CN104844073A - 一种水发泡温拌阻燃沥青混合料及其制备和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水发泡温拌阻燃沥青混合料及其制备方法，综合利用了水发泡沥青温拌技术与沥青阻燃技术，有效降低了沥青路面的施工温度，增加了隧道沥青路面的安全系数，充分体现节能减排、绿色环保、降低工程造价，改进隧道阻燃沥青路面温拌施工技术等优点；同时还提出了一种水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计方法，利用基准配合比和技术指标等效设计概念，对传统温拌阻燃沥青混合料设计方法进行了改进，为水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计提供了依据，填补了水发泡温拌阻燃沥青混合料设计方法的空白。

Description

一种水发泡温拌阻燃沥青混合料及其制备和设计方法

技术领域

本发明涉及一种绿色环保阻燃材料技术领域，具体设计一种水发泡温拌阻燃沥青混合料及其制备和设计方法。

背景技术

随着沥青混合料温拌技术和阻燃技术的发展，许多研究人员和工程技术人员开始尝试把沥青混合料温拌技术和阻燃技术相互结合，应用于隧道沥青路面施工。由于隧道空间密闭狭小，利用阻燃技术可以增加隧道事故发生时的安全系数和减少人员的伤亡；利用温拌技术，可以起到节能减排、保护环境的作用，同时可以减少对施工人员身体健康的危害，因此沥青混合料温拌技术和阻燃技术相互结合将会具有广阔的应用前景。

但是，目前温拌阻燃沥青混合料在隧道路面施工中的应用，主要局限于添加化学温拌剂的温拌技术和阻燃沥青混合料制备技术的结合。利用添加化学温拌剂的方法虽然实现了降低阻燃沥青混合料的拌合与施工温度，但是此种方法价格昂贵，大大增加了工程造价，而且由于技术保密等原因，很多化学添加剂的成分尚不明确，化学温拌剂与沥青和阻燃剂之间是否会发生化学反应，会不会影响到任何一方材料的功效发挥以及长期性能等问题不甚明了。因此，有必要另辟蹊径，寻找新的温拌技术与阻燃沥青混合料技术的结合，解决目前传统技术所具有的不可克服的缺点。

由于温拌沥青混合料设计还没有形成一个统一的设计体系标准与方法，目前也主要采用马歇尔设计方法。但是传统的马歇尔设计方法应用于温拌沥青混合料设计方面有许多不足，主要表现在：(1)采用化学温拌剂后的沥青混合料，其拌合与施工温度的确定主要是根据生厂厂家提供的数据和依赖于以往经验，在混合料温拌施工方面具有巨大的局限性；(2)根据有关研究表明，采用传统马歇尔沥青混合料设计方法设计温拌阻燃沥青混合料，将会导致较大的沥青用量，从而与降低工程造价的宗旨相违背。综合上述问题，如果采用传统的马歇尔沥青混合料设计方法，温拌沥青混合料的节能减排效果没有得到充分的发挥，同时降低工程造价方面也收效甚微，因此，寻找合适的温拌阻燃沥青混合料设计方法已是势在必行。

为了解决上述技术问题的局限性，本发明由此而来。

发明内容

本发明目的是：提供一种水发泡温拌阻燃沥青混合料及其制备方法，综合利用了水发泡沥青温拌技术与沥青阻燃技术，有效降低了沥青路面的施工温度，增加了隧道沥青路面的安全系数，充分体现节能减排、绿色环保、降低工程造价，改进隧道阻燃沥青路面温拌施工技术等优点；同时还提出了一种水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计方法，利用基准配合比和技术指标等效设计概念，对传统温拌阻燃沥青混合料设计方法进行了改进，为水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计提供了依据，填补了水发泡温拌阻燃沥青混合料设计方法的空白。

本发明的技术方案是：一种水发泡温拌阻燃沥青混合料，所述水发泡温拌阻燃沥青混合料的原料组分包括无机阻燃剂，集料，矿粉，以及水发泡沥青；其中所述无机阻燃剂的质量为混合料总质量的0.105～0.36％；

所述集料的质量为混合料总质量的83.7～95.5％；

所述矿粉的质量为混合料总质量的0.94～10.6％；

所述水发泡沥青的质量为混合料总质量的3.5～6.0％。

上述水发泡温拌阻燃沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

(1)集料处理：将石料进行破碎分级后，145～170℃烘干加热；

(2)设定拌合温度120～155℃，并预热拌合锅，然后把集料放入拌合锅中，干拌20～30s；

(3)水发泡沥青的制备：加热沥青，使沥青有足够的流动性，打开气阀和水阀，设定发泡设备温度为150～170℃，气压100bar，加入1.5％～2％的水，将沥青加入发泡设备内，启动设备，让沥青充分发泡，膨胀率不小于10％，半衰期不小于8s，得到水发泡沥青；

(4)将步骤(3)得到的水发泡沥青和步骤(2)中的集料初步拌合得到混合料，其中拌合温度为120～155℃，拌合时间为30～60s；

(5)将无机阻燃剂和矿粉加入步骤(4)中得到的混合料中，然后在温度120～155℃下拌合30～60s，出料得到水发泡温拌阻燃沥青混合料。

作为优选的技术方案，所述步骤(3)中所述沥青为改性沥青或基质沥青，对于改性沥青预先加热到至少145℃，对于基质沥青预先加热到至少135℃。

上述水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计方法，包括以下步骤：

(1)首先确定热拌阻燃沥青混合料的集料级配组成、无机阻燃剂掺量以及作为基准的拌合与击实温度，然后在基准拌合温度下制备多种沥青用量的热拌阻燃沥青混合料，并分别在基准击实温度下进行马歇尔击实，之后通过马歇尔体积指标测试确定最佳沥青用量，再对最佳沥青用量的热拌阻燃沥青混合料进行路用性能指标测试，完成热拌阻燃沥青混合料的配合比设计，该配合比即为水发泡温拌阻燃沥青混合料的基准配合比；

(2)采用与步骤(1)一致的集料级配组成、无机阻燃剂掺量，拌合与击实温度在步骤(1)所述的基准温度上分别降低10～15℃、15～20℃、20～30℃、30～40℃，并利用用量为步骤(1)确定的最佳沥青用量的水发泡沥青，制备不同拌合与击实温度下的水发泡温拌阻燃沥青混合料，然后分别进行马歇尔击实，并进行马歇尔体积指标和路用性能指标测试；

(3)根据技术指标等效原则，当在步骤(2)中某一临界拌合与击实温度下的马歇尔体积指标和路用性能指标与步骤(1)中最佳沥青用量的热拌阻燃沥青混合料的马歇尔体积指标和路用性能指标相比，若满足交通行业技术标准要求，则此临界拌合与击实温度即为水发泡温拌阻燃沥青混合料的拌合与击实温度。

作为优选的技术方案，所述路用性能指标测试包括水稳定性测试、车辙测试和小梁低温弯曲测试。

本发明的优点是：

(1)本发明水发泡温拌阻燃沥青混合料及其制备方法可以有效降低拌合与施工温度，减少沥青和集料加热时的能源消耗，以及沥青混合料拌合时有害烟雾的排放，达到节能减排、保护环境、增加隧道路面安全系数和在隧道密闭环境下减少施工人员身体危害的目的。此外水发泡沥青仅仅是一种物理变化，原材料仅为沥青和水，价格低廉，可以大大降低工程造价，具有化学温拌阻燃沥青混合料所无法比拟的价格优势，同时也对阻燃剂尤其是无机阻燃剂功效的发挥以及沥青混合料的长期性能不具有不利影响；

(2)本发明的沥青发泡设备只需一次性投入，无需每次生产时购买温拌材料，而且能降低温拌沥青混合料的生产成本，得到“一劳永逸”的效果。在沥青混合料热拌生产过程中，该设备能够使沥青充分发泡，胶结料以泡沫沥青的形式与集料拌合成沥青混合料，泡沫沥青比普通沥青粘度降低，和易性增加，可以在较低的温度下与集料充分裹覆，降低沥青混合料的拌合温度，实现混合料的沥青水发泡温拌生产；

(3)本发明水发泡温拌阻燃沥青混合料及其制备方法减少了生产过程中沥青的老化，增加了沥青路面的使用寿命，同时混合料的摊铺施工受季节和气候环境影响小，大大延长了混合料的施工摊铺季节，克服了不利气候环境下混合料不能施工的局限性；

(4)本发明提出了基准配合比和技术指标等效设计概念，对传统温拌阻燃沥青混合料设计方法进行了改进，为水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计提供了依据，填补了水发泡温拌阻燃沥青混合料设计方法的空白。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明水发泡温拌阻燃沥青混合料的制备和设计方法流程图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明优选方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

一、试验设备：

二、材料

2.1沥青

沥青应符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)表4.2.1-1和表4.2.1-2中对道路石油沥青的相关要求。

2.2阻燃剂：无机阻燃剂，添加量一般约为沥青用量的6％，用阻燃剂取代同样质量的矿粉，在混合料拌合过程中随矿粉一起加入。

2.3集料

粗、细集料应满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)表4.8.2、表4.8.3、表4.8.5、表4.8.7、表4.9.2、表4.9.3和表4.9.4中的技术指标要求。单一粗、细集料质量不能满足要求，但集料混合料性能满足要求的，可以使用。

2.4矿粉

矿粉为碱性石灰岩矿粉，应满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)表4.10.1中的相关技术指标要求。

三、水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计

3.1热拌阻燃沥青混合料设计

(1)根据选用的沥青混合料类型，确定集料的粒径规格，进行集料级配组成设计，确定阻燃剂掺量。

(2)根据所用沥青类型，确定作为基准的热拌阻燃沥青混合料的拌合与击实温度，并拟定5种沥青用量。

(3)按照常规拌合工艺在确定的基准拌合温度下分别拌合5种沥青用量的热拌阻燃沥青混合料，并在确定的马歇尔基准击实温度下根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中T0702-2011进行马歇尔试件击实，然后根据T0705-2011进行不同沥青含量下马歇尔试件的体积指标测试。

(4)根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表5.3.3-1和表5.3.3-3中的沥青混合料马歇尔试验技术标准要求，按照马歇尔沥青混合料设计方法确定最佳沥青用量的方法确定热拌阻燃沥青混合料的最佳沥青用量。

(5)利用上述步骤(4)确定的最佳沥青用量，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中规定的试验方法，分别进行沥青混合料的路用性能检验，包括水稳定性、车辙试验和小梁低温弯曲试验。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表5.3.4-1、表5.3.4-2和5.3.4-3中规定的技术要求，对混合料的路用性能进行检验。至此，热拌阻燃沥青混合料配合比设计完成，从而转入水发泡温拌阻燃沥青混合料设计阶段。

3.2水发泡温拌沥青的制备

将原沥青加热至135℃(基质沥青)或145℃(改性沥青)，使沥青有足够的流动性。打开水发泡沥青发泡机的气阀和水阀，将发泡设备调制温度150～170℃，气压100bar，加入一定量的水(一般为原沥青质量的1.5％～2％)，将原沥青加入发泡设备内，启动设备，让沥青充分发泡。

3.3水发泡温拌阻燃沥青混合料设计

(1)集料级配组成与热拌阻燃沥青混合料所用集料级配一致，最佳沥青用量为热拌阻燃沥青混合料设计确定的最佳沥青用量，阻燃剂掺加量为约定的掺加量。

(2)确定拌合温度与击实温度：在步骤3.1(2)确定的基准拌合温度与基准击实温度的基础上，与之相对应，水发泡温拌阻燃沥青混合料的拌合温度和击实温度分别降低10～15℃、15～20℃、20～30℃、30～40℃。

(3)水发泡温拌阻燃沥青混合料拌合：按照水发泡温拌阻燃沥青混合料的拌合温度，进行混合料的拌合。具体工艺如下：集料放入拌合锅中，在水发泡温拌阻燃沥青混合料的预定拌合温度下，干拌合20～30s；再加入水发泡沥青，沥青用量为热拌混合料配合比确定的最佳沥青用量，然后在预定拌合温度下拌合30-60s，再加入无机阻燃剂(代替同等质量的矿粉)和矿粉(扣除阻燃剂代替矿粉后的质量)后并在预定拌合温度下拌合30～60s，完成水发泡阻燃沥青混合料的制备。为了尽快排除拌合过程产生的水汽，拌合锅需打开孔径不小于30cm的排气口，排气口的设置高度稍大于混合料拌合区高度，以便气体顺利排出。

(4)水发泡温拌阻燃沥青混合料的马歇尔击实

对上述步骤(3)按照预定拌合温度制备的水发泡温拌阻燃沥青混合料，按照与预定拌合温度相对应的预定击实温度进行马歇尔试件击实成型。

(5)分别对上述预定不同拌合与击实温度下的水发泡温拌阻燃沥青混合料马歇尔试件进行体积指标测试，如果在某一临界拌合与击实温度下的体积指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表5.3.3-1和表5.3.3-3中的沥青混合料马歇尔试验技术标准要求，则按照此临界拌合与击实温度进行水发泡温拌阻燃沥青混合料的拌合与路用性能测试，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表5.3.4-1、表5.3.4-2和5.3.4-3中规定的技术要求，判断此临界拌合与击实温度下的试验结果是否满足要求。

(6)如果在上述某一临界拌合温度和击实温度下，所有体积指标和路用性能技术指标均满足技术标准要求，则此临界拌合温度和击实温度即为水发泡温拌阻燃沥青混合料的拌合与击实温度。

(7)至此完成水发泡温拌阻燃沥青混合料设计，用以指导工程施工中的应用。

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明，实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例:

一、原材料

1.集料：石灰岩，规格分别为0-3mm，3-5mm，5-10mm，10-20mm。

2.矿粉：碱性石灰岩矿粉。

3.沥青：70#普通石油沥青。

4.阻燃剂：无机阻燃剂，添加量为沥青用量的6％，用阻燃剂取代同样质量的矿粉，在混合料拌合过程中随矿粉一起加入。

二、基准配合比设计(热拌阻燃沥青混合料配合比设计)

1.集料级配组成设计和各种集料的密度

表1 AC-20集料合成级配

表2 集料密度

集料规格	0-3mm	3-5mm	5-10mm	10-20mm	矿粉
						表观相对密度	2.676	2.714	2.728	2.729	2.695
毛体积相对密度	2.631	2.669	2.703	2.702	/

2.不同沥青含量下的马歇尔试验结果和最佳沥青用量的确定

试验所用拌合温度为155℃和击实温度为145℃，沥青用量分别为3.5％，4.0％，4.5％，5.0％，5.5％，击实试验结果见表3，理论最大相对密度采用真空实测法。

表3 马歇尔击实试验结果

根据上述试验结果，确定最佳沥青用量为4.3％，此时最佳沥青用量对应的体积指标如表4所示。

表4 最佳沥青用量对应的体积指标

3.路用性能检验

根据确定的最佳沥青用量4.3％，分别进行冻融劈裂试验、车辙试验和小梁低温弯曲试验，试验结果见表5。

表5 路用性能试验结果

试验类型	冻融劈裂强度比(％)	动稳定度(次/mm)	破坏应变(με)
				试验结果	85.6	1856	2800
技术要求	≥75	≥1000	≥2000

上述路用性能试验结果均满足技术标准要求，完成热拌阻燃沥青混合料设计。

三、水发泡温拌阻燃沥青混合料配合比设计

1.水发泡工艺：沥青发泡温度为165℃，用水量为1.5％。

2.以基准配合比设计确定的最佳沥青用量4.3％为试验沥青用量，分别采用低于基准配合比的不同拌合与击实温度进行水发泡温拌阻燃沥青混合料的拌合与马歇尔试件成型，同时测定成型试件的体积指标，测试结果见表6。

表6 不同拌合与击实温度下的马歇尔试验结果

由表6试验结果可以看出，在拌合温度135℃和击实温度125℃以及拌合温度140℃和击实温度130℃时，两种情况下马歇尔试验结果的所有体积指标均满足技术标准要求，但是在拌合温度130℃和击实温度120℃以及拌合温度125℃和击实温度115℃时，两种情况下马歇尔试验结果体积指标中的饱和度均不满足技术标准要求，因此在拌合温度135℃和击实温度125℃以及拌合温度140℃和击实温度130℃的情况下，进行水发泡温拌阻燃沥青混合料的路用性能检验，试验结果见表7。

表7 路用性能试验结果

根据表7试验结果可以看出，在拌合温度135℃和击实温度125℃以及拌合温度140℃和击实温度130℃两种情况下的所有路用性能试验均满足技术标准要求。根据节能减排的宗旨与原则，因此确定满足要求的水发泡温拌阻燃沥青混合料拌合与击实温度分别为135℃和125℃，在热拌合阻燃沥青混合料的基础上实现了降温20℃，起到了节能减排，减少有害气体排放，保护环境的目的，可为工程项目施工提供依据。

以上数据表明AC-20水发泡温拌阻燃沥青混合料制备与设计方法得到验证。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种水发泡温拌阻燃沥青混合料，其特征在于，所述水发泡温拌阻燃沥青混合料的原料组分包括无机阻燃剂，集料，矿粉，以及水发泡沥青；其中所述无机阻燃剂的质量为混合料总质量的0.105～0.36%；

所述集料的质量为混合料总质量的83.7～95.5 %；

所述矿粉的质量为混合料总质量的0.94～10.6 %；

所述水发泡沥青的质量为混合料总质量的3.5～6.0 %。

2.一种如权利要求1所述的水发泡温拌阻燃沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）集料处理：将石料进行破碎分级后，145~170℃烘干加热；

（2）设定拌合温度120～155℃，并预热拌合锅，然后把集料放入拌合锅中，干拌20~30s；

（3）水发泡沥青的制备：加热沥青，使沥青有足够的流动性，打开气阀和水阀，设定发泡设备温度为150~170℃，气压100bar，加入1.5%~2%的水，将沥青加入发泡设备内，启动设备，让沥青充分发泡，膨胀率不小于10%，半衰期不小于8s，得到水发泡沥青；

（4）将步骤（3）得到的水发泡沥青和步骤（2）中的集料初步拌合得到混合料，其中拌合温度为120～155℃，拌合时间为30~60s；

（5）将无机阻燃剂和矿粉加入步骤（4）中得到的混合料中，然后在温度120～155℃下拌合30~60s，出料得到水发泡温拌阻燃沥青混合料。

3.根据权利要求2所述的水发泡温拌阻燃沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述沥青为改性沥青或基质沥青，对于改性沥青预先加热到至少145℃，对于基质沥青预先加热到至少135℃。

4.一种如权利要求1所述的水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先确定热拌阻燃沥青混合料的集料级配组成、无机阻燃剂掺量以及作为基准的拌合与击实温度，然后在基准拌合温度下制备多种沥青用量的热拌阻燃沥青混合料，并分别在基准击实温度下进行马歇尔击实，之后通过马歇尔体积指标测试确定最佳沥青用量，再对最佳沥青用量的热拌阻燃沥青混合料进行路用性能指标测试，完成热拌阻燃沥青混合料的配合比设计，该配合比即为水发泡温拌阻燃沥青混合料的基准配合比；

（2）采用与步骤（1）一致的集料级配组成、无机阻燃剂掺量，拌合与击实温度在步骤（1）所述的基准温度上分别降低10～15℃、15～20℃、20～30℃、30～40℃，并利用用量为步骤（1）确定的最佳沥青用量的水发泡沥青，制备不同拌合与击实温度下的水发泡温拌阻燃沥青混合料，然后分别进行马歇尔击实，并进行马歇尔体积指标和路用性能指标测试；

（3）根据技术指标等效原则，当在步骤（2）中某一临界拌合与击实温度下的马歇尔体积指标和路用性能指标与步骤（1）中最佳沥青用量的热拌阻燃沥青混合料的马歇尔体积指标和路用性能指标相比，若满足交通行业技术标准要求，则此临界拌合与击实温度即为水发泡温拌阻燃沥青混合料的拌合与击实温度。

5.根据权利要求4所述的水发泡温拌阻燃沥青混合料的设计方法，其特征在于，所述路用性能指标测试包括水稳定性测试、车辙测试和小梁低温弯曲测试。