不同溫拌瀝青混合料降溫效果研究

張宜洛，王 濤，李 晨

(長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

不同溫拌瀝青混合料降溫效果研究

張宜洛，王 濤，李 晨

(長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

選取有機(jī)添加劑Sasobit和人工沸石兩種溫拌劑，采用東海70號(hào)瀝青配置溫拌瀝青，選取AC-13礦料級(jí)配拌制瀝青混合料。通過黏溫曲線和馬歇爾試件的體積指標(biāo)分別確定兩種溫拌劑各自的最佳摻量；在最佳摻量的條件下通過不同溫度下成型馬歇爾試件和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，觀察其空隙率的變化規(guī)律來研究?jī)煞N溫拌瀝青混合料的降溫效果。研究表明：兩種溫拌劑都可降低瀝青的高溫黏度，其黏度隨溫拌劑摻量的增加而減小；Sasobit最佳摻量為3%(與瀝青的比例)，在馬歇爾擊實(shí)條件下，加入Sasobit的WMA 的成型溫度比HMA的成型溫度降低了14 ℃；人工沸石的最佳摻量為0.3%(與混合料的比例)，在馬歇爾擊實(shí)條件下，加入人工沸石的WMA成型溫度比HMA的成型溫度降低了20 ℃，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的情況下兩者的溫度降低了接近30 ℃。

道路工程；溫拌瀝青混合料；Sasobit；人工沸石；降溫效果；空隙率

0 引 言

現(xiàn)今瀝青路面在我國(guó)道路系統(tǒng)中的比重約占90%，大部分路面都采用熱拌瀝青混合料HMA(Hot Mix Asphalt)。在施工過程中集料和瀝青的加熱溫度不低于160 ℃，拌和后的瀝青混合料的溫度不低于150 ℃，攤鋪和碾壓的溫度不低于140 ℃，然而熱拌瀝青混合料的施工溫度過高帶來的問題是不可避免的[1-3]。例如施工溫度過高加速了瀝青的老化，影響了瀝青路面的服務(wù)壽命；加劇了對(duì)燃料的消耗，造成資源的浪費(fèi)；施工時(shí)溫度過高，會(huì)產(chǎn)生有害氣體，對(duì)人體的健康構(gòu)成威脅，環(huán)境污染加劇。

溫拌瀝青混合料 WMA(Warm Mix Asphalt)采用一定的技術(shù)手段，降低瀝青高溫時(shí)的黏度，使瀝青混合料可以在較低的溫度下進(jìn)行拌和與攤鋪而且其路用性能可以與熱拌瀝青混合料相媲美[4]。目前常用的溫拌瀝青的制備方法有3種，分別為有機(jī)降黏型溫拌技術(shù)，其主要代表產(chǎn)品是Sasobit有機(jī)添加劑；發(fā)泡瀝青降黏型溫拌技術(shù)，發(fā)泡瀝青降黏技術(shù)分為泡沫瀝青技術(shù)和微發(fā)泡技術(shù)，其典型代表分別是WAM-Foam技術(shù)和Aspha-min技術(shù)；乳化分散瀝青溫拌技術(shù)，其中美國(guó)MeadWestvaco(美德維實(shí)偉克)公司發(fā)明了乳化瀝青溫拌瀝青混合料技術(shù)——EvothermTM技術(shù)最為典型[5-7]。

筆者選取人造沸石和有機(jī)添加劑Sasobit兩種溫拌劑。人造沸石溫拌劑通過不同溫度下成型的混合料試件的空隙率確定其最佳用量，在最佳用量的條件下采取不同的成型方式針對(duì)不同溫度下混合料試件的空隙率來判斷其降溫效果。不同劑量的Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青的黏溫特性影響，確定最佳的添加劑用量以及其拌和，壓實(shí)溫度。通過溫拌劑最佳用量條件下溫拌瀝青混合料的空隙率指標(biāo)來驗(yàn)證黏溫特性所確定的拌和及壓實(shí)溫度的合理性。

1 原材料與級(jí)配的選擇

1.1 瀝青的選擇

筆者選取的瀝青為東海70號(hào)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 東海70號(hào)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 溫拌劑

筆者選取了兩種溫拌劑：一種是有機(jī)添加劑Sasobit；另一種是人造沸石。兩種溫拌劑的基本性質(zhì)如表2、表3。

表2 人造沸石技術(shù)性能

表3 Sasobit技術(shù)性能

1.3 集 料

粗、細(xì)集料均選取玄武巖，礦粉為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r磨細(xì)而制成的，具體指標(biāo)見表4、表5。

表4 集料技術(shù)指標(biāo)

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.4 級(jí)配的選擇

筆者選取AC-13礦料級(jí)配配置瀝青混合料，具體如表6。

表6 AC-13礦料級(jí)配

2 溫拌劑最佳劑量的確定

2.1 人工沸石最佳劑量確定

人工沸石結(jié)合自身具有吸水的特點(diǎn)，將其直接投放到瀝青混合料中，沸石內(nèi)部21%的水分在85～185 ℃析出。這樣可減弱瀝青的黏性，降低瀝青混合料施工時(shí)的溫度[8]。因此不需要從溫拌瀝青的角度來考慮其最佳劑量，可以直接對(duì)混合料的體積指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，確定其最佳劑量。

選取人工沸石不同的6種劑量(與瀝青混合料的比例),分別為0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，分別在120，130，140，150 ℃拌制瀝青混合料并成型試件，測(cè)得其空隙率如圖1。

圖1 不同摻量的溫拌劑對(duì)應(yīng)的空隙率Fig.1 Corresponding voidage of different content of warm mix agent

由圖1可知，隨著人工沸石劑量的增加，在相同溫度下，試件空隙率是先減小后增加，且當(dāng)劑量為0.3%時(shí)所對(duì)應(yīng)的試件空隙率達(dá)到最小值。表明人工沸石的摻量過大或過小，試件都達(dá)不到最佳密實(shí)狀態(tài)?？沙醪脚卸?，人工沸石的最佳摻量(與瀝青混合料的比例)為0.3%。

2.2 黏溫特性及溫度確定

2.2.1 Sasobit溫拌瀝青黏溫特性

添加溫拌劑的主要目的是降低混合料施工時(shí)的溫度，達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)。加入溫拌劑后的改性瀝青，由于Sasobit有機(jī)添加劑凝固點(diǎn)為110 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瀝青的軟化點(diǎn)，而135 ℃的黏度卻極低，為0.012 Pa·s。有機(jī)添加劑對(duì)瀝青改性的主要特點(diǎn)為：提高瀝青的軟化點(diǎn)，使瀝青的高溫抗變形能力提高；降低瀝青的高溫黏度[8-10]。筆者通過美國(guó)SHRP計(jì)劃Brookfield黏度計(jì)作為瀝青黏度的測(cè)試設(shè)備，測(cè)試溫度在105～155 ℃時(shí)，向東海70號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青中加入1%，2%，3%，4%，5%(與瀝青的比例)Sasobit有機(jī)添加劑的黏度，見圖2和表7。

圖2 黏度隨溫度的變化趨勢(shì)Fig.2 Change trend of viscosity with temperature

表7 Sasobit溫拌瀝青黏度

(續(xù)表7)

Sasobit劑量/%不同溫度/℃下的黏度/cp10511512513514515523944141171929321615136269128964424720912841289412196292332021155140691000528227181107

log·log(η)=B-Alog(273+T)

(1)

式中：η為黏度，cp；T為溫度，℃；B，A為參數(shù)。

由圖2可見，隨著溫拌瀝青(添加不同Sasobit有機(jī)添加劑)隨溫度增加，黏度降低幅度不同。由表7可見，在105，115 ℃溫拌瀝青的黏度出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，這證明了之前提出的Sasobit有機(jī)添加劑熔點(diǎn)在110 ℃左右。加入Sasobit有機(jī)添加劑的瀝青達(dá)到熔點(diǎn)會(huì)稀釋瀝青，使瀝青的黏度降低。

由圖2還可看出，Sasobit的摻量從0到3%瀝青的黏度降低幅度很大，瀝青的高溫黏度降低了41%左右，繼續(xù)增加Sasobit的摻量，溫拌瀝青的黏度幾乎與Sasobit為3%時(shí)的溫拌瀝青黏度平行，當(dāng)再繼續(xù)增加Sasobit的摻量反而顯得不經(jīng)濟(jì)。所以， Sasobit摻量為瀝青質(zhì)量的3%(與瀝青的比例)最為適宜。

2.2.2 拌和與攤鋪溫度確定

我國(guó)在瀝青施工溫度研究方面借鑒國(guó)外ASTM方法。對(duì)于基質(zhì)瀝青也是采用(170±20)cp和(280±30)cp對(duì)應(yīng)的等黏溫度作為混合料的拌和與壓實(shí)溫度。Sasobit有機(jī)添加劑的特點(diǎn)是可以降低瀝青高溫時(shí)的黏度，降低瀝青混合料的拌和與攤鋪溫度，使施工更加方便。提高瀝青低溫時(shí)的黏度可讓溫拌瀝青混合料具有熱拌瀝青混合料同樣的路用性能[9]。

在歐洲很多國(guó)家，市政垃圾中的有機(jī)含量（TOC）在填埋處理之前必須低于3%，也即只有足夠穩(wěn)定化的垃圾才能進(jìn)入填埋場(chǎng)。通溝污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，若直接填埋將產(chǎn)生巨額的處置費(fèi)用。因此，通溝污泥的處理處置方向已十分明確：必須選用技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的處理工藝對(duì)其進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化處理，從而降低末端處置難度及成本。

筆者通過不同劑量Sasobit有機(jī)添加劑在不同溫度下對(duì)應(yīng)的黏度結(jié)合式(1)計(jì)算出不同摻量Sasobit溫拌瀝青混合料對(duì)應(yīng)的拌和與攤鋪溫度。

隨著Sasobit摻量的增加，溫拌瀝青混合料的拌和與攤鋪溫度隨著降低。Sasobit摻量由0增加到3%，Sasobit摻量每增加1%，拌和溫度約降低4.5 ℃，攤鋪溫度約降低3.1 ℃。當(dāng)Sasobit的摻量大于3%時(shí)，溫拌瀝青混合料的拌和與攤鋪溫度降低幅度明顯變小，所以規(guī)定Sasobit摻量為3%。當(dāng)Sasobit摻量為3%，可計(jì)算出混合料的拌和溫度為140 ℃左右，攤鋪溫度在132 ℃左右(表8)。

表8 Sasobit 溫拌瀝青混合料的拌和與攤鋪溫度

3 溫拌瀝青混合料降溫效果研究

筆者選取人工沸石和Sasobit兩種溫拌劑，并通過黏溫曲線對(duì)Sasobit溫拌瀝青混合料的拌和與攤鋪溫度進(jìn)行了預(yù)估[10]。結(jié)合混合料的體積指標(biāo)對(duì)Sasobit溫拌瀝青混合料的拌和與攤鋪溫度進(jìn)行驗(yàn)證(主要是采用混合料的空隙率指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證)。在不同溫度下成型馬歇爾和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，通過觀察人工沸石改性的溫拌瀝青混合料空隙率變化規(guī)律來研究降溫效果。

3.1 Sasobit溫拌瀝青混合料降溫效果

采用東海70號(hào)基質(zhì)瀝青，AC-13的礦料級(jí)配拌和瀝青混合料；拌和溫度為155 ℃；試件的成型溫度為141 ℃；瀝青混合料(Sasobit摻量為3%)分別在155，145，135，125 ℃這4個(gè)溫度下成型試件；最佳油石比為5.1%。

因需要準(zhǔn)確控制混合料成型溫度，在混合料拌和之后均放入恒溫烘箱中在目標(biāo)溫度下養(yǎng)護(hù)2 h，并在成型時(shí)控制溫度以確保混合料的成型溫度在目標(biāo)溫度的±2 ℃范圍內(nèi)。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9、圖3和表10。

表9 AC-13混合料體積指標(biāo)

圖3 Sasobit溫拌瀝青混合料空隙率隨溫度的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of Sasobit warm mix asphalt voidage changing with the temperature

表10 不同成型溫度下3%Sasobit溫拌瀝青混合料的空隙率

由表10和圖3可知：添加3%Sasobit溫拌瀝青混合料與東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料相比，相同的成型溫度條件下，溫拌瀝青混合料的空隙率降低了0.803%，相比東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料的空隙率下降了21.1%；相同空隙率情況下，溫拌瀝青混合料的成型溫度為141 ℃，與東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料溫度降低了14 ℃，與黏溫曲線所預(yù)估的成型溫度基本一致?？梢?，Sasobit有機(jī)添加劑能有效地降低基質(zhì)瀝青高溫時(shí)的黏度。

3.2 人工沸石溫拌瀝青混合料降溫效果

人工沸石內(nèi)部含有約21%的水分，將它投入到瀝青中，當(dāng)溫度高于80 ℃左右時(shí)，水分就開始析出，產(chǎn)生的泡沫使瀝青體積膨脹達(dá)到降低瀝青高溫黏度的目的[11-12]。為驗(yàn)證人工沸石加入瀝青混合料中的降溫效果，筆者主要采用不同的成型方式來驗(yàn)證瀝青混合料空隙率的變化規(guī)律。

3.2.1 馬歇爾試件的空隙率變化特征

與Sasobit有機(jī)添加劑不同的是人工沸石是直接加入到瀝青混合料中，所以不能通過瀝青的黏溫曲線來估計(jì)瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度[12]。根據(jù)溫拌瀝青混合料的體積指標(biāo)，筆者所采用AC-13礦料級(jí)配，東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料的體積指標(biāo)見表10。加入人工沸石后的溫拌瀝青混合料與Sasobit溫拌瀝青混合料拌和及成型方式一致，其試驗(yàn)的空隙率變化見圖4。由圖4可知，相同的成型溫度，加入0.3%的人工沸石的空隙率降低了0.903%，比東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料降低了23.7%；相同的空隙率條件下，加入0.3%的人工沸石的混合料的成型溫度為135 ℃，比東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料的成型溫度降低了20 ℃，說明人工沸石加入瀝青混合料中降溫效果明顯。

圖4 人工沸石溫拌瀝青混合料空隙率隨溫度的變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of artificial zeolite warm mix asphalt voidage changing with the temperature

3.2.2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的空隙率變化特征

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法(SGC)更好地與實(shí)際施工路面的壓實(shí)情況相符，通過揉搓、剪切和壓密的綜合方式進(jìn)行壓實(shí)[12]。減少礦料在壓實(shí)過程中自身被壓碎，且集料的排列方式與實(shí)際道路的情況相符。根據(jù)《AASHTO 規(guī)范》(2004 版)的有關(guān)規(guī)定，選擇的 Nnin=8，Ndes=100。采用Superpave法，在不同壓實(shí)溫度下拌制改性瀝青混料并將該溫度的烘箱保溫2 h，之后成型混合料試件，具體見表11和圖5。

表11 0.3%人工沸石溫拌瀝青混合料不同溫度下旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件空隙率

圖5 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件空隙率隨溫度變化趨勢(shì)Fig.5 Trend of gyratong compact specimen voidage changing with the temperature

由表11和圖5可知，東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料在155 ℃旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的試件空隙率為3.114%，相同成型溫度下，加入0.3%人工沸石的溫拌瀝青混合料的空隙率為2.503%，相比下降了19.6%；當(dāng)達(dá)到與東海70號(hào)基質(zhì)瀝青混合料相同的空隙率，溫拌瀝青混合料的成型溫度為136 ℃，混合料的拌和及成型溫度降低了19 ℃。

在保持馬歇爾空隙率一致時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件的拌和與成型溫度大約在125 ℃左右，降低了接近30 ℃。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的降溫幅度要遠(yuǎn)大于馬歇爾成型的試件，這主要與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的揉搓原理有關(guān)。通過馬歇爾和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件可以明確人工沸石降溫效果顯著。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)Sasobit摻量小于3%(與瀝青的比例)時(shí)，溫拌瀝青的高溫黏度降低幅度很大；當(dāng)Sasobit摻量大于3%溫拌瀝青的高溫黏度降低幅度不明顯。考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況，選取3%的Sasobit摻量最為適宜。

2)當(dāng)人工沸石的摻量在0.3%(與瀝青混合料的比例)時(shí)，試件的空隙率最小。

3)對(duì)比熱拌基質(zhì)瀝青混合料，添加3% Sasobit摻量的溫拌瀝青混合料溫度降低了14℃，能在溫度降低的條件下具有與熱拌基質(zhì)瀝青相同的空隙率。

4)與添加0.3%人工沸石的溫拌瀝青與熱拌基質(zhì)瀝青相比，馬歇爾成型條件下溫度降低了20℃；在保持馬歇爾空隙率一致的條件下，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，溫度降低了接近30 ℃。

5)有機(jī)添加劑Sasobit推薦摻量(與瀝青的比例)為3%，人工沸石的推薦摻量(與瀝青混合料的比例)為0.3%。

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Cooling Effect of Different Warm Mix Asphalt

ZHANG Yiluo, WANG Tao, LI Chen

(Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P. R. China)

The organic additive Sasobit and artificial zeolite were chosen as two kinds of warm mix agents, and Donghai 70# asphalt was adopted as the preparation of warm mix asphalt, and AC-13 mineral aggregate gradation was selected to mix the asphalt mixture. The optimum content of two kinds of warm mix agents was determined respectively by the volume indicators of viscosity-temperature curve and Marshall specimen. Under the condition of optimal dosage, the change rule of voidage was observed by forming Marshall specimen and gyratory compact specimen with different temperature, to study the cooling effect of two kinds of warm mix asphalt. The results show that both of two warm mix agents can reduce the high temperature viscosity of asphalt, and its viscosity decreases with the increase of the dosage of warm mix agent; the optimal dosage of Sasobit is 3% (the ratio to asphalt), and WMA molding temperature with Sasobit added decreases by 14 ℃ under the condition of Marshall compaction, compared with that of HMA; the optimum content of artificial zeolite was 0.3% (the ratio to mixture), and WMA molding temperature with artificial zeolite added decreases by 20 ℃ under the condition of Marshall compaction, compared with that of HMA; in the case of gyratory compaction, the temperature of the both above reduces by nearly 30 ℃.

highway engineering; warm mix asphalt; Sasobit; artificial zeolite; cooling effect; voidage

2015-09-24；

2015-12-30

張宜洛(1966—)，男，河南洛陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事道路建筑材料方面的研究。E-mail：13389227636@163.com 。

王 濤(1991—)，男，安徽蕪湖人，碩士，主要從事道路建筑材料方面的研究。E-mail：1085698301@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.10

U414

A

1674-0696(2016)06-045-06