吳凈潔，趙恒博,付建村

(1.青島市公路管理局，山東 青島　266061；2.青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院，山東 青島　266106;3.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟南　250031)

瀝青已廣泛應(yīng)用于路面工程中，世界各國對瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量非常重視。由于瀝青施工需要在較高氣溫條件下進(jìn)行，這給低溫條件施工帶來困難。溫拌瀝青混合料(warm mix asphalt, WMA)是指通過一定的技術(shù)措施或添加劑，使瀝青混合料在相對較低的溫度下進(jìn)行拌合及施工，同時保持其使用性能不低于熱拌瀝青混合料[1]。微發(fā)泡型溫拌瀝青混合料的技術(shù)原理是將帶結(jié)晶水的外加劑直接投入瀝青混合料中，誘發(fā)瀝青發(fā)泡，形成水-氣-瀝青膜結(jié)構(gòu),可以降低瀝青與礦料以及瀝青與空氣界面的表面張力，實現(xiàn)較低溫度下對集料更好的裹覆，從而降低瀝青混合料的作業(yè)溫度，具有成本低、環(huán)保性能好等特點[2-4]。目前我國在微發(fā)泡型溫拌技術(shù)方面的研究還很欠缺，本研究依托青島九水東路改造工程進(jìn)行冬季施工應(yīng)用驗證，通過配合比設(shè)計、路用性能試驗以及試驗段的鋪筑，將該類型溫拌技術(shù)與表面活性劑型瀝青混合料溫拌技術(shù)進(jìn)行對比，分析該類溫拌技術(shù)工程應(yīng)用的可行性。

1　溫拌技術(shù)及溫拌劑

按照工作機理劃分，溫拌技術(shù)基本上可以分為3類。

1)基于有機物降黏的溫拌技術(shù)。將低熔點的有機添加劑與瀝青、集料相互拌合，根據(jù)高溫降黏特性增強瀝青與集料的和易性以實現(xiàn)溫拌目的。該技術(shù)多通過添加固體蠟或蠟狀物實現(xiàn)，易導(dǎo)致瀝青混合料低溫抗開裂性能損失，目前使用較少[5-6]。

2)基于表面活性劑的溫拌技術(shù)。表面活性劑與瀝青相互作用，在瀝青內(nèi)部形成具有一定潤滑性的結(jié)構(gòu)性水膜，從而降低瀝青黏度，增強混合料在低溫下的施工和易性，進(jìn)而實現(xiàn)溫拌效果。該類型表面活性劑多為液體狀，通過預(yù)混入瀝青或拌合過程中單獨加入實現(xiàn)效能，是目前應(yīng)用最廣泛的溫拌技術(shù)[7-8]。

3)發(fā)泡型溫拌技術(shù)。采用機械、結(jié)晶水合物或細(xì)集料等引入自由水或結(jié)晶水，通過激發(fā)瀝青發(fā)泡臨時性降低瀝青的黏度。受機械和材料制造水平的限制，目前該項技術(shù)的研究和應(yīng)用有限。

本文擬選用兩種典型溫拌劑進(jìn)行試驗對比：一種為工程擬采用的新型微發(fā)泡型溫拌劑(簡稱FYK-I)，對比樣為利用典型表面活性劑加入70#A級道路石油瀝青制備的溫拌瀝青(簡稱ZHY36-1)。兩種產(chǎn)品的工程應(yīng)用有較大差異，ZHY36-1溫拌瀝青采用拌合站的瀝青計量設(shè)備直接加入，瀝青混合料中溫拌瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與熱拌瀝青混合料中最佳瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同；FYK-I產(chǎn)品為白色粉末狀，性質(zhì)穩(wěn)定，高溫狀態(tài)下不分解，無刺激性煙霧產(chǎn)生，少量生產(chǎn)混合料時，可由人工通過拌合鍋投料口加入，大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)時采用專門的傳輸設(shè)備計量加入，摻加量為瀝青質(zhì)量的6%～8%，本項目采用7%進(jìn)行試驗。

表1　幾種常見溫拌劑產(chǎn)品對瀝青的影響

表1為ZHY36-1溫拌瀝青與70#基質(zhì)瀝青原樣的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比。由表1可知，表面活性劑加入基質(zhì)瀝青后，針入度和軟化點基本無變化，膠結(jié)料的延度明顯降低。

FYK-I溫拌劑由于直接投放到瀝青混合料中，對基質(zhì)瀝青沒有影響，故只需對摻加前后的瀝青混合料性能進(jìn)行對比。

圖1　級配合成曲線

2　瀝青混合料配合比設(shè)計及溫拌劑摻量確定

2.1　配合比設(shè)計與路用性能測試

溫拌瀝青混合料的級配及最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計要求通過試驗確定，試驗流程如下：

1)首先根據(jù)原材料篩分結(jié)果進(jìn)行級配設(shè)計，集料篩分及級配合成結(jié)果如圖1及表2～4所示。

表2　原材料規(guī)格及篩分通過率　%

表3　3個級配的原材料組成比例　%

表4　3個級配的各篩孔通過率　%

2)根據(jù)3個級配配制混合料，進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾擊實試驗，試件雙面各擊實75次，膠結(jié)料采用70#A級道路石油瀝青，熱拌混合料室內(nèi)擊實溫度為140～145 ℃，最大理論密度采用真空實測法[9-10]，測試馬歇爾試件的體積指標(biāo)，結(jié)合面層混合料技術(shù)要求確定適宜的級配。馬歇爾指標(biāo)測試結(jié)果見表5。參照工程經(jīng)驗和規(guī)范技術(shù)要求，期望空隙率為4.5%，礦料間隙率≥13.5%，飽和度為65%～75%，因此選擇級配2作為確定級配。

表5　3個級配的馬歇爾試驗結(jié)果

3)按照級配2組成比例配制混合料，分別采用瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、4.3%、4.6%的瀝青混合料(室內(nèi)擊實溫度為140～145 ℃)進(jìn)行馬歇爾擊實試驗，試件測試結(jié)果如表6所示，綜合各項技術(shù)指標(biāo)要求，最終確定最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%。

表6　瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時級配2的馬歇爾試驗結(jié)果

4)對采用最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱拌瀝青混合料進(jìn)行路用性能檢驗，主要包括高溫穩(wěn)定性能、抗水損害性能及低溫抗彎拉性能，如表7所示，檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表7　熱拌瀝青混合料路用性能測試結(jié)果

2.2　溫拌劑摻量及降溫幅度

采用體積指標(biāo)等效法確定溫拌劑適宜摻量及合理降溫幅度，即采用熱拌瀝青混合料確定的級配與最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別進(jìn)行摻加不同比例的FYK-I溫拌劑、不同擊實溫度下的馬歇爾試驗，測試馬歇爾試件的體積指標(biāo)結(jié)果如圖2、表8所示[11-13]。

試驗結(jié)果表明：1)溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，隨著擊實溫度的增加，瀝青混合料空隙率總體呈現(xiàn)遞減趨勢，擊實溫度較低時，加入溫拌劑較不加溫拌劑試件空隙率有所降低，說明加入溫拌劑對改善瀝青混合料和易性和壓實度有利；2)相同擊實溫度下，隨著溫拌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，瀝青混合料空隙率降低，說明溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，瀝青混合料和易性改善程度越好；3)摻加溫拌劑后，瀝青混合料擊實溫度降低20 ℃后，仍能達(dá)到熱拌瀝青混合料的空隙率控制水平。

圖2　不同F(xiàn)YK-I溫拌劑摻量及擊實溫度條件下的馬歇爾試件空隙率變化

FYK-1溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%溫拌劑與瀝青質(zhì)量比/%擊實溫度/℃最大相對理論密度馬歇爾毛體積相對密度空隙率/%0.266135120105902.5282.4442.4272.4102.3823.34.04.76.40.307135120105902.5282.4342.4022.4022.3743.34.54.66.10.348135120105902.5302.4392.4352.4172.3853.63.74.55.7

結(jié)合試驗結(jié)果和工程經(jīng)驗，確定混合料中FYK-I溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%(為瀝青質(zhì)量的7%)條件下，建議降溫幅度為20 ℃。

3　瀝青混合料路用性能比較

為評價熱拌瀝青混合料摻加溫拌劑后的性能變化，本文通過車轍試驗、凍融劈裂試驗分別評價FYK-1微發(fā)泡型溫拌劑的高溫穩(wěn)定性能和抗水損害性能，同時與熱拌瀝青混合料、ZHY36-1溫拌瀝青混合料進(jìn)行對比。溫拌瀝青混合料中瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4.3%，降溫幅度均為20 ℃。

3.1　車轍試驗

車轍試驗的原理是負(fù)有一定荷載的車輪沿同一軌跡，在一定時間內(nèi)反復(fù)碾壓板塊狀試件，使試塊被壓密，并產(chǎn)生剪切、推移和流動，形成轍槽。通常用轍槽深度的變形率以及動穩(wěn)定度評價瀝青混合料在規(guī)定溫度下抵抗塑性流動變形的能力[14-16]。

動穩(wěn)定度反映了瀝青混合料抗高溫變形的能力，動穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的高溫抗變形能力越強，依據(jù)文獻(xiàn)[17]方法測定熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度，試驗結(jié)果如表9所示。由表9可知，摻加FYK-I微發(fā)泡型溫拌劑后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度基本無變化，滿足規(guī)范要求。

表9　瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果　次/mm

3.2　凍融劈裂試驗

瀝青路面施工完成以后，水和空氣通過混合料中的空隙進(jìn)入混合料內(nèi)部，如果不能及時排出，在車輛動水壓力和溫度的共同作用下，水會逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青黏附性降低并逐漸喪失黏結(jié)力，瀝青和礦料發(fā)生剝離，造成強度下降。水損害進(jìn)一步發(fā)展，將導(dǎo)致唧漿、松散、坑槽、車轍、推擠變形等多種形式的破壞[18-21]。

瀝青混合料凍融劈裂是國內(nèi)較常采用的瀝青混合料抗水損害性能評價手段，按照文獻(xiàn)[17]方法進(jìn)行凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果表10所示。由表10可以看出：1)與熱拌瀝青混合料相比，摻加FYK-I溫拌劑和ZHY36-1溫拌劑后的溫拌瀝青混合料凍融劈裂強度無明顯變化，說明溫拌劑的加入并未削弱瀝青混合料的抗水損害能力；2)加入溫拌劑后，溫拌瀝青混合料的劈裂強度均有一定程度的降低，其中ZHY36-1溫拌瀝青混合料的強度衰減最顯著，F(xiàn)YK-I溫拌劑對混合料劈裂強度的影響基本可以忽略；3)試驗所用馬歇爾試件均為雙面各50次擊實成型，熱拌瀝青混合料和ZHY36-1型溫拌瀝青混合料的空隙率較75次擊實時均有增加，而采用FYK-I溫拌劑的瀝青混合料空隙率基本不變，說明基于微發(fā)泡原理的FYK-I溫拌劑可以保證混合料在溫度降低及壓實功減少時有更理想的和易性。

表10　摻加溫拌劑前后瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果對比

4　工程驗證

表11　現(xiàn)場芯樣試驗結(jié)果

本文依托工程為冬季施工，熱拌瀝青混合料的溫度降低速度較快，攤鋪后很快到達(dá)可壓實的臨界溫度，導(dǎo)致有效壓實時間明顯縮短。因此采用熱拌溫鋪法進(jìn)行施工，即瀝青混合料添加FYK-I微發(fā)泡型溫拌劑后，仍按照熱拌瀝青混合料控制溫度進(jìn)行拌制[12-13]。表11為瀝青混凝土路面的現(xiàn)場取芯試驗結(jié)果，可以看出，采用微發(fā)泡型溫拌技術(shù)，路面的壓實度均在98%以上，有效保障了低氣溫條件下瀝青路面施工質(zhì)量，實現(xiàn)了預(yù)期的目的。

5　結(jié)論

1)采用體積指標(biāo)等效的試驗方法，確定微發(fā)泡型溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和降溫幅度。試驗結(jié)果表明，加入溫拌劑可有效改善瀝青混合料的施工和易性，擊實溫度降低20 ℃時仍可達(dá)到目標(biāo)空隙率的控制要求。

2)與熱拌瀝青混合料相比，微發(fā)泡型溫拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能和抗水損害能力均未降低，而且在溫度降低和壓實功減少時仍然具有良好的施工和易性，有利于保障瀝青混合料的壓實度。

3)與某典型表面活性劑類溫拌劑產(chǎn)品的對比結(jié)果表明，微發(fā)泡型溫拌劑的加入，對瀝青混合料劈裂強度的削弱程度更小，有利于保證瀝青混合料的力學(xué)性能。

4)采用熱拌溫鋪技術(shù)原理對某工程的試驗結(jié)果表明，該類溫拌技術(shù)可以保證瀝青混合料在較低溫度時仍具有較好的和易性，對延長施工壓實的有效時間，保障壓實質(zhì)量和路用性能有利，具有明顯的推廣價值及工程實踐意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張俊新.溫拌瀝青膠結(jié)料及其混合料的性能研究[D].西安:長安大學(xué),2012.

ZHANG Junxin. Study on the performance of warm mix asphalt[D].Xi′an: Chang′an University,2012.

[2]宋寬彬.水發(fā)泡溫拌再生瀝青混合料配合比設(shè)計及體積參數(shù)試驗研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院,2014.

SONG Kuanbin. The volumetric properties of water-foaming warm recycled reclaimed asphalt pavement[D].Suzhou: Suzhou University of Science and Technology,2014.

[3]吳乃明.溫拌劑種類對瀝青混合料性能影響的研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2013.

WU Naiming. Research on the influence of warm-mix agent upon the performance of asphalt mixture[D].Harbin: Northeast Forestry University,2013.

[4]田永強.水發(fā)泡溫拌瀝青路面施工技術(shù)研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué),2015.

TIAN Yongqiang. Research on technology of water-blown warm mix asphalt pavement construction[D].Shijiazhuang: Shijiazhuang Tiedao University,2015.

[5]周維祥,NAZZAL Munir,ABBAS Ala R,等.基于MEPDG的溫拌發(fā)泡瀝青混合料性能研究[J].中外公路，2016，36(4)：327-330.

ZHOU Weixiang,NAZZAL Munir ,ABBAS Ala R, et al. Investigation of foamed warm mix asphalt performance using the MEPDG[J].Journal of China & Foreign Highway,2016,36(4):327-330.

[6]樊亮，胡家波，李永鎮(zhèn)，等.不同溫拌劑對瀝青粘彈性、疲勞性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2015，39(2)：320-324.

FAN Liang, HU Jiabo, LI Yongzhen, et al. Impact of different warm-mixing additives on viscoelasticity and fatigue properties of asphalt[J].Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering Edition),2015,39(2):320-324.

[7]解晨，徐文遠(yuǎn).不同溫拌劑對瀝青及其混合料性能的影響分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1228-1235.

XIE Chen, XU Wenyuan. Effect of different warm mix agent on performance of asphalt and its mixture[J].Journal of Guangxi University(Natural Science Edition),2016,41(4):1228-1235.

[8]王艷麗.瀝青混合料級配優(yōu)化研究[D].西安:長安大學(xué),2008.

WANG Yanli. Study on asphalt mixture gradation optimization[D].Xi′an: Chang′an University ,2008.

[9]張海，李冬松，歐陽偉，等.基于乳化平臺的Evotherm 溫拌瀝青混合料性能[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，25(2)：240-243.

ZHANG Hai, LI Dongsong, OUYANG Wei, et al. Properties research on warm mix asphalt based on evotherm[J].Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science Edition),2009,25(2):240-243.

[10]王修山，凡濤濤，蔡靈杰，等.成型溫度對溫拌瀝青混合料路用性能的影響[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，31(6)：651-654.

WANG Xiushan, FAN Taotao, CAI Lingjie, et al. Research on influence of molding temperature on pavement performance of warm mix asphalt mixtures[J].Journal of Zhejiang Sci-Tech University(Natural Science),2014,31(6):651-654.

[11]王文奇，羅忠賢，謝遠(yuǎn)新，等.Sasobit 溫拌瀝青混合料路用性能試驗[J].西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，35(1)：99-102.

WANG Wenqi, LUO Zhongxian, XIE Yuanxin, et al. The experimental analysis on the pavement performance of warm mix additive sasobit added in modified asphalt mixture[J].Journal of Xihua University(Natural Science Edition),2016,35(1):99-102.

[12]石津金.泡沫瀝青溫拌技術(shù)應(yīng)用研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2014.

SHI Jinjin. The study on technology application of warm mix foam asphalt[D].Tianjin: Hebei University of Technology,2014.

[13]尹龍，徐波，丁鵬.基于剪切力的泡沫溫拌瀝青混合料成型溫度研究[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2016，37(1)：56-59.

YIN Long, XU Bo, DING Peng. Determination of molding temperature of foamed warm-mixed asphalt mixture using shear force[J].Journal of Dalian Jiaotong University,2016,37(1):56-59.

[14]王立志，王承獻(xiàn)，王鵬，等.溫拌橡膠改性瀝青混合料性能研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報，2015，30(3)：224-262.

WANG Lizhi, WANG Chengxian, WANG Peng, et al. Research on the performance of warm mix rubber asphalt[J].Journal of Shandong Jianzhu University,2015,30(3):224-262.

[15]杜素軍，申力濤.溫拌型煤液化重質(zhì)產(chǎn)物改性瀝青混合料性能研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，42(3)：420-426.

DU Sujun, SHEN Litao. Performance research of modified asphalt mixture of warm mix by coal liquefaction heavy products[J].Journal of Beijing University of Technology,2016,42(3):420-426.

[16]袁萬杰，陳忠達(dá)，王宏軍.瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究[J].中南公路工程，2006，31(3)：114-117.

YUAN Wanjie, CHEN Zhongda, WANG Hongjun. Study on the immersion stability of asphalt mixture[J].Central South Highway Engineering，2006，31(3):114-117.

[17]交通運輸部公路科學(xué)研究院.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程: JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社,2011.

[18]PEI Pengxiao, PUNITH V S, BADLEY J Putman. Effect of compaction temperature on rutting and moisture resistance of foamed warm mix asphalt mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2012 ,25(9) :1344-1352.

[19]張海峰，魏連雨，馬士賓，等.溫拌瀝青混合料低溫施工應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，43(4)：100-103.

ZHANG Haifeng, WEI Lianyu, MA Shibin, et al. The engineering application of warm asphalt mixture at low temperature[J].Journal of Hebei University of Technology,2014,43(4):100-103.

[20]劉祥，李艷博，李波.新型溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性研究[J].南陽理工學(xué)院學(xué)報，2014，6(6)：92-94.

LIU Xiang, LI Yanbo, LI Bo. Laboratory study of moisture stability of a new type of warm-mix asphalt[J].Journal of Nanyang Institute of Technology,2014,6(6):92-94.

[21]HURLEY G C, PRIWELL B D. Evaluation of sasobit for use in warm mix asphalt[R].Auburn: Auburn University,2006.