基于剪切力的泡沫溫拌瀝青混合料成型溫度研究

尹龍，徐波，丁鵬(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098)*

基于剪切力的泡沫溫拌瀝青混合料成型溫度研究

尹龍，徐波，丁鵬
(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098)*

為確定泡沫溫拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度，以發(fā)泡后的SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，在不同溫度下用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)分別成型Sup-20、AC-13瀝青混合料試件，通過分析泡沫溫拌和常規(guī)熱拌瀝青混合料在壓實(shí)過程中剪應(yīng)力與旋轉(zhuǎn)次數(shù)的關(guān)系，確定泡沫瀝青混合料的成型溫度，并采用高溫車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證此壓實(shí)溫度下泡沫溫拌瀝青混合料的路用性能.結(jié)果表明: SBS改性泡沫瀝青的最佳壓實(shí)溫度為130℃，在130℃下成型泡沫溫拌瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和抗水損害性能與熱拌相當(dāng)，均滿足規(guī)范要求.

道路工程;泡沫瀝青;成型溫度;剪切力;旋轉(zhuǎn)壓實(shí)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及生存環(huán)境的惡化，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)成為亟待解決的問題.傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料造成大量的能源損耗和廢氣、粉塵排放，威脅周圍環(huán)境質(zhì)量和施工人員的健康，溫拌瀝青混合料受到廣泛關(guān)注［1-3］.溫拌技術(shù)主要有三類:化學(xué)類、有機(jī)類和泡沫類.泡沫溫拌技術(shù)相比其它兩種溫拌技術(shù)不需任何添加劑，在降低施工溫度的同時(shí)不影響瀝青路面路用性能，是真正的“綠色筑路技術(shù)”［4］.

在美國(guó)Feipeng Xiao，V.S.Punith等通過室內(nèi)試驗(yàn)，考慮不同級(jí)配、發(fā)泡用水量、集料干濕情況等因素，針對(duì)不同壓實(shí)溫度對(duì)泡沫溫拌瀝青混合料的成型壓實(shí)次數(shù)、車轍和水穩(wěn)定性的影響情況進(jìn)行了分析，指出成型溫度在102～118℃時(shí)，泡沫瀝青混合料的車轍和TSR值基本無變化［5］.Shu Wei Goh，Zhang ping You在不同發(fā)泡用水量和成型溫度( 100，115，130℃)條件下旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，發(fā)現(xiàn)在115℃時(shí)簡(jiǎn)介抗拉強(qiáng)度最高，同時(shí)TSR隨成型溫度的升高而增大，表明泡沫瀝青混合料具有較高的疲勞壽命［6］.對(duì)于泡沫溫拌瀝青混合料的施工溫度的確定，目前沒有統(tǒng)一的方法，國(guó)內(nèi)也沒有相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以借鑒.Superpave體系中推薦采用的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀可以記錄壓實(shí)過程中剪應(yīng)力與旋轉(zhuǎn)次數(shù)的關(guān)系.剪應(yīng)力是通過試樣桶蓋上的反力矩計(jì)算得到，可以反映壓實(shí)過程中集料的嵌擠狀態(tài)，在相同壓實(shí)次數(shù)下，剪應(yīng)力越大混合料嵌擠越密實(shí)，即混合料越易壓實(shí)［7］.因此，在壓實(shí)過程中的剪應(yīng)力可以反映混合料的壓實(shí)特性［8］.本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，通過對(duì)比泡沫溫拌與常規(guī)熱拌瀝青混合料的剪應(yīng)力與旋轉(zhuǎn)次數(shù)關(guān)系，確定泡沫溫拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度，并驗(yàn)證此壓實(shí)溫度下混合料的路用性能.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

( 1)瀝青

用SBS改性瀝青制備泡沫瀝青，按照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》( JTG E20-2011)［9］的要求以及SHRP試驗(yàn)方法［10］對(duì)SBS改性瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示.

表1 SBS改性瀝青的基本性能指標(biāo)

( 2)泡沫瀝青制備

試驗(yàn)采用德國(guó)維特根WLB-10發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行發(fā)泡，發(fā)泡參數(shù)為:發(fā)泡用水量3%，瀝青溫度165℃，水溫30℃.

1.2試驗(yàn)方法

( 1)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

采用Sup-20和AC-13類型混合料探究泡沫溫拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度，設(shè)計(jì)結(jié)果如表2、圖1所示.

表2 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

圖1 混合料級(jí)配曲線圖

( 2)剪應(yīng)力－旋轉(zhuǎn)次數(shù)曲線法(τ-N)

試驗(yàn)用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法，分別對(duì)不同溫度下Sup-20、AC-13泡沫溫拌瀝青混合料和常規(guī)熱拌Sup-20、AC-13瀝青混合料進(jìn)行試件成型，記錄壓實(shí)過程中剪應(yīng)力與旋轉(zhuǎn)次數(shù)的關(guān)系.通過泡沫溫拌瀝青混合料和常規(guī)熱拌瀝青混合料對(duì)比，得到最佳泡沫瀝青混合料壓實(shí)溫度.試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計(jì)次數(shù)Ndes= 100次，瀝青混合料壓實(shí)溫度參數(shù)如表3所示.

表3 Sup-20和AC-13不同壓實(shí)溫度 ℃

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

泡沫溫拌和常規(guī)熱拌瀝青混合料壓實(shí)過程中剪應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)次數(shù)關(guān)系如圖2所示.

圖2 混合料剪應(yīng)力-旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)曲線圖

從圖2可知，泡沫溫拌和常規(guī)熱拌瀝青混合料在壓實(shí)過程中剪應(yīng)力的峰值大多出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)次數(shù)為40次時(shí)，因此可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)次數(shù)為40次時(shí)混合料嵌擠最密實(shí).

在壓實(shí)前期，混合料處于松散狀態(tài)，剪應(yīng)力主要由膠結(jié)料提供，且剪應(yīng)力隨溫度的升高而減小.在壓實(shí)后期，混合料嵌擠作用增強(qiáng)，剪應(yīng)力主要由集料的內(nèi)摩擦力提供，且隨溫度的升高而增大，表明溫度越高，混合料更易壓實(shí).

從圖中可以看出，在壓實(shí)后期，熱拌瀝青混合料剪應(yīng)力在泡沫溫拌120和130℃之間，表明泡沫溫拌瀝青混合料壓實(shí)溫度在120～130℃時(shí)混合料嵌擠密實(shí)度與熱拌相當(dāng)，而泡沫瀝青混合料在120℃時(shí)密實(shí)度偏小，因此，可以確定SBS改性泡沫瀝青Sup-20、AC-13混合料的壓實(shí)溫度為130℃.

3 混合料路用性能評(píng)價(jià)

在130℃時(shí)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型Sup-20和AC-13泡沫溫拌和常規(guī)熱拌瀝青混合料.

3.1混合料體積指標(biāo)

泡沫溫拌瀝青混合料的體積指標(biāo)如表4所示.

表4 泡沫溫拌瀝青混合料體積指標(biāo)

從表4可知，在130℃下壓實(shí)得到瀝青混合料體積指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

3.2混合料高溫性能評(píng)價(jià)

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)泡沫溫拌瀝青混合料高溫性能，每種混合料做3組平行試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示.

表5 混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表5可知，泡沫溫拌瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度略低于常規(guī)熱拌，但均高于規(guī)范要求，而且依然處在很高的水平，表明在130℃下壓實(shí)得到的泡沫溫拌瀝青混合料高溫性能良好.

3.3混合料低溫性能評(píng)價(jià)

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)泡沫溫拌瀝青混合料的低溫性能，結(jié)果如表6所示.

表6 混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表6可知，泡沫溫拌瀝青混合料的勁度模量與常規(guī)熱拌幾乎相等，且都滿足規(guī)范要求，表明泡沫溫拌瀝青混合料低溫性能良好，與熱拌相當(dāng).3.4混合料水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)泡沫瀝青混合料的抗水損害性能，結(jié)果如表7所示.

表7 混合料凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表7可知，泡沫溫拌瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度略低于熱拌，泡沫溫拌瀝青混合料TSR隨略低于常規(guī)熱拌，但均滿足規(guī)范要求.表明泡沫溫拌瀝青混合料抗水損害性能雖稍差于常規(guī)熱拌，但總體表現(xiàn)良好.

4 結(jié)論

( 1) SBS改性泡沫瀝青混合料的壓實(shí)溫度為130℃;

( 2)在130℃下壓實(shí)得到的泡沫溫拌瀝青混合料與常規(guī)熱拌相比，高溫性能和抗水損害性能略低于常規(guī)熱拌，低溫性能與熱拌相當(dāng)，總體來看，泡沫瀝青混合料擁有良好的高溫性能、低溫性能和抗水損害性能，滿足規(guī)范要求.

［1］張宏彬.能源問題、環(huán)境污染與節(jié)能減排［J］.改革與開放，2010( 20) : 97.

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［3］趙劍強(qiáng).公路交通與環(huán)境保護(hù)［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］JONES W.Warm Mix Asphalt A-state-o-f the-art Review ［R］.Australia: Australian Asphalt Pavement Association，2001.

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［6］SHU WEI GOH，ZHANG PING YOU.Moisture Damage and Fatigue Cracking of Foamed Warm Mix Asphalt Using a Simple Laboratory Setup［C］.Transportation and Development Institute Congress，2011.

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［8］袁迎捷，周進(jìn)川，胡長(zhǎng)順.瀝青混合料密實(shí)性能［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2001( 3) : 42-45.

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Determination of Molding Temperature of Foamed Warm-Mixed Asphalt Mixture using Shear Force

YIN Long，XU Bo，DING Peng
( College of Civil and transportation Engineering，Hohai university，Nanjing 210098，China)

Aasbract: To determine the compaction temperature of foamed warm-mixed asphalt mixture，foamed SBS modified asphalt was selected as the binder，and Sup-20 and AC-13 foamed warm-mixed SBS modified asphalt mixture and hot-mixed SBS modified asphalt mixture were compacted using gyratory compactor at different temperatures.The compaction temperature was determined by analyzing the relationship between sheer force and number of rotations of foamed warm-mixed asphalt mixture and hot－mixed asphalt mixture during compaction.Rutting test，beam bending test and freeze-thaw splitting test were conducted to evaluate the road performance of the foamed warm-mixed asphalt mixture at the compaction temperatures.The results show that the compaction temperature of the foamed warm－mixed SBS modified asphalt mixture is about 130℃.The road performance of the foamed warm-mixed SBS modified asphalt mixture has little difference compared with hot-mixed SBS asphalt and can meet the requirements of specification.

road engineering; foamed asphalt; molding temperature; shear force; gyratory compaction

A

1673-9590( 2016) 01-0056-04

2015-07-24

尹龍( 1991－)，男，碩士研究生，主要從事瀝青及瀝青混合料方面的研究

E-mail: yinlongcheer@163.com.

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