泡沫溫拌橡膠瀝青混合料性能研究

丘曉堅

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司福建分公司 廈門市 361009)

泡沫溫拌技術(shù)有助于降低能源消耗，減少有害氣體排放，喬衛(wèi)華等[1]研究發(fā)現(xiàn)瀝青的標號及用水量對瀝青發(fā)泡影響較大，發(fā)泡時瀝青的溫度并不是越高越好，發(fā)泡水溫在40℃時發(fā)泡效果較好。于新等[2]通過研究發(fā)現(xiàn)，普通瀝青和改性瀝青的發(fā)泡用水量為1%～2%和3%時，泡沫瀝青的流變性能較好。肖飛鵬等[3]對不同級配的泡沫溫拌瀝青混合料的性能進行研究，指出泡沫溫拌技術(shù)降溫效果可達到20～30℃，混合料的高低溫等性能與熱拌相差不大。專家學(xué)者對泡沫溫拌瀝青的研究大多集中在基質(zhì)瀝青及其流變性能，而對于拌和溫度、用水量對橡膠瀝青混合料路用性能的影響研究很少。鑒于此，筆者針對不同成型溫度、不同發(fā)泡用水量條件下的橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性進行試驗研究，以分析泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的降溫效果和路用性能，提出合適的生產(chǎn)參數(shù)取值。

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗原材料

研究所用的橡膠瀝青采用60目橡膠粉與70號道路石油瀝青(摻配比例18%)加工而成，所用集料為玄武巖，橡膠瀝青密度為1.022g/cm3，針入度為33.8(0.1mm)，軟化點為68.8℃，177℃粘度為2.47Pa·s，25℃彈性恢復(fù)為86%。研究所采用的混合料類型為斷級配AR-AC13，如圖1所示。

1.2 成型溫度確定

旋轉(zhuǎn)壓實儀可以記錄壓實過程中的旋轉(zhuǎn)次數(shù)、樣品高度和剪切力等數(shù)據(jù)，其中記錄的剪應(yīng)力是通過測試試樣桶蓋子上的反作用力力矩計算得到的，反映了混合料在壓實過程中集料的嵌擠狀態(tài)[4-5]。因此，為了確定泡沫溫拌橡膠瀝青混合料適宜的壓實溫度，可以從壓實過程來分析。采用與常規(guī)熱拌對比方式，泡沫溫拌在壓實過程中集料的嵌擠狀態(tài)(在適宜壓實溫度下)應(yīng)與常規(guī)熱拌接近，即能達到常規(guī)熱拌的壓實效果。

本次研究采用旋轉(zhuǎn)壓實成型方法，采用旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計次數(shù)Ndes=100次，對AR-AC13型混合料進行試件成型，常規(guī)熱拌以及泡沫溫拌橡膠瀝青混合料在壓實過程中剪應(yīng)力-旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)曲線見圖2～圖5。

由圖2～圖5可以看出，在壓實過程的前期，泡沫溫拌橡膠瀝青膠結(jié)料粘聚力對剪應(yīng)力貢獻相對較大，而粘聚力主要受溫度影響，因此在前期松散狀態(tài)時剪應(yīng)力基本隨溫度的增大而減小。在壓實過程后期，剪應(yīng)力隨著溫度升高而增大，溫度越高混合料在相同壓實次數(shù)下，嵌擠越緊密。根據(jù)泡沫溫拌在適宜壓實溫度下進行壓實后集料的嵌擠狀態(tài)與常規(guī)熱拌接近，通過比較兩者剪應(yīng)力-旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)曲線確定的泡沫溫拌橡膠瀝青混合料適宜的壓實溫度見表1。

表1 混合料壓實溫度

采用馬歇爾擊實成型方法在上文確定的壓實溫度下分別成型不同的馬歇爾試件，測定的體積指標如圖6所示。

從馬歇爾試件的體積指標可以看出，采用0%、1%、2%、3%的發(fā)泡用水量，在上文確定的擊實溫度下，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的體積指標能夠滿足規(guī)范要求，說明混合料的性能優(yōu)良。當發(fā)泡用水量為4%時，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的穩(wěn)定度已不能滿足規(guī)范要求。

2 混合料性能試驗

為了檢驗斷級配橡膠瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和抗水損害性能，分別在不同用水量下發(fā)泡橡膠瀝青，而后在不同的溫度下成型泡沫溫拌橡膠瀝青混合料試件，分別進行高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗[6-8]，試驗結(jié)果見圖7～圖9。

由圖7可以看出，在各自適宜的成型溫度條件下，隨著發(fā)泡用水量由0增加到4%，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度由5135次/mm逐漸下降到2937次/mm，降幅達42.8%，表明其抵抗高溫條件下產(chǎn)生車轍的能力逐漸變差，相比于熱拌橡膠瀝青混合料較差。當發(fā)泡用水量為4%時，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度已不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

由圖8可以看出，隨著用水量的增加，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的抗彎拉強度出現(xiàn)了明顯的波峰和波谷，在含水量大于3%后，抗彎拉強度出現(xiàn)了明顯下降。泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的破壞應(yīng)變值隨著發(fā)泡用水量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，用水量由0增加到4%的過程中，最小破壞應(yīng)變值為2713.6με，大于熱拌橡膠瀝青混合料的破壞應(yīng)變限值，表明混合料的低溫抗裂性能得到改善。

由圖9可以看出，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度隨著發(fā)泡用水量的增加而逐漸降低，在用水量從0增加到4%的過程中，混合料的殘留穩(wěn)定度從90.3%下降到77.1%，降幅達13.2%，表明混合料的水穩(wěn)定性能逐漸變差，相比于熱拌橡膠瀝青混合料，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的低溫性能較差。在4%用水量的情況下，泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性為77.1%，不能滿足規(guī)范85%的要求。

從保證混合料長期性能的角度綜合考慮，泡沫溫拌橡膠瀝青的發(fā)泡用水量宜小于4%。

3 結(jié)論

(1)在不同發(fā)泡用水量下，采用剪應(yīng)力-旋轉(zhuǎn)壓實法和空隙率法確定的混合料的成型溫度分別為155℃、150℃、140℃和140℃。

(2)采用泡沫溫拌技術(shù)，不同的用水量降溫效果不同，采用3%的發(fā)泡用水量，橡膠瀝青混合料的降溫效果可達到30℃左右，此時混合料的路用性能可以滿足規(guī)范要求。

(3)泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度和馬歇爾殘留穩(wěn)定度隨著發(fā)泡用水量的增加而逐漸降低，破壞應(yīng)變先升高后降低，在4%用水量的情況下混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求，小于4%時，可以滿足規(guī)范要求。

(4)考慮混合料的降溫效果和性能，在3%用水量、140℃成型溫度條件下進行泡沫溫拌橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)較好。