CN106498825A - 一种应用于融雪道路的导热sma改性沥青混合料配合比设计优化方法 - Google Patents

一种应用于融雪道路的导热sma改性沥青混合料配合比设计优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，该SMA改性沥青组合物包含SBS改性沥青及石料，该方法包含：步骤1，确定石料的级配和SBS改性沥青的最佳油石比z；步骤2，采用石墨代替矿粉，再次进行配合比设计，设定石墨代替矿粉的具体掺量为x（x=10%~30%），矿粉占石料质量的百分数为y，以z+0.5xy作为中值，按0.2%的间隔，取若干个不同的油石比分别成型马歇尔试件，测定体积指标，确定掺入石墨后的改性沥青最佳油石比，进而确定其对应的级配、石墨用量及SBS改性沥青用量。本发明在利用石墨导热性能增加了导热系数节省了电能的同时，减少了矿粉的用量，保证了沥青混合料的各项性能，实现了节约成本，保证道路长期使用寿命的效果。

Description

一种应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计 优化方法
技术领域
本发明涉及公路与城市道路工程领域，涉及一种应用于融雪道路的导热SMA(SMA是一种沥青混合料，全称沥青马蹄脂碎石混合料，用于铺筑高性能沥青路面)改性沥青混合料配合比设计优化方法。
背景技术
交通运输业是国民经济的重大动脉之一，是构成持续经济增长基础结构的重要组成部分。随着我国现代化建设的步伐的加快，高速公路、城市道路的大量兴建，汽车数量和速度的不断提高，改善道路运营环境、提高交通安全已经成为当今世界各国最为重视的课题之一。
北方地区冬季积雪结冰已成为道路交通安全的重大隐患，尤其在一些纵坡较大的匝道、高架道路上，积雪结冰严重时只能封闭交通，这给道路的畅通运营和人民出行造成了非常大的影响。随着科学技术的快速发展，人类除冰融雪的方法也正在不断改良。道路除雪的方式由最早的人工除雪发展到目前常用的化学除雪(融冰盐)或机械除雪。人工除雪安全性较低，工作效率较低而且难以清除彻底；化学除雪是目前常用的方法，我国08年冰雪灾害时期，用的就是这种方法。在美国，每年冬季大约需要花费10万吨的氯化钠用于除雪，该费用达到了15亿美元，相当于美国冬季道路养护费用的三分之一。同时，融雪盐中的氯离子会加速沥青路面老化，降低沥青路面使用寿命；机械化除冰需要封闭交通，而且需要消耗大量的人力、物力和设备。
利用电能融雪不需要封闭交通，同时对沥青路面的影响较小，且对环境污染较小逐渐成为研究的热点。然而，现有的沥青路面导热系数不够，电能融雪效率不佳。
发明内容
本发明的目的是解决清除道路积雪虚耗人力、物力的问题，提供一种改性沥青路面的优化设计方法，通过在改性后的沥青混合料中添加石墨的方法，提高了沥青混合料的导热性能，从而增加电能融雪效率，节省能源；同时保证了沥青混合料的各项性能。
为达到上述目的，本发明提供了一种应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，该SMA改性沥青组合物包含SBS改性沥青及石料，其中，石料包含矿粉和集料，该方法包含以下步骤：
步骤1，确定石料的级配和SBS改性沥青的最佳油石比：SBS改性沥青加热温度为175℃，石料加热温度为190～200℃，拌合温度为170～180℃，将拌合均匀的混合料成型马歇尔试件，测定体积指标，从而确定石料的级配和SBS改性沥青的最佳油石比，设为z；
步骤2，在SBS改性沥青的最佳油石比的基础上，采用石墨代替矿粉，再次进行配合比设计，设定石墨代替矿粉的具体掺量为x，x取值以矿粉的质量百分数计为10％～30％，矿粉占石料质量的百分数为y，以SBS改性沥青的最佳油石比和增加的油石比之和z+0.5xy作为中值，按0.2％的间隔，取若干个不同的油石比分别成型马歇尔试件，沥青加热温度为175℃，石料加热温度为190～200℃，拌合温度为170～180℃，测定体积指标，由此确定掺入石墨后的改性沥青最佳油石比，并按照掺配比例确定其对应的级配、石墨用量及SBS改性沥青用量；
其中，该油石比是指SBS改性沥青与石料的质量比；体积指标包含密度、空隙率、矿料间隙率、有效沥青的饱和度、粗集料骨架间隙率、稳定度和流值。
优选地，石墨的添加量为代替矿粉质量的20％。
优选地，所述的石墨呈鳞片状，为高强度压力下变质而成的，规格为100目。其导热性能超过钢铁铅等金属材料，因此均匀分散于沥青混合料中能增加其导热系数。石墨是一种良好的导热相材料，掺入沥青混凝土中能够增加其导热系数，从而增加电能融雪效率，节省能源。
优选地，所述的矿粉为石灰岩，所述的集料选择玄武岩。
优选地，所述的改性沥青的步骤为：以基质沥青为原料，加入SBS改性剂，使SBS均匀分散于沥青中，同时，加入稳定剂，形成SBS共混材料，利用SBS良好的物理性能对沥青做改性处理。
优选地，所述的SBS改性剂的用量为改性沥青总质量的5％，所述的稳定剂为无硫稳定剂。
优选地，所述的SMA改性沥青组合物中油石比为7.3％。
本发明通过两道工序的配合比设计方法完成最终的混合料设计：第一道工序进行传统的SMA改性沥青混合料的目标配合比设计；第二道工序利用石墨代替部分矿粉，通过分析石墨吸油率预估该阶段的油石比中值，再次进行配合比设计优化。与传统的SMA改性沥青混合料相比，其导热系数增加了34.8％。该混合料用于融雪道路将节省大量的电能。
本发明提供的设计方法在利用石墨导热性能的同时，减少了矿粉的用量，合理地确定沥青的用量，保证了沥青混合料的各项性能，实现了节约成本及保证道路长期使用寿命的效果。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，该SMA改性沥青组合物包含SBS(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物)改性沥青与石料组成，其中，石料包含矿粉和集料(包括粗集料和细集料)，该方法包含以下步骤：
步骤1，确定石料的级配和SBS改性沥青的最佳油石比：SBS改性沥青加热温度为175℃，石料加热温度为190～200℃，拌合温度为170～180℃，将拌合均匀的混合料成型马歇尔试件，测定体积指标，根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004确定石料的级配和SBS改性沥青的最佳油石比z；
步骤2，在SBS改性沥青的最佳油石比的基础上，采用石墨代替矿粉，再次进行配合比设计，设定石墨代替矿粉的具体掺量为x，x取值以矿粉的质量百分数计为10％～30％，矿粉占石料质量的百分数为y，以SBS改性沥青的最佳油石比和增加的油石比之和z+0.5xy(根据经验，石墨相对矿粉的吸油率差约为0.5，因此增加的油石比为0.5xy)作为中值，按0.2％的间隔，取若干个(优选5个)不同的油石比分别成型马歇尔试件，沥青加热温度为175℃，石料加热温度为190～200℃，拌合温度为170～180℃，测定体积指标，由此确定掺入石墨后的改性沥青最佳油石比，并按照掺配比例确定其对应的级配、石墨用量及SBS改性沥青用量；
其中，体积指标包含密度、空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)、有效沥青的饱和度(VFA)、粗集料骨架间隙率(VCA)、稳定度和流值。
实施例
由于导热SMA改性沥青混合料生产配合比设计和普通改性沥青混合料基本一致，这里仅对混合料目标配合比设计的两道工序进行详述：
1.试验准备
1)目标配合比设计中SBS改性沥青采用在70号沥青掺入质量百分含量为5％的SBS的改性沥青，该沥青相关性能符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中对改性沥青技术要求的规定。石墨形状为鳞片状，规格为100目。
2)对石墨的部分性能进行检验，应符合表1的技术要求。
表1：石墨的主要性质
3)SMA-13沥青混合料所用集料为玄武岩，规格分别为：10～15mm、5～10mm、0～5mm。粗、细集料应符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中一级公路上面层混合料对集料的技术要求。矿粉采用石灰岩，同时应满足《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004对填料的技术要求。
2.导热SMA改性沥青混合料第一时期目标配合比设计
1)本实例选择融雪道路常用的SMA-13改性沥青混合料配合比设计作为例证级配具有较高的代表性。在《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中规定的级配范围内调整各种矿料比例，设计3组不同的初试级配，根据上述规范中B.5.5的方法预估适宜的油石比，进行马歇尔试验确定设计级配，详见表2。
表2：设计级配组成
2)根据上述设计级配及初试油石比(6.5％)，以0.4％为间隔，调整3个不同的油石比，制作马歇尔时间，计算空隙率等各项体积指标，详见表3。
表3：第一阶段混合料各项指标
3)确定导热SMA改性沥青混合料第一时期最佳油石比
根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中最佳油石比的计算方法，确定该混合料改性沥青的最佳油石比为6.4％。
在SBS改性沥青最佳油石比的条件下成型车辙试件，进行车辙试验。在温度60℃、轮压0.7MPa条件下测试沥青混合料的动稳定度，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)所对应的SMA改性沥青混合料抗高温性能的相关规定。
进行SBS改性沥青混合料冻融劈裂试验，验证沥青混合料的水稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)所对应的SMA改性沥青混合料的相关规定。
进行SBS改性沥青混合料低温小梁弯曲试验，验证沥青混合料的低温性能，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)所对应的SMA改性沥青混合料的相关规定。
3.导热SMA改性沥青混合料第二时期目标配合比设计
1)设计级配仍按照表2执行，确定石墨代替矿粉的具体掺量，本次掺量为20％，矿粉占石料体积的百分数原为9.5％，掺入石墨后矿粉占石料的质量比为7.6％，石墨占石料的质量比为1.9％。根据经验，石墨相对矿粉的吸油率差约为0.5，因此增加的油石比为0.95％。因此，第二时期目标配合比设计以7.4％作为中值，按0.2％的间隔，取三个不同的油石比分别成型马歇尔试件。测定马歇尔试件的密度、空隙率等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标，如表4所示，由此确定掺入石墨后的改性沥青最佳油石比为7.3％。
表4：第二阶段混合料各项指标
2)高温稳定性试验
采用最佳油石比为7.3％制备试件，石墨掺量为代替矿粉的20％。按照《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ 052-2000规定的试验方法进行混合料车辙试验。该SMA沥青混合料动稳定度为5674次/mm，远超《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中对SMA类沥青混合料的高温性能(3000次/mm)的要求。
3)水稳定试验
采用最佳油石比为7.3％制备马歇尔试件，石墨掺量为代替矿粉的20％。按照《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ 052-2000规定的试验方法进行混合料48h浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。试验结果为残留稳定度比为：86.3％；冻融劈裂强度比为81.3％，符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中对SMA类沥青混合料抗水损害要求。
4)低温性能试验
采用最佳油石比为7.3％制备试件，石墨掺量为代替矿粉的20％。按照《沥青及沥青混合料试验规程》JTJ 052-2000规定的试验方法进行混合料低温小梁试验。该试件平均低温弯曲应变为2913.6με符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中对SMA类沥青混合料低温性能的要求。
5)导热性能试验
利用瑞典公司生产的TPS3500S型热常数分析仪测量两组沥青混合料的导热系数：一组为第一阶段目标配合比设计结果，另一组用第二阶段目标配合比设计结果(掺入石墨)。试验结果分别为：1.52W﹒(m﹒K)-1，2.05W﹒(m﹒K)-1，试验结果表明掺入石墨后沥青混合料导热系数增加了34.8％。
6)导热SMA改性沥青混合料第二阶段配合比设计结论
沥青混合料试验结果表明：本次导热SMA改性沥青混合料目标配合比设计能够满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的要求，同时大大增加了混合料的导热性能。即采用最佳油石比为7.3％(原为6.4％)，石墨代替矿粉质量比为20％，石墨和石料质量比为1.9％，矿粉和石料的质量比为7.6％(原为9.5％)，设计级配不变。所述的石料是指除沥青及纤维(纤维为常规SMA混合料掺入的填料，目的是增加混合料的韧性)之外的所有组分，所谓油石比即为沥青与所有石料(粗集料、细集料、矿粉以及石墨)的比值。
4.导热SMA改性沥青混合料的生产配合比设计
按照规定方法(沥青取样应根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20-2011进行执行，集料取样是根据《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005)取样测试各热料仓的材料级配，确定各热料仓的配合比，供拌合机控制室使用。同时，选择适宜的筛孔尺寸和安装角度，尽量使各热料仓的供料大体平衡。取第二时期目标配合比的沥青最佳用量、最佳沥青用量加0.3％、最佳沥青用量减0.3％三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳用量。
5.导热SMA改性沥青混合料的生产
导热SMA改性沥青混合料可采用间隙式拌和机或连续式拌和机。先将集料投入拌合机后，再将称量好的石墨和纤维投入拌合机中，三者先进行搅拌，搅拌均匀后再喷洒沥青进行拌合，拌和温度为约165℃～约175℃，最后在投入矿粉进行拌合。混合料应拌和均匀，所有矿料颗粒应全部裹覆沥青结合料，无花白料。
6.导热SMA改性沥青混合料的运输
导热SMA改性沥青混合料运输到场温度必须大于165℃，其它要求同热拌改性(即高温拌和混合料)SMA沥青混合料。
7.导热SMA改性沥青混合料的摊铺
1)沥青混合料要求使用机械铺筑与待摊铺物体的表面，铺筑温度应不小于160℃。
2)摊铺机预热后，将混合料均匀摊铺于道路表面。根据混合料的级配组成，选择合理的压路机组合方式及碾压步骤。导热SMA改性沥青混合料压实宜采用钢筒式静态压路机与轮胎压路机或震动压路机组合的方式。碾压温度一般为约150℃～约90℃(初压～终压)，压实度和平整度须符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。导热SMA改性沥青混合料开放交通时路表温度不高于50℃。
本发明设计的优化方法采用石墨代替部分矿粉，减少了矿粉用量，从而同时减少沥青的用量。通过分析石墨的吸油率进行第二时期配合比设计优化，达到既节省道路成本又保证SMA混凝土路用性能的目的。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，该SMA改性沥青组合物包含SBS改性沥青及石料，其中，石料包含矿粉和集料，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1，确定石料的级配和SBS改性沥青的最佳油石比：SBS改性沥青加热温度为175℃，石料加热温度为190~200℃，拌合温度为170~180℃，将拌合均匀的混合料成型马歇尔试件，测定体积指标，根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004确定石料的级配和SBS改性沥青的最佳油石比z；
步骤2，在SBS改性沥青的最佳油石比z的基础上，采用石墨代替矿粉，再次进行配合比设计，设定石墨代替矿粉的具体掺量为x，x取值以矿粉的质量百分数计为10%~30%，矿粉占石料质量的百分数为y，以SBS改性沥青的最佳油石比和增加的油石比之和z+0.5xy作为中值，按0.2%的间隔，取若干个不同的油石比分别成型马歇尔试件，沥青加热温度为175℃，石料加热温度为190~200℃，拌合温度为170~180℃，测定体积指标，由此确定掺入石墨后的改性沥青最佳油石比，从而确定其对应的级配、石墨用量及SBS改性沥青用量；
其中，油石比是指SBS改性沥青与石料的质量比；体积指标包含密度、空隙率、矿料间隙率、有效沥青的饱和度、粗集料骨架间隙率、稳定度和流值。
2.如权利要求1所述的应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，其特征在于，石墨代替矿粉的具体掺量x取值为20%，以矿粉的质量百分数计。
3.如权利要求1所述的应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，其特征在于，所述的石墨呈鳞片状。
4.如权利要求1所述的应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，其特征在于，所述的石墨的规格为100目。
5.如权利要求1所述的应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，其特征在于，所述的矿粉为石灰岩，所述的集料选择玄武岩。
6.如权利要求1所述的应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，其特征在于，所述的SBS改性沥青的步骤为：以基质沥青为原料，加入SBS改性剂，使SBS均匀分散于沥青中，同时，加入稳定剂，形成SBS共混材料，利用SBS良好的物理性能对沥青做改性处理。
7.如权利要求6所述的应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，其特征在于，所述的SBS改性剂的用量为改性沥青总质量的5%，所述的稳定剂为无硫稳定剂。
8.如权利要求1所述的应用于融雪道路的导热SMA改性沥青混合料配合比设计优化方法，其特征在于，所述的SMA改性沥青组合物中油石比为7.3%。
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