基于剪切力的泡沫温拌沥青混合料成型温度研究

尹龙，徐波，丁鹏(河海大学土木与交通学院，江苏南京210098)*

基于剪切力的泡沫温拌沥青混合料成型温度研究

尹龙，徐波，丁鹏
(河海大学土木与交通学院，江苏南京210098)*

为确定泡沫温拌沥青混合料的压实温度，以发泡后的SBS改性沥青作为胶结料，在不同温度下用旋转压实分别成型Sup-20、AC-13沥青混合料试件，通过分析泡沫温拌和常规热拌沥青混合料在压实过程中剪应力与旋转次数的关系，确定泡沫沥青混合料的成型温度，并采用高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验验证此压实温度下泡沫温拌沥青混合料的路用性能.结果表明: SBS改性泡沫沥青的最佳压实温度为130℃，在130℃下成型泡沫温拌沥青混合料的高温性能、低温性能和抗水损害性能与热拌相当，均满足规范要求.

道路工程;泡沫沥青;成型温度;剪切力;旋转压实

0 引言

随着经济高速发展及生存环境的恶化，能源危机和环境保护成为亟待解决的问题.传统的热拌沥青混合料造成大量的能源损耗和废气、粉尘排放，威胁周围环境质量和施工人员的健康，温拌沥青混合料受到广泛关注［1-3］.温拌技术主要有三类:化学类、有机类和泡沫类.泡沫温拌技术相比其它两种温拌技术不需任何添加剂，在降低施工温度的同时不影响沥青路面路用性能，是真正的“绿色筑路技术”［4］.

在美国Feipeng Xiao，V.S.Punith等通过室内试验，考虑不同级配、发泡用水量、集料干湿情况等因素，针对不同压实温度对泡沫温拌沥青混合料的成型压实次数、车辙和水稳定性的影响情况进行了分析，指出成型温度在102～118℃时，泡沫沥青混合料的车辙和TSR值基本无变化［5］.Shu Wei Goh，Zhang ping You在不同发泡用水量和成型温度( 100，115，130℃)条件下旋转压实成型试件，发现在115℃时简介抗拉强度最高，同时TSR随成型温度的升高而增大，表明泡沫沥青混合料具有较高的疲劳寿命［6］.对于泡沫温拌沥青混合料的施工温度的确定，目前没有统一的方法，国内也没有相关工程实践经验可以借鉴.Superpave体系中推荐采用的旋转压实仪可以记录压实过程中剪应力与旋转次数的关系.剪应力是通过试样桶盖上的反力矩计算得到，可以反映压实过程中集料的嵌挤状态，在相同压实次数下，剪应力越大混合料嵌挤越密实，即混合料越易压实［7］.因此，在压实过程中的剪应力可以反映混合料的压实特性［8］.本文采用旋转压实成型试件，通过对比泡沫温拌与常规热拌沥青混合料的剪应力与旋转次数关系，确定泡沫温拌沥青混合料的压实温度，并验证此压实温度下混合料的路用性能.

1 原材料及试验方法

1.1原材料

( 1)沥青

用SBS改性沥青制备泡沫沥青，按照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》( JTG E20-2011)［9］的要求以及SHRP试验方法［10］对SBS改性沥青的各项性能指标进行了测试，结果如表1所示.

表1 SBS改性沥青的基本性能指标

( 2)泡沫沥青制备

试验采用德国维特根WLB-10发泡试验机进行发泡，发泡参数为:发泡用水量3%，沥青温度165℃，水温30℃.

1.2试验方法

( 1)沥青混合料配合比设计

采用Sup-20和AC-13类型混合料探究泡沫温拌沥青混合料的压实温度，设计结果如表2、图1所示.

表2 配合比设计结果

图1 混合料级配曲线图

( 2)剪应力－旋转次数曲线法(τ-N)

试验用旋转压实成型方法，分别对不同温度下Sup-20、AC-13泡沫温拌沥青混合料和常规热拌Sup-20、AC-13沥青混合料进行试件成型，记录压实过程中剪应力与旋转次数的关系.通过泡沫温拌沥青混合料和常规热拌沥青混合料对比，得到最佳泡沫沥青混合料压实温度.试验采用旋转压实设计次数Ndes= 100次，沥青混合料压实温度参数如表3所示.

表3 Sup-20和AC-13不同压实温度 ℃

2 试验结果及分析

泡沫温拌和常规热拌沥青混合料压实过程中剪应力和旋转次数关系如图2所示.

图2 混合料剪应力-旋转压实次数曲线图

从图2可知，泡沫温拌和常规热拌沥青混合料在压实过程中剪应力的峰值大多出现在旋转次数为40次时，因此可以认为旋转次数为40次时混合料嵌挤最密实.

在压实前期，混合料处于松散状态，剪应力主要由胶结料提供，且剪应力随温度的升高而减小.在压实后期，混合料嵌挤作用增强，剪应力主要由集料的内摩擦力提供，且随温度的升高而增大，表明温度越高，混合料更易压实.

从图中可以看出，在压实后期，热拌沥青混合料剪应力在泡沫温拌120和130℃之间，表明泡沫温拌沥青混合料压实温度在120～130℃时混合料嵌挤密实度与热拌相当，而泡沫沥青混合料在120℃时密实度偏小，因此，可以确定SBS改性泡沫沥青Sup-20、AC-13混合料的压实温度为130℃.

3 混合料路用性能评价

在130℃时采用旋转压实方法成型Sup-20和AC-13泡沫温拌和常规热拌沥青混合料.

3.1混合料体积指标

泡沫温拌沥青混合料的体积指标如表4所示.

表4 泡沫温拌沥青混合料体积指标

从表4可知，在130℃下压实得到沥青混合料体积指标均满足规范要求.

3.2混合料高温性能评价

采用车辙试验评价泡沫温拌沥青混合料高温性能，每种混合料做3组平行试验，取平均值作为试验结果，如表5所示.

表5 混合料车辙试验结果

从表5可知，泡沫温拌沥青混合料动稳定度略低于常规热拌，但均高于规范要求，而且依然处在很高的水平，表明在130℃下压实得到的泡沫温拌沥青混合料高温性能良好.

3.3混合料低温性能评价

采用低温小梁弯曲试验评价泡沫温拌沥青混合料的低温性能，结果如表6所示.

表6 混合料低温小梁弯曲试验结果

从表6可知，泡沫温拌沥青混合料的劲度模量与常规热拌几乎相等，且都满足规范要求，表明泡沫温拌沥青混合料低温性能良好，与热拌相当.3.4混合料水稳定性能评价

采用冻融劈裂试验评价泡沫沥青混合料的抗水损害性能，结果如表7所示.

表7 混合料冻融劈裂强度试验结果

从表7可知，泡沫温拌沥青混合料的冻融劈裂强度略低于热拌，泡沫温拌沥青混合料TSR随略低于常规热拌，但均满足规范要求.表明泡沫温拌沥青混合料抗水损害性能虽稍差于常规热拌，但总体表现良好.

4 结论

( 1) SBS改性泡沫沥青混合料的压实温度为130℃;

( 2)在130℃下压实得到的泡沫温拌沥青混合料与常规热拌相比，高温性能和抗水损害性能略低于常规热拌，低温性能与热拌相当，总体来看，泡沫沥青混合料拥有良好的高温性能、低温性能和抗水损害性能，满足规范要求.

［1］张宏彬.能源问题、环境污染与节能减排［J］.改革与开放，2010( 20) : 97.

［2］黄文元，秦永春.沥青温拌技术在国内外的应用现状［J］.上海公路，2008( 3) : 1-3.

［3］赵剑强.公路交通与环境保护［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.

［5］FEIPENG XIAO，PUNITH V S，BRADLEY 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( 8) : 1-30.

［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.

［7］张争奇，袁迎捷，王秉纲.沥青混合料旋转压实密实曲线信息及其应用［J］.中国公路学报，2005，18( 3) : 1-6.

［8］袁迎捷，周进川，胡长顺.沥青混合料密实性能［J］.交通运输工程学报，2001( 3) : 42-45.

［9］中交通部公路科学研究所.JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［10］THOMAS W KENNEDY，GERALD A HUBER，EDWARD T HARRIGAN，et al.Superior Performing Asphalt Pavements ( Superpave ) : the Product of SHRP Asphalt Research Program［M］.Washington: National Research Council，1994.

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

尹龙( 1991－)，男，硕士研究生，主要从事沥青及沥青混合料方面的研究

E-mail: yinlongcheer@163.com.

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