瀝青路面低溫施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王如先

（許昌市規(guī)劃設(shè)計(jì)院,河南 許昌 461000）

瀝青路面低溫施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王如先

（許昌市規(guī)劃設(shè)計(jì)院,河南 許昌 461000）

為探究溫拌瀝青混合料的路用性能與施工特性，設(shè)置試驗(yàn)研究了溫拌瀝青混合料與普通瀝青混合料間的性能差異與特點(diǎn)。經(jīng)物理或者化學(xué)方法改善瀝青粘度后，即按照與普通瀝青混合料相同的配比與原料可獲得溫拌瀝青混合料。試驗(yàn)結(jié)果表明：溫拌型瀝青混合料具有更優(yōu)越的路用性能和施工和易性，且當(dāng)溫降達(dá)到30℃時(shí)，其性能仍能得到有效保證。通過與熱拌型施工特性試鋪筑試驗(yàn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)前者具有更穩(wěn)定的壓實(shí)區(qū)間和壓實(shí)時(shí)間。溫拌型瀝青混凝土具有更優(yōu)越的材料特性、施工性能及路用性能，能夠滿足正常的施工鋪筑和使用，實(shí)現(xiàn)了低溫條件下施工，避免了熱拌瀝青混凝土施工時(shí)的高溫拌和導(dǎo)致的有毒刺激性氣體排放和繁冗的保溫工序。

道路工程；瀝青路面；溫拌瀝青混合料；低溫施工；壓實(shí)區(qū)間；降溫速率

瀝青混合料作為當(dāng)前我國公路網(wǎng)中，高等級路面較為普遍的一種路面結(jié)構(gòu)形式。隨著我國公路交通運(yùn)輸建設(shè)的迅猛發(fā)展，而如何改變寒區(qū)、冬季濕冷地區(qū)的瀝青路面施工工期短、工期緊張的現(xiàn)狀已成為國內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注的問題。

瀝青是一種粘彈塑性的混合材料，其材料性能受溫度的影響非常明顯。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）[1]中為保證瀝青混合料路面鋪筑質(zhì)量，按瀝青路面施工流程明確規(guī)定了不同等級瀝青膠結(jié)料的拌合、貯存、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓的溫度要求。廠拌瀝青混凝土鋪筑施工時(shí)，若出廠溫度較環(huán)境溫度相差過大，材料在運(yùn)輸過程中因熱對流的存在而導(dǎo)致運(yùn)輸料出現(xiàn)內(nèi)外溫度梯度，溫差較大時(shí)甚至?xí)?dǎo)致溫度離析的病害，從而影響材料的攤鋪和壓實(shí)施工[2-4]。

在盡可能地采用原有混合料的施工配合比和維持原有鋪筑機(jī)械等不變的前提下，通過添加適量對路面的使用性能無負(fù)面影響的物理或化學(xué)添加劑，改善普通瀝青的粘度以獲得溫拌瀝青混合料，從而實(shí)現(xiàn)低溫氣候條件下瀝青路面鋪筑施工。

1 溫拌瀝青性能評價(jià)與分析

大量的研究工作表明，采用溫拌瀝青混合料進(jìn)行路面鋪筑作業(yè)對環(huán)境氣溫有著更低的要求[5]，而且低溫拌和能有效避免混合料在高溫下油份散失提前老化。因此，其不僅可以延長道路的施工季節(jié)，實(shí)現(xiàn)在冬季低溫下施工的同時(shí)，還能夠延長道路的使用壽命[6]。我們選取新型液態(tài)添加劑作為降低瀝青膠結(jié)料粘性的化學(xué)添加劑，在保證級配與混合料材料組成不變的情況下得到溫拌混合料。于試驗(yàn)中對溫拌瀝青原材料的基本性能進(jìn)行測定。

1.1 混合料集料配比

溫拌瀝青混合料粗、細(xì)集料分別采用符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）（以下簡稱“瀝青路面規(guī)范”）所規(guī)定的玄武巖與石灰?guī)r機(jī)制砂。混合料集料級配曲線如圖1中所示，對應(yīng)AC-10、AC-13、AC-16瀝青混合料的油石比分別采用：5.6%，5.1%和4.5%。

1.2 溫拌劑

本次試驗(yàn)對比評價(jià)中，我們選取新型液態(tài)節(jié)能環(huán)保溫拌改性添加劑EC-120作為降低瀝青膠結(jié)料粘性的化學(xué)添加劑，在保證級配與混合料材料組成不變的情況下得到溫拌混合料。EC-120是一種聚烯烴類的有機(jī)降黏劑，采用干拌法工藝，添加比例為瀝青用量的3.5%。

1.3 瀝青

選取70號公路用普通基質(zhì)瀝青為混合料膠結(jié)料，當(dāng)批次瀝青進(jìn)行性能指標(biāo)測定與抗老化檢測結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明：當(dāng)批次瀝青性能指標(biāo)滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)技術(shù)要求。

圖1 瀝青混合料級配曲線Fig.1 Gradation curve of asphalt mixture

表1 基質(zhì)瀝青試驗(yàn)批性能指標(biāo)表Tab.1 Performance indexes of matrix asphalt

2 溫拌瀝青性能評價(jià)與分析

本次試驗(yàn)對比評價(jià)中，通過制取兩種混合料在不同級配下的標(biāo)準(zhǔn)試件，并保證試件的空隙率基本接近的情況下進(jìn)行有關(guān)指標(biāo)的測試，以驗(yàn)證其路用性能和指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試件的制作、養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)方法流程等均嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)范中對試件試驗(yàn)的若干條文要求進(jìn)行[7-8]。溫拌瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的制作流程為：稱取適量中溫瀝青混合料放入120℃恒溫烘箱保溫30 min，以115℃為擊實(shí)溫度雙面各擊實(shí)50次；連同試模一起以側(cè)面豎立方式放入120攝氏度恒溫烘箱中保溫兩小時(shí)，再雙面各擊實(shí)25次，試件高度控制在 63.5 mm（±1.3 mm）。

2.1 抗水損能力

浸水車轍試驗(yàn)的水穩(wěn)定性評價(jià)原理是依據(jù)試件浸水前后的物理或力學(xué)指標(biāo)的衰變程度來表征，是模擬雨天汽車在有水或積水的瀝青路面情況下反復(fù)碾壓。實(shí)際工程中滲入路面內(nèi)部的水在局部汽車輪壓作用下產(chǎn)生動水壓力，水壓和泵吸作用將對裹覆在骨料上的黏結(jié)材料受到反復(fù)的沖刷作用。同時(shí)骨料的親水性能直接加速材料的瀝青黏結(jié)膜剝離，從而導(dǎo)致瀝青混合料松散、骨料脫落等反映實(shí)際工程中的路面病害狀況。故此，通過浸水車轍試驗(yàn)的條件對其水穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，能真實(shí)反應(yīng)材料的抗水損害能力。

采用浸水條件下混合料試件強(qiáng)度指標(biāo)的降低程度來評價(jià)溫拌型和熱拌型兩種材料的抗水損能力。通過對浸水后試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行測定，反映材料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)所測定的結(jié)果如圖2中所示。以AC-16型級配為例，試驗(yàn)得出前者的殘留穩(wěn)定度為94.61%，超出后者殘留穩(wěn)定度2.85%。

對浸水試件的凍融循環(huán)試驗(yàn)?zāi)芊从巢牧系挚箖?nèi)部水分子在凍融膨脹的過程中對結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生損害的能力，通過測定凍融劈裂殘留強(qiáng)度比指標(biāo)進(jìn)行表征。試驗(yàn)結(jié)果及兩者的對比于圖3中示出。以AC-16型級配為例，前者的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比為90.25%，超出熱拌型殘留強(qiáng)度比1.65%。

圖2 不同級配下的瀝青混凝土浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度對比Fig.2 Comparison of Marshall immersion residual stability of asphalt concrete immersed in different grading

圖3 不同級配下的瀝青混凝土凍融劈裂殘留強(qiáng)度對比Fig.3 Comparison of residual strength of freeze-thaw splitting of asphalt concrete under different grading

2.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面很容易因材料的高溫穩(wěn)定性不足而發(fā)生車轍等病害，故在規(guī)范中規(guī)定混合料需具有抵抗車輛荷載作用下發(fā)生車轍等永久變形的能力。高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)分別采用兩種混合料制作不同級配下的標(biāo)準(zhǔn)試件，對試件批靜置一天后，在標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)儀在60℃條件下試驗(yàn)測定。測定結(jié)果如圖4中所示。

從圖4可知：相比熱拌型，前者的動穩(wěn)定度對路面工程中多種常用級配的均有提高。以AC-16型級配為例，前者的試驗(yàn)實(shí)測值為每毫米3 579次，高出后者（每毫米3 273次）8.5%。試驗(yàn)表明相同施工條件下，采用前者鋪筑的瀝青路面抗車轍能力明顯優(yōu)于后者。

2.3 低溫穩(wěn)定性

由于氣候溫度降低時(shí)，瀝青混合料的材料特征出現(xiàn)較為明顯的改變，而此時(shí)的材料抵抗開裂的能力稱之為材料的低溫穩(wěn)定性。若瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性不足則會導(dǎo)致路面在寒冬季節(jié)發(fā)生開裂，進(jìn)一步降低路面使用性能和使用壽命。對兩種瀝青混合料通過低溫彎曲試驗(yàn)來進(jìn)行低溫穩(wěn)定性的對比和評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果以面層的最大彎拉應(yīng)變作為評價(jià)指標(biāo)，參考高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)設(shè)置不同級配的試件組進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果如圖5中所示。

圖4 不同級配下的瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性對比Fig.4 Comparison of the high temperature stability of asphalt concrete under different grading

圖5 不同級配下的瀝青混凝土低溫穩(wěn)定性對比Fig.5 Comparison of the low temperature stability of asphalt concrete under different grading

對于材料的低溫彎曲試驗(yàn)，若試驗(yàn)中小梁截面受彎矩作用下所出現(xiàn)最大拉應(yīng)變越大，路面的彎曲剛度越大。進(jìn)一步表明低溫時(shí)的材料的脆性小，低溫穩(wěn)定性好，不易發(fā)生低溫開裂。根據(jù)圖2中的試驗(yàn)結(jié)果，以AC-16型級配為例，溫拌型混合料對應(yīng)的小梁試件彎曲破壞最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 831 με，相比后者的低溫穩(wěn)定性有小幅降低(2 966 με)。但需要注意的是，前者完全滿足規(guī)范中對路面混凝土性能和技術(shù)指標(biāo)。

3 瀝青混合料的施工對比

對于瀝青路面的鋪筑施工而言，混合料的壓實(shí)性能主要受集料級配、瀝青品種、施工機(jī)械及溫度等多種因素的共同影響，而溫度控制則是進(jìn)行瀝青混凝土鋪筑施工的關(guān)鍵措施。關(guān)于溫度對瀝青路面施工質(zhì)量的影響，對于同種瀝青混合料，高溫狀態(tài)下的混合料較低溫狀態(tài)下更易于壓實(shí)。但是，為了避免高溫下瀝青膠結(jié)料的粘滯性較低，導(dǎo)致瀝青混合料在壓實(shí)機(jī)械作用下出現(xiàn)移動錯(cuò)位及推移等現(xiàn)象。同時(shí)，若混合料溫度過低時(shí)則會導(dǎo)致碾壓作業(yè)效率低下，從而影響瀝青路面的施工質(zhì)量。故壓實(shí)作業(yè)時(shí)混合料的溫度需保證在合適的區(qū)間范圍，并在該條件下進(jìn)行有限時(shí)間內(nèi)的壓實(shí)作業(yè)。

瀝青路面鋪筑施工過程中，分別以混合料攤鋪溫度和終碾溫度為有效壓實(shí)區(qū)間的上下限，混合料攤鋪后的溫度降至終碾溫度歷時(shí)即為有效壓實(shí)時(shí)間[9]。故基于壓實(shí)區(qū)間與壓實(shí)時(shí)間的比較，進(jìn)一步在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上探究溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性。

3.1 壓實(shí)區(qū)間

通過在室內(nèi)鋪筑瀝青混凝土試驗(yàn)段，測定碾壓后的混合料空隙率表征混合料的壓實(shí)特性。對級配組成為AC-13的兩種類型瀝青混凝土的碾壓溫度-混合料空隙率關(guān)系曲線進(jìn)行繪制，曲線如圖6所示。

圖6 瀝青混凝土的溫度-壓實(shí)特性對比Fig.6 Comparison of temperature and compaction characteristics of asphalt concrete

圖7 瀝青混凝土的溫降曲線對比Fig.7 Comparison of the temperature drop curve of asphalt concrete

從圖6中可以看出：兩種混合料在相同的溫度下，溫拌型混合料所能達(dá)到的壓實(shí)度更高，即混合料的壓實(shí)特性更好。同時(shí)，根據(jù)溫拌型混合料的溫度-壓實(shí)特性曲線，當(dāng)溫度區(qū)間位于[100,160]內(nèi)時(shí)，該類型混合料的壓實(shí)特性受溫度的影響較小，此區(qū)間內(nèi)其壓實(shí)特性基本維持不變。相對于熱拌瀝青混合料，前者的壓實(shí)區(qū)間和環(huán)境溫度之間的差值能夠進(jìn)一步縮小。

3.2 壓實(shí)時(shí)間

在室內(nèi)鋪筑瀝青混凝土試驗(yàn)段的同時(shí)，對試驗(yàn)中瀝青混合料的溫度變化情況進(jìn)行全程測定，并繪制兩種混合料的溫降曲線進(jìn)行對比分析，實(shí)測結(jié)果于圖7中繪出。

從圖7中可以明顯發(fā)現(xiàn)，溫拌型混合料的作業(yè)起始溫度更低，前者降溫速率約為每分鐘1.1℃，對應(yīng)后者的溫降速率約為每分鐘2.3℃。溫拌型瀝青混合料相比熱拌型具有更寬的有效施工溫度區(qū)間。由于溫拌型混合料與環(huán)境的溫差較熱拌型小，當(dāng)下降相同的溫度時(shí)，溫拌型混合料所需時(shí)間更長，因而施工時(shí)間得到保證。

4 節(jié)能、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)溫拌瀝青混合料的制取材料組成，其瀝青用量為5%，添加劑占膠結(jié)料用量的5%，折合每方混合料增加成本1.2元左右。經(jīng)能效計(jì)算與經(jīng)濟(jì)分析，較熱拌型混合料相比，溫拌技術(shù)后能有效節(jié)省燃油0.24～0.36 kg，同比兩者經(jīng)濟(jì)效益有較小的變化，前者的造價(jià)更低，效益更好。

經(jīng)室內(nèi)試鋪筑段的測試，采用溫拌技術(shù)后，高溫瀝青所帶來的碳、氮氧化物的排放分別下降62%和71.8%。二氧化硫等刺激性氣味和煙塵的排放量下降達(dá)75.7%和46.2%，瀝青煙、苯并芘和苯可溶物等沸點(diǎn)較低的有毒有害物質(zhì)排放量分別下降92%，81%和95.7%。因而采用溫拌技術(shù)在有效降低施工溫度的同時(shí)，有毒有害氣體、溫室氣體等揮發(fā)和排放量得到有效控制。對有效節(jié)約能源，改善施工人員、作業(yè)范圍周邊居民的生產(chǎn)、生活環(huán)境具有重要意義。

5 結(jié)論

1）基于3組不同級配的新型溫拌瀝青混合料與常規(guī)熱拌混合料的一系列材料性能試驗(yàn)和施工性能兩大方面的橫向?qū)Ρ确治觯_定了溫拌型混合料完全滿足路用瀝青混合料所需的材料特性和施工性能。

2）通過瀝青混凝土室內(nèi)試驗(yàn)段鋪筑表明，溫拌型瀝青混合料不僅能夠滿足瀝青路面施工所需的正常施工鋪筑和使用要求，而且具有更穩(wěn)定的壓實(shí)區(qū)間和壓實(shí)時(shí)間。當(dāng)最大溫降達(dá)30℃時(shí)，其材料特性、施工特性仍能得到有效保證。

3）溫拌技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)有效降低施工溫度、節(jié)約能源的同時(shí)，對有毒有害氣體、溫室氣體等揮發(fā)和排放量得到有效控制；還能改善施工人員、作業(yè)范圍周邊居民的生產(chǎn)、生活環(huán)境。

綜上所述，溫拌瀝青混合料具備低溫條件下施工的可行性，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究將為高寒地區(qū)延長瀝青路面施工期及工期緊張必須冬季低溫施工等問題提出新的解決方案。

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Study on Key Technology of Asphalt Pavement Construction at Low Temperature

Wang Ruxian
（Xuchang Planning and Design Institute,Xuchang 461000,China）

To explore the pavement performance and construction characteristics of warm mix asphalt mixture,this paper studied the differences and characteristics between warm mix asphalt and asphalt mixture.The viscosity of the asphalt was improved by physical or chemical methods,namely,warm mix asphalt was obtained in accordance with the same proportion of asphalt mixture and raw materials.The test results showed that the warm mix asphalt mixture has better road performance and workability，and its performance can be effectively guaranteed when there is temperature drop of 30℃.Through the comparison with the test results of hot mix construction，it is found that the former has a more stable compaction interval and compaction time.The warm mix asphalt concrete has superior material characteristics，construction performance and pavement performance,which meets the demand of the paving construction and use,making the construction possible under low temperature without poisonous gas emission and complex heat preservation process induced by hot mix asphalt concrete construction.

road engineering；asphalt pavement；warm mix asphalt；low temperature construction；compaction interval；cooling rate

U414.01

A

（責(zé)任編輯 王建華）

1005-0523（2017）04-0038-06

2017－04－22

王如先（1975—），男，高級工程師，主要從事公路與城市道路工程工作。