CN106630771A - 一种高速公路泡沫沥青混合料、生产工艺及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速公路泡沫沥青混合料、生产工艺，该混合料包括下述以重量份表示的组分：集料100份，改性沥青4.3‑4.9份，水0.043‑0.049份；其生产工艺中涉及到的工艺参数为：沥青加热温度150℃‑165℃，集料加热温度为170℃，拌和温度为160℃，出场温度为160℃，压实温度为150℃。该混合料泡沫沥青温拌技术应用到高等级路面及高速公路中，在达到节能减排的目的的同时增加路面的使用寿命以及抗车辙能力。

Description

一种高速公路泡沫沥青混合料、生产工艺及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种温拌沥青混合料，更具体的说，它涉及一种高速公路泡沫沥青混合料、生产工艺及其检测方法。
背景技术
目前，道路建设的材料仍以热拌沥青混合料为主，但是沥青拌和站对沥青和集料拌和的过程中，由于拌和温度较高，会造成能源的极大消耗，同时会排放沥青烟以及CO2等温室气体，造成环境的污染。为响应国家大力提倡环境保护与能源节约并推行可持续发展战略，现越来越多的道路建设中开始使用沥青温拌技术，温拌泡沫沥青混合料的生产以及施工温度，相对热拌沥青混合料能减低20℃左右，具有减少碳排放、节约燃料、保护环境的效果。
泡沫沥青温拌技术，采用沥青发泡设备产生的压缩空气与小水滴形成蒸汽泡，与热沥青相结合，热沥青在表面张力作用下以薄膜状形式充分裹覆蒸汽泡，沥青以泡沫沥青的形式喷入拌缸与热集料拌合形成沥青混合料，泡沫沥青比常规沥青粘度降低，和易性增加，可以在较低的温度下充分裹覆集料，降低沥青混合料的拌合温度，实现泡沫沥青温拌混合料生产。
我国对于泡沫沥青的研究大多集中在泡沫沥青的发泡机理、物理力学特性及路面冷再生混合料在低等级路面中的应用。例如，授权公告号为CN104355568B的中国专利公开的一种温拌沥青混合料及其制备方法和设备，采用沥青微发泡温拌技术达到节约成本、节能减排的目的。
随着社会的发展，高等级路面及高速公路的建设越来越多，高等级路面及高速公路的交通量大、要求使用寿命长且常常要面对车辆大型化和严重超载等问题，使沥青路面容易发生车辙、开裂等破坏现象，尤其是在夏季高温条件下，沥青路面在车辆荷载长期反复作用下路面产生推移和车辙等病害的情况更容易发生。而我国对于泡沫沥青温拌技术在高等级路面及高速公路上的研究与应用还相对匮乏。
由于高等级路面及高速公路要求使用寿命长，并且由于存在车速快、建造地形特殊等问题，对其的建设和维护困难性都较大，因此为增加使用寿命、减少使用过程中路面出现问题的情况的发生，全面对于泡沫沥青混合料试验路段进行检测，选用优质的材料进行建设在建设等级路面及高速公路中是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速公路泡沫沥青混合料及其生产工艺，将泡沫沥青温拌技术应用到高等级路面及高速公路中，在达到节能减排的目的的同时增加路面的使用寿命以及抗车辙能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种高速公路泡沫沥青混合料，包括下述以重量份表示的组分：
集料 100份，
改性沥青 4.3-4.9份，
水 0.043-0.049份。
由于微量水分与气泡引入泡沫沥青混合料，泡沫沥青有效降低混合料粘性从而有利于拌合以及降低压实温度，并且通过实验测试泡沫沥青在一定程度上提高了混合料的高温抗车辙能力，相比热拌改性沥青，泡沫沥青制作的混合料试件动稳定度提高9％左右，其高温稳定性有较大的提高，从而在达到节能减排的目的的同时增加路面的使用寿命以及抗车辙能力。
进一步的，所述集料由下述以重量份表示的组分组成：
作为优选，所述的高速公路泡沫沥青混合料包括下述以重量份表示的组分：
集料 100份，
改性沥青 4.6份，
水 0.046份。
一种生产高速公路泡沫沥青混合料的方法：
步骤一：将16～22mm、11.2～16mm、6～11.2mm、3.5～6mm、0～3.5mm的石灰岩碎石分别加入料仓进行加热至170℃，保温备用；
步骤二：取步骤一各料仓中的石灰岩碎石以及矿粉作为集料，一边搅拌集料一边加热，保证温度维持在170℃；
步骤三：将改性沥青投入到加热储罐中，加热到150℃-165℃得到高温沥青；
步骤四：取步骤三得到的高温沥青装入沥青发泡设备中，通过高压泵向沥青发泡设备中加入冷水，随后往沥青发泡设备中通入气体，启动沥青发泡装置，高温沥青、冷水以及气体在沥青发泡设备内急剧汽化，迅速膨胀生成泡沫沥青，沥青发泡过程中保持发泡温度165℃；
步骤五：将步骤二中得到集料和步骤四中得到的泡沫沥青同时装入搅拌缸搅拌，在160℃的温度下拌和；
步骤六：将步骤五中拌和好的泡沫沥青混合料放入150℃恒温试验箱中保温半小时，得到高度公路泡沫沥青混合料。
通过采用上述技术方案，在集料混合前对不同规定的碎石进行加热、保温，使集料自身内外温度更加均匀；实验显示泡沫沥青在150℃-165℃的沥青加热温度与发泡用水量下有较好的降粘效果，并能在泡沫沥青膨胀率与半衰期指标上达到最佳；泡沫沥青混合料在使用前放入150℃恒温试验箱中保温半小时以确保泡沫沥青混合料具有均匀的压实温度，以更加满足高速公路对施工现场压实度较高的要求，从而保证路面具有良好的抗车辙能力，从而增加路面的使用寿命。
作为优选，所述步骤三中改性沥青的加热温度为165℃。
在沥青发泡设备中，用流量计控制发泡用水量与沥青的质量比为1％，为了更好地保证沥青的发泡效果，沥青仍然需要较高的加热温度，因此采用沥青的加热温度与热拌沥青加热温度相同的165℃，在此温度下泡沫沥青半衰期与膨胀率指标较好。
本发明的另一目的在于提供一种高速公路泡沫沥青混合料的检测方法，其能够更加全面的对于泡沫沥青混合料试验路段进行检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种检测高速公路泡沫沥青混合料的方法：
P1：取高度公路泡沫沥青混合料以150℃的压实温度制成标准马歇尔试件；
P2：P1中得到的马歇尔试件经97.3Kpa压强下真空保水15min后经-18℃冷冻16h后25℃恒温水浴时间为12h，进行劈裂试验；
P3：重复五次步骤P2，并且对每一次的测试结果进行记录。
通过采用上述技术方案，以模仿我国北方寒冷地区以及西部昼夜温差较大地区路面长期反复冻融对沥青混合料的损害的情况，从而对高速公路泡沫沥青混合料的长期反复冻融下的耐久性进行检测，能够对泡沫沥青混合料试验路段进行更加全面的检测，以筛选出更为适用于高等级路面及高速公路使用的泡沫沥青混合料，保证高等级路面及高速公路具有更长的使用寿命且减少维修次数。
本发明的优点是：
1、泡沫沥青有效降低混合料粘性从而有利于拌合以及降低压实温度；
2、泡沫沥青混合料在较低的生产与压实温度下，其中面层的施工压实度与热拌沥青混合料基本一致，完全符合规范对施工压实度的要求标准；
3、提高了混合料的高温抗车辙能力，其高温稳定性有较大的提高从而在达到节能减排的目的的同时增加路面的使用寿命以及抗车辙能力；
4、能够对泡沫沥青混合料试验路段进行更加全面的检测，以筛选出更为适用于高等级路面及高速公路使用的泡沫沥青混合料，保证高等级路面及高速公路具有更长的使用寿命且减少维修次数。
附图说明
图1为本发明中的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。应该理解的是，本发明实施例所述制备方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
本发明实施例中所涉及的所有物质均为市售。
实施例中涉及的具体原材料如表1所示：
表1各原材料的规格及生产厂家
表1中，集料包括有不同粒径的石灰岩碎石与矿粉，按照AC-20C的要求对集料进行分档，采用的分档为：16～22mm，11.2～16mm，6～11.2mm，3.5～6mm，0～3.5mm以及矿粉；水为可饮用的自来水。
本发明中所采用的评价指标及检测方法如下：
马歇尔试验：参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)规范要求进行马歇尔试验，试验将马歇尔试件置于室温中冷却12小时后脱模，然后在常温干燥的室内放置21天后，进行体积参数测试；
浸水马歇尔试验：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)规范要求进行浸水马歇尔试验，评价抗水损害性能；
冻融劈裂试验：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)规范要求进行冻融劈裂试验，高速公路对施工现场压实度要求较高，因此冻融劈裂试验所用试件仍采用击实次数75次成型的标准马歇尔试件，评价抗水损害性能；
高温稳定性试验：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)规范要求进行车辙试验，采用轮碾机制作300×300×50标准车辙板试件，将同种材料每组三块试件放入全自动车辙试验仪中60℃分别保养7～9h后，进行车辙试验研究沥青混合料的高温抗车辙能力，评价高温性能；
压实性能试验：按照《JTG E60-2008公路路基路面现场测试规程》中T0924-2008钻芯法测定沥青面层压实度试验方法，对钻取的沥青混合料芯样试件进行密度测定。
实施例一：
生产高度公路泡沫沥青混合料：
步骤一：将16～22mm、11.2～16mm、6～11.2mm、3.5～6mm、0～3.5mm的石灰岩碎石分别加入料仓进行加热至170℃，保温备用；
步骤二：按照表2中的配比取步骤一各料仓中的石灰岩碎石以及矿粉共计100kg作为集料，一边搅拌集料一边加热，保证温度维持在170℃，所得集料的粒径分布如表3所示；
表2
表3集料的粒径分布
步骤三：将改性沥青投入到加热储罐中，加热到165℃得到高温沥青；
步骤四：取步骤三得到的高温沥青4.6kg，装入沥青发泡设备中，通过高压泵向沥青发泡设备中加入0.046kg冷水，随后往沥青发泡设备中通入气体，启动沥青发泡装置，高温沥青、冷水以及气体在沥青发泡设备内急剧汽化，迅速膨胀生成泡沫沥青，沥青发泡过程中保持发泡温度165℃；
步骤五：将步骤二中得到集料和步骤四中得到的泡沫沥青同时装入搅拌缸搅拌，在160℃的温度下拌和；
步骤六：将步骤五中拌和好的泡沫沥青混合料放入150℃恒温试验箱中保温半小时，得到高度公路泡沫沥青混合料。
检测高度公路泡沫沥青混合料：
取高度公路泡沫沥青混合料按照规范要求制成标准马歇尔试件与车辙板试件，压实温度为150℃；
对马歇尔试件进行体积参数测试、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及耐久性试验；其中耐久性试验为冻融循环试验，马歇尔试件经97.3Kpa压强下真空保水15min后经-18℃冷冻16h后25℃恒温水浴时间为12h，进行劈裂试验，此为一个循环，共循环5次；
对车辙板试件高温稳定性试验和压实性能试验。
实施例二：与实施例一的区别仅在于步骤三中的沥青加热温度为150℃。
实施例三：与实施例一的区别仅在于步骤四中的高温沥青质量为4.3kg，冷水的质量为0.043kg。
实施例四：与实施例一的区别仅在于步骤四中的高温沥青质量为4.9kg，冷水的质量为0.049kg。
实施例一至四中制备得到的标准马歇尔试件，其体积参数测试结果如表4所示：
表4实施例一至四中体积参数测试结果比较
性能测试结果 实施例一 实施例二 实施例三 实施例四 技术要求
毛体积相对密度 2.402 2.386 2.369 2.401 /
空隙率(％) 5.3 5.6 6 4.1 4-6
马歇尔稳定度(KN) 13.83 13.72 11.2 13.3 ≥8
根据上述测试结果可知，实施例一毛体积相对密度以及马歇尔稳定度的测试值最高，空隙率更加合乎技术要求，因此选择实施例一为较为优选的方案。实施例一中温拌泡沫沥青混合料包括下述以质量份表示的组分：改性沥青46份，集料1000份，水4.6份，加工工艺参数为：沥青加热温度165℃，集料加热温度为170℃，拌和温度为160℃，出场温度为160℃，压实温度为150℃。
对比例一：
生产热拌改性沥青混合料：
步骤一：将16～22mm、11.2～16mm、6～11.2mm、3.5～6mm、0～3.5mm的石灰岩碎石分别加入料仓进行加热至195℃，保温备用；
步骤二：按照表5中的配比取步骤一各料仓中的石灰岩碎石以及矿粉共计100kg作为集料，一边搅拌集料一边加热，保证温度维持在195℃；
表5
步骤三：将改性沥青投入到加热储罐中，加热到165℃得到高温沥青；
步骤四：将步骤二中得到集料和步骤三中得到的高温沥青同时装入搅拌缸搅拌，在185℃的温度下拌和；
步骤五：将步骤四中拌和好的沥青混合料放入185℃恒温试验箱中保温半小时，得到热拌改性沥青混合料。
检测高热拌改性沥青混合料：
取热拌改性沥青混合料按照规范要求制成标准马歇尔试件与车辙板试件，压实温度为175℃；对马歇尔试件进行体积参数测试、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及耐久性试验；其中耐久性试验为冻融循环试验，马歇尔试件经97.3Kpa压强下真空保水15min后经-18℃冷冻16h后25℃恒温水浴时间为12h，进行劈裂试验，此为一个循环，共循环5次；
对车辙板试件高温稳定性试验和压实性能试验。
实施例一和对比例一中制备得到的标准马歇尔试件和标准车辙试件性能测试结果如表6至表11所示：
表6实施例一和对比例一中马歇尔试件体积参数测试结果比较
性能测试结果 实施例一 对比例一
毛体积相对密度 2.402 2.425
空隙率(％) 5.3 4.4
马歇尔稳定度(KN) 13.83 14.00
表7实施例一和对比例一中浸水马歇尔试验结果比较
性能测试结果 实施例一 对比例一
浸水前马歇尔稳定度 13.83 14.00
浸水马歇尔稳定度 11.85 12.10
残留稳定度 85.7 86.4
技术要求 ≥85 ≥85
表8实施例一和对比例一中马歇尔试件冻融劈裂试验结果比较
性能测试结果 实施例一 对比例一
冻融前空隙率(％) 5.3 4.4
冻融后空隙率(％) 5.8 5.0
冻融前劈裂强度(MPa) 1.14 1.19
冻融后劈裂强度(MPa) 0.98 1.08
劈裂强度比(％) 86.0 90.8
技术要求 ≥80 ≥80
表9实施例一和对比例一中马歇尔试件五次冻融循环试验结果比较
表10实施例一和对比例一中车辙试件高温稳定性试验结果比较
表11实施例一和对比例一中车辙试件压实性能试验结果比较
由以上数据对比可知：泡沫沥青混合料与常规热拌技术生产的改性沥青混合料相比，泡沫温拌技术在生产过程中的应用可将混合料平均加热温度降低20～30℃，泡沫沥青有效降低混合料粘性从而拌合与压实；由浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验评价泡沫沥青混合料抵抗水损害的能力，试验结果表明泡沫沥青混合料浸水前后的稳定度比值与冻融劈裂破坏的强度比均略低于热拌改性沥青混合料，水稳定性有所降低，但此性能仍满足规范要求的指标；经多次冻融循环后混合料的空隙率增大，试件的劈裂抗拉强度逐渐降低，冻融前后劈裂抗拉强度比由下降较快到趋于稳定，泡沫沥青混合料的劈裂抗拉强度以及两次循环间的劈裂强度比略微低于热拌改性沥青混合料，其低温耐久性相对低于热拌沥青混合料，但仍维持在较高水平；泡沫沥青混合料在较低的生产与压实温度下，其中面层的施工压实度与热拌沥青混合料基本一致，完全符合规范对施工压实度的要求标准；泡沫沥青在一定程度上提高了混合料的高温抗车辙能力，相比热拌改性沥青，泡沫沥青制作的混合料试件动稳定度提高9％左右，其高温稳定性有较大的提高，更适于应用到高等级路面及高速公路中，在达到节能减排的目的的同时增加路面的使用寿命以及抗车辙能力。
对比例二至四：
对比例二至对比例四为申请公布号201410547316.2，发明名称为：一种微发泡温拌沥青混合料设备的实验数据。
对比例二至对比例四中的组分质量百分含量、工艺参数以及性能测试结果如表12、13以及14所示：
表12对比例二至对比例四中的组分质量百分含量
组分(％) 对比例二 对比例三 对比例四
沥青 4.20 4.30 4.10
集料 95.75 95.64 95.85
水 0.05 0.06 0.05
油石比(％) 4.4 4.5 4.3
表13对比例二至对比例四中涉及的工艺参数
工艺参数(℃) 对比例二 对比例三 对比例四
沥青加热温度 160 160 160
集料加热温度 165 165 165
拌和温度 140 140 140
表14对比例二至对比例四中性能测试结果比较
性能测试结果 对比例二 对比例三 对比例四
残留稳定度(％) 94.8 95.1 96.4
劈裂强度比(％) 88.7 90.3 92.2
动稳定度(次/mm) 3225 3893 4842
由以上数据看出，对比例二至对比例四中，沥青加热温度为160℃，集料加热温度为165℃，拌和温度140℃。相较于实施例一中，残留稳定度与劈裂强度比相对于实施例一中虽然有所上升，但是上升幅度较小，并且实施例一中的动稳定度远远大于对比例二至对比例四中的动稳定度，实施例一在一定程度上提高了混合料的高温抗车辙能力，因此实施例一中温拌泡沫沥青混合料更适于应用到高等级路面及高速公路中，在达到节能减排的目的的同时增加路面的使用寿命以及抗车辙能力。

Claims (6)

1.一种高速公路泡沫沥青混合料，其特征在于，包括下述以重量份表示的组分：
集料 100份，
改性沥青 4.3-4.9份，
水 0.043-0.049份。
2.根据权利要求1所述的高速公路泡沫沥青混合料，其特征在于，所述集料由下述以重量份表示的组分组成：
3.根据权利要求1所述的高速公路泡沫沥青混合料，其特征在于，包括下述以重量份表示的组分：
集料 100份，
改性沥青 4.6份，
水 0.046份。
4.一种生产权利要求1-3任意一项所述的高速公路泡沫沥青混合料的方法，其特征在于：
步骤一：将16～22mm、11.2～16mm、6～11.2mm、3.5～6mm、0～3.5mm的石灰岩碎石分别加入料仓进行加热至170℃，保温备用；
步骤二：取步骤一各料仓中的石灰岩碎石以及矿粉作为集料，一边搅拌集料一边加热，保证温度维持在170℃；
步骤三：将改性沥青投入到加热储罐中，加热到150℃-165℃得到高温沥青；
步骤四：取步骤三得到的高温沥青装入沥青发泡设备中，通过高压泵向沥青发泡设备中加入冷水，随后往沥青发泡设备中通入气体，启动沥青发泡装置，高温沥青、冷水以及气体在沥青发泡设备内急剧汽化，迅速膨胀生成泡沫沥青，沥青发泡过程中保持发泡温度165℃；
步骤五：将步骤二中得到集料和步骤四中得到的泡沫沥青同时装入搅拌缸搅拌，在160℃的温度下拌和；
步骤六：将步骤五中拌和好的泡沫沥青混合料放入150℃恒温试验箱中保温半小时，得到高度公路泡沫沥青混合料。
5.根据权利要求4所述的高速公路泡沫沥青混合料的生产方法，其特征在于：所述步骤三中改性沥青的加热温度为165℃。
6.一种检测权利要求1-3任意一项所述的高速公路泡沫沥青混合料的方法，其特征在于：
P1：取高度公路泡沫沥青混合料以150℃的压实温度制成标准马歇尔试件；
P2：P1中得到的马歇尔试件经97.3Kpa压强下真空保水15min后经-18℃冷冻16h后25℃恒温水浴时间为12h，进行劈裂试验；
P3：重复五次步骤P2，并且对每一次的测试结果进行记录。
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