌橡膠瀝青混合料；在較高溫度條件下，溫拌橡膠瀝青混合料與熱拌橡膠瀝青混合料在不同壓實圈數(shù)時的密度基本接近。

觀察曲線后半段可以看出，溫拌橡膠瀝青混合料曲線的斜率與普通橡膠瀝青混合料基本一致，這表明，在開放交通后，溫拌橡膠瀝青混合料在相同的交通荷載作用下被進(jìn)一步壓密，混合料壓實程度與普通橡膠瀝青混合料基本相當(dāng)。換句話說，成型后的溫拌橡膠瀝青混合料抗車轍變形能力與普通橡膠瀝青混合料處于相近的水平。

4 瀝青拌和設(shè)備中溫拌橡膠瀝青的發(fā)泡效果

在高溫瀝青（140 ℃以上）中加入少量的水（環(huán)境溫度），冷水遇熱瀝青急劇汽化，體積迅速膨脹，生成泡沫瀝青?？梢哉J(rèn)為，只要是高溫瀝青遇水就會發(fā)泡，形成泡沫瀝青。橡膠瀝青是由基質(zhì)瀝青、回收的廢舊輪胎橡膠和添加劑摻和成的混合物。橡膠瀝青中的主要成分仍是基質(zhì)瀝青，并且在生產(chǎn)橡膠瀝青混合料時，橡膠瀝青的加熱溫度在175 ℃以上。因此，少量的水遇到熱的橡膠瀝青后仍會急劇汽化，體積迅速膨脹。經(jīng)初步分析認(rèn)為橡膠瀝青同樣具有發(fā)泡特性。

在瀝青混合料拌和設(shè)備配套安裝瀝青發(fā)泡裝置后，進(jìn)行了橡膠瀝青發(fā)泡試驗，試驗結(jié)果與預(yù)想的相符，橡膠瀝青發(fā)泡效果非常理想。圖7為用裝載機(jī)在拌缸出料口接出的橡膠瀝青的發(fā)泡效果。

5 采用泡沫瀝青溫拌技術(shù)試拌橡膠瀝青混合料

橡膠瀝青發(fā)泡后，其物理性質(zhì)會暫時發(fā)生變化，粘度顯著降低，和易性增加，從而可以在較低的溫度下充分裹覆集料[5]。在橡膠瀝青發(fā)泡成功后立即嘗試采用溫拌工藝拌制橡膠瀝青混合料，具體生產(chǎn)過程如下。

首先，采用熱拌工藝拌制橡膠瀝青混合料，混合料的拌和溫度為175 ℃～185 ℃。

然后，采用泡沫瀝青溫拌工藝拌制溫拌橡膠瀝青混合料，通過瀝青發(fā)泡裝置控制系統(tǒng)采集瀝青噴射的起止信號，將一定比例的水與預(yù)先制備好的橡膠瀝青同步加入到瀝青發(fā)泡管內(nèi)。在瀝青發(fā)泡管內(nèi)，冷水遇熱瀝青急劇汽化，體積迅速膨脹，生成泡沫瀝青，最終以泡沫橡膠瀝青的形態(tài)噴入拌缸，與集料拌和成瀝青混合料。橡膠瀝青發(fā)泡后拌和的混合料拌和均勻，外觀與熱拌橡膠瀝青混合料無明顯區(qū)別。

隨后，繼續(xù)采用橡膠瀝青發(fā)泡工藝拌制橡膠瀝青混合料，并逐步降低集料加熱溫度。在此過程中密切觀察橡膠瀝青混合料的拌和均勻程度及有無花白料和離析現(xiàn)象，同時注意拌和設(shè)備拌缸電機(jī)工作電流的變化情況。拌和溫度在150 ℃以上時，混合料拌和均勻，與熱拌橡膠瀝青混合料無明顯區(qū)別，電機(jī)電流的最大值在100～115 A，與熱拌時的電流值變化情況相一致，這說明雖然混合料的拌和溫度降低了，但其拌和強(qiáng)度與熱拌基本相當(dāng)，易于拌和。當(dāng)拌和溫度降至140 ℃～145 ℃時，拌缸電機(jī)電流最大值明顯增大，達(dá)到130 A左右，但混合料仍能拌和均勻；當(dāng)拌和溫度降至135 ℃時，拌缸電機(jī)電流最大值增大到145 A左右，混合料出現(xiàn)花白料。拌缸電機(jī)的電流允許最大值為153 A，為保證混合料拌和均勻和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確定在采用泡沫瀝青溫拌工藝拌制橡膠瀝青混合料時，拌和溫度應(yīng)控制在150 ℃～160 ℃，不得低于145 ℃，在此溫度范圍內(nèi)混合料易于拌和均勻。

6 結(jié) 語

通過上述試驗可知，采用泡沫瀝青溫拌工藝拌制橡膠瀝青混合料是完全可行的，混合料的拌和出料溫度可由175 ℃～185 ℃降至150 ℃～160 ℃，比熱拌工藝降低了20 ℃～30 ℃，可帶來一定的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，值得進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：王玉玲]