CN110656553B - 一种热拌沥青混合料的拌和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热拌沥青混合料的拌和方法，涉及道路工程技术领域。本发明将沥青和集料分别进行预热，所述集料包括粗集料和细集料；将预热后的粗集料、部分细集料和沥青进行第一拌和，得到第一拌合料；将剩余细集料加入到所述第一拌合料中进行第二拌和，得到第二拌合料；将矿粉加入到所述第二拌合料中进行第三拌和，出料后得到热拌沥青混合料。本发明充分考虑了不同岩性与比表面积集料吸附沥青能力的差异，改变了常规的全部粗细集料一次投放的拌和方法，将集料按比例分次投放；并首次提出总黏附功的概念，作为集料分次添加比例的量化依据，显著改善了热拌沥青混合料的压实效果与路用性能。

Description

一种热拌沥青混合料的拌和方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，特别涉及一种热拌沥青混合料的拌和方 法。
背景技术
目前，热拌沥青混合料室内常规拌和工艺通常是将全部粗细集料一次性 投放入拌锅中，所有集料同时吸附热沥青。这种常规的拌和方法往往忽略了 不同集料的岩性与比表面积对其吸附沥青的能力的影响，从而导致了不同集 料表面的沥青膜厚的不均匀性，细集料表面的沥青膜相对较厚，粗集料表面 的沥青膜薄而光滑，在棱角上的沥青膜更薄，甚至没有沥青膜，即便同一粒 径规格的集料，岩性不同，其表面吸附的沥青膜厚也存在一定差异，进而对 热拌沥青混合料的压实效果、路用性能造成一定的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热拌沥青混合料的拌和方法。本 发明提供的拌和方法充分考虑了不同岩性与比表面积集料吸附沥青能力的 差异，将集料按比例分次投放，显著改善了热拌沥青混合料的压实效果与路 用性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种热拌沥青混合料的拌和方法，包括以下步骤：
将沥青和集料分别进行预热，所述集料包括粗集料和细集料；
将预热后的粗集料、部分细集料和沥青进行第一拌和，得到第一拌合料；
将剩余细集料加入到所述第一拌合料中进行第二拌和，得到第二拌合料；
将矿粉加入到所述第二拌合料中进行第三拌和，出料后得到热拌沥青混 合料；
所述第一拌和的过程中，粗集料和部分细集料对应沥青的总黏附功与第 二拌和过程中剩余细集料对应沥青的总黏附功的比值为0.98～1.02，且所述部 分细集料的比表面积小于剩余细集料的比表面积；所述总黏附功以式1进行 计算：
ΔG＝∑SSAi·Wasi 式1；
式1中，ΔG为总黏附功，mJ·Kg-1；SSAi表示粗集料或细集料的比表 面积，m2·Kg-1；Wasi表示粗集料或细集料对应沥青的黏附功，mJ·m-2；∑表 示求和。
优选地，所述沥青为70#石油沥青和/或SBS改性沥青。
优选地，所述集料为石灰岩和/或玄武岩。
优选地，所述矿粉为石灰岩矿粉。
优选地，所述沥青的预热温度为150～175℃。
优选地，所述集料的预热温度为180～190℃。
优选地，所述第一拌和、第二拌和第三拌和的温度独立地为150～175℃， 时间独立地为60～90s。
优选地，所述矿粉在加入前需进行预热；所述预热的温度为180～190℃。
优选地，所述出料的温度为150～170℃。
本发明提供了一种热拌沥青混合料的拌和方法。本发明首次提出总黏附 功的概念，用于表示黏附过程(即分别为第一拌和过程、第二拌和过程)中 总的能量改变量，以第一拌和过程的总黏附功(粗集料和部分细集料对应沥 青的总黏附功)与第二拌和过程的总黏附功(剩余细集料对应沥青的总黏附 功)的比值为0.98～1.02，且所述部分细集料的比表面积小于剩余细集料的比 表面积为条件将集料按比例分次投放。本发明充分考虑了不同岩性与比表面 积集料吸附沥青能力的差异，改变了常规的全部粗细集料一次投放的拌和方 法，将集料按比例分次投放，并以总黏附功作为集料分次添加比例的量化依 据，有效改善了混合体系内不同集料表面沥青膜厚的均匀性，得到质地均匀、 性能优良的热拌沥青混合料；同时，本发明显著提高了沥青混合料的压实效 果，因而在得到相同体积指标的混合料的情况下，降低了沥青用量，并且路 用性能也明显改善；而且，本发明步骤简单、易于实现，改善效果明显，在 不提高生产成本的情况下，充分发挥原材料的优良特性，适用于各面层结构 的沥青混合料的拌制工作，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
本发明提供了一种热拌沥青混合料的拌和方法，包括以下步骤：
将沥青和集料分别进行预热，所述集料包括粗集料和细集料；
将预热后的粗集料、部分细集料和沥青进行第一拌和，得到第一拌合料；
将剩余细集料加入到所述第一拌合料中进行第二拌和，得到第二拌合料；
将矿粉加入到所述第二拌合料中进行第三拌和，出料后得到沥青混合料；
所述第一拌和的过程中，粗集料和部分细集料对应沥青的总黏附功与第 二拌和过程中剩余细集料对应沥青的总黏附功的比值为0.98～1.02，且所述部 分细集料的比表面积小于剩余细集料的比表面积；所述总黏附功以式1进行 计算：
ΔG＝∑SSAi·Wasi 式1；
式1中，ΔG为总黏附功，mJ·Kg-1；SSAi表示粗集料或细集料的比表 面积，m2·Kg-1；Wasi表示粗集料或细集料对应沥青的黏附功，mJ·m-2；∑表 示求和。
本发明将沥青和集料分别进行预热。在本发明中，所述沥青优选为70# 石油沥青和/或SBS改性沥青。在本发明中，所述集料包括粗集料和细集料， 所述集料优选为石灰岩和/或玄武岩。集料由无风化、微风化的石料轧制而成， 其不含土和杂质，且具有坚硬、表面粗糙和洁净等特点，轧制成方正形的碎 石；对于高速公路及一级公路，表面层使用的集料压碎值不大于26％，洛杉 矶磨耗损失不大于28％，表观相对密度不小于2.60t·m-3，吸水率不大于2.0％， 针片状颗粒含量不大于15％，水洗法＜0.075mm，颗粒含量不大于1％；对 于其他等级公路，表面层使用的集料压碎值不大于30％，洛杉矶磨耗损失不 大于35％，表观相对密度不小于2.45t·m-3，吸水率不大于3.0％，针片状颗 粒含量不大于20％，水洗法＜0.075mm，颗粒含量不大于1％。在本发明中， 所述沥青的预热温度优选为150～175℃；当所述沥青优选为70#石油沥青时， 所述预热温度进一步优选为150～160℃；当所述沥青优选为SBS改性沥青时， 所述预热温度进一步优选为165～175℃。在本发明中，所述集料的预热温度 优选为180～190℃。本发明对所述预热的方法没有特别的要求，采用本领域 熟知的预热方法即可。
本发明将预热后的粗集料、部分细集料和沥青进行第一拌和，得到第一 拌合料。在本发明中，所述第一拌和优选在拌锅中进行，具体为将粗集料和 部分细集料先置于拌锅中初步混合均匀，再向其中加入沥青进行第一拌和； 在本发明具体实施例中，所述拌锅采用的是室内小型拌锅。在本发明中，所 述第一拌和的温度(即拌锅设定的温度)优选为150～175℃，时间优选为 60～90s；当所述沥青为70#石油沥青时，所述第一拌和的温度进一步优选为 150～160℃；当所述沥青为SBS改性沥青时，所述第一拌和的温度进一步优 选为165～175℃。
得到第一拌和料后，本发明将剩余细集料加入到所述第一拌合料中进行 第二拌和，得到第二拌合料，即将剩余细集料加入到装有第一拌和料的拌锅 中进行拌和。在本发明中，所述第二拌和的温度条件同于第一拌和，在此不 再赘述。
得到第二拌合料后，本发明将矿粉加入到所述第二拌和料中进行第三拌 和，出料后得到沥青混合料。在本发明中，所述矿粉优选为石灰岩矿粉；所 述矿粉应干燥、洁净，不宜成团块，其能自由地从矿粉仓流出，对于高速公 路及一级公路，矿粉的表观相对密度不小于2.5t·m-3，含水量不大于1％；对 于其他等级公路，矿粉的表观相对密度不小于2.45t·m-3，含水量不大于1％。 在本发明中，所述矿粉在加入前优选进行预热；所述预热的温度优选为 180～190℃。本发明将矿粉加入到装有第二拌和料的拌锅中进行拌和。在本发明中，所述第三拌和的温度条件同于第一拌和，在此不再赘述。第三拌和 完成后出料，得到热拌沥青混合料。在本发明中，所述出料的温度优选为 150～170℃；当所述沥青为70#石油沥青时，所述出料的温度进一步优选为 150～155℃；当所述沥青为SBS改性沥青时，所述出料的温度进一步优选为 165～170℃。
在本领域中，集料、沥青和矿粉的质量比一般为100:(3～5):(1～3)， 其中集料的合成级配满足《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》的 级配范围要求。在本发明中，所述部分细集料和剩余细集料的质量比需要满 足以下条件：第一拌和的过程中，粗集料和部分细集料对应沥青的总黏附功 与第二拌和过程中剩余细集料对应沥青的总黏附功的比值为0.98～1.02，且所 述部分细集料的比表面积小于剩余细集料的比表面积；所述总黏附功以式1 进行计算：
ΔG＝∑SSAi·Wasi 式1；
式1中，ΔG为总黏附功，mJ·Kg-1；SSAi表示粗集料或细集料的比表 面积，m2·Kg-1；Wasi表示粗集料或细集料对应沥青的黏附功，mJ·m-2；∑表 示求和。在本发明中，所述粗集料或细集料的比表面积(SSAi)参考《公路 沥青路面施工技术规范JTGF40-2004》进行计算得出；所述粗集料或细集 料对应沥青的黏附功(Wasi)根据表面能理论进行计算得出，计算式如式2 所示：
Figure BDA0002238800940000051
式2中，γLW为范德华分量，mJ·m-2；γ+为Lewis酸项，mJ·m-2；γ-为Lewis 碱项，mJ·m-2；a表示沥青(asphalt)；s表示集料(stone)。
按照式1所示公式分别计算第一拌和过程中粗集料和部分细集料对应沥 青的总黏附功和第二拌和过程中剩余细集料对应沥青的总黏附功，当所述第 一拌和过程和第二拌和过程中的粗集料或细集料中包含不同岩性的集料(如 既包含石灰岩，又包含玄武岩)时，需将不同岩性的集料的相应参数代入式 1求和后，分别得到第一拌和过程的总黏附功和第二拌和过程的总黏附功。 在本发明中，当两个拌和过程中的总黏附功的比值为0.98～1.02时，所得热 拌沥青混合料的性能是最优的，此时所对应的的部分细集料和剩余细集料的 添加量即为细集料分次投放的最优比。
本发明首次提出总黏附功的概念，以第一拌和的过程中粗集料和部分细 集料对应沥青的总黏附功与第二拌和过程中剩余细集料对应沥青的总黏附 功的比值为0.98～1.02，且所述部分细集料的比表面积小于剩余细集料的比表 面积为条件将集料按比例分次投放。其中，粗集料和部分细集料的比表面积 相对较小，剩余细集料的比表面积相对较大，在拌和过程中，先加入粗集料 和部分细集料，再加入剩余细集料，能够使沥青膜的分布更加均匀；并且， 通过控制第一拌和和第二拌和这两个拌和过程中的总黏附功的比值为0.98～1.02，将部分细集料和剩余细集料的添加比例进行量化，即本发明充分 考虑了不同岩性与比表面积集料吸附沥青能力的差异，并以总黏附功的概念 作为不同粒径规格与岩性集料吸附沥青能力的定量指标。
本发明改变了常规的全部粗细集料一次投放的拌和方法，将集料按比例 分次投放，得到的热拌沥青混合料沥青膜分布均匀、性能稳定、压实效果良 好，适用于各面层结构的沥青混合料的拌制工作，因而具有广阔的应用前景。
下面结合实施例对本发明提供的热拌沥青混合料的拌和方法进行详细 的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
选用的集料以及矿粉(石灰岩矿粉)的筛分、密度试验结果分别如表1 和表2所示。
表1集料与矿粉筛分试验结果
Figure BDA0002238800940000061
表2集料与矿粉密度试验结果
Figure BDA0002238800940000071
沥青选用70#石油沥青，其各项性能指标均满足实验要求，并以选用的 集料和矿粉进行70#石油沥青+AC-13型热拌沥青混合料配合比设计，合成级 配满足《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》的级配范围要求。其 中，各档集料添加的质量比例为：10～15mm档(玄武岩)：5～10mm档(玄 武岩)：3～5mm档(石灰岩)：0～3mm档(石灰岩)：矿粉＝21：30：3：44： 2，油石比为4.68％。
(1)基于表面能理论，计算不同沥青-集料界面粘附功，见表3：
表3不同沥青-集料界面黏附功(拌和阶段)
黏附界面 黏附功W<sub>as</sub>/mJ·m<sup>-2</sup>
70#沥青-石灰岩 62.198
70#沥青-玄武岩 52.257
在粘附功Was的基础上，提出总黏附功(ΔG，计算式如式1所示)的 概念，作为不同粒径规格与岩性集料吸附沥青能力的定量指标。
ΔG＝∑SSAi·Wasi 式1，
式中，ΔG为总的黏附功，表示黏附过程中总的能量改变量，mJ·Kg-1； SSAi表示集料的比表面积(计算方法参考《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》)，m2·Kg-1；Wasi表示特定岩性集料与沥青的黏附功，mJ·m-2；∑ 表示求和。
(2)通过调整集料分次添加比例，得到不同工艺下每次投料的比表面 积、总黏附功及其比值，具体如表4、表5所示。
表4不同工艺下集料分次投放比例
Figure BDA0002238800940000081
表5不同工艺下每次投料(集料)的比表面积、总黏附功及其比值
Figure BDA0002238800940000082
(3)将上述集料、沥青与矿粉分别进行室内拌和、成型，其中，工艺 1～5的拌和过程主要包括以下步骤：
(a)将70#石油沥青、集料分别进行预热；沥青预热温度为160℃，集 料预热温度为175℃。
(b)将部分集料与全部沥青进行拌和。根据表4中工艺1～5所示的集 料分次添加比例，将部分集料首先与沥青进行拌和，拌和温度为155℃，拌 和时间为60s。
(c)将剩余集料加入至步骤(b)所得产物中拌和，即在步骤(b)的 基础上，投入剩余集料进行拌和，拌和温度为155℃，拌和时间为60s。
(d)将矿粉加入至步骤(c)所得产物中拌和。矿粉预热温度为185℃， 拌和温度为155℃，拌和时间为60s。
(e)控制步骤(d)所得混合料的出料温度为155℃左右，在150～155℃ 下成型试件。
其中，工艺6(常规工艺)的拌和过程主要包括以下步骤：
(A)将70#道路石油沥青、集料分别进行预热。沥青预热温度为160℃， 集料预热温度为175℃；
(B)将全部集料与全部沥青进行拌和。拌和温度为155℃，拌和时间 为90s。
(C)将矿粉加入至步骤(B)所得产物中拌和。矿粉预热温度为185℃， 拌和温度为155℃，拌和时间为90s。
(D)控制步骤(C)所得混合料的出料温度为155℃左右，在150～155℃ 下成型试件。
实施例2
分别针对实施例1按不同拌和工艺拌制而成的热拌沥青混合料进行室内 试验，从体积指标与路用性能两个方面对比不同拌和工艺的差异，具体如表 6所示。
表6不同拌和工艺下的AC-13型沥青混合料性能指标
Figure BDA0002238800940000091
Figure BDA0002238800940000101
由表6可见，相比于常规工艺(工艺6)，将集料根据吸附沥青能力分次 投放的优化工艺能降低混合料空隙率，并且其高温以及水稳性能均得到明显 改善，当ΔG1与ΔG2接近时(工艺3，ΔG1：ΔG2＝1)，改善效果最明显， 而集料的添加方式对低温性能的影响并不显著，即说明将集料分两次投放， 使每次沥青与集料发生黏附过程中总的黏附功相同或者相近，能够一定程度 上改善不同比表面积、岩性的集料表面沥青膜厚的均匀性，改善沥青-集料 界面的黏附效果，进而得到更加密实、质地均匀、性能更优良的沥青混合料。
实施例3
沥青选用SBS改性沥青并以实施例1选用的集料和矿粉进行SBS改性 沥青+SMA-13型热拌沥青混合料配合比设计，合成级配满足《公路沥青路 面施工技术规范JTG F40-2004》的级配范围要求，各档集料添加的比例及 比表面积如表7所示：
表7SMA-13型热拌沥青混合料各档料掺配比例与比表面积
Figure BDA0002238800940000102
SMA-13型热拌沥青混合料不同拌和工艺下集料分次投放比例如表8所 示：
表8SMA-13型热拌沥青混合料不同工艺下集料分次投放比例
Figure BDA0002238800940000103
Figure BDA0002238800940000111
将上述集料、沥青与矿粉分别进行室内拌和、成型，其中，工艺1～3的 拌和过程参照实施例1中的(a)～(e)步骤，工艺4的拌合过程参照实施 例1中的(A)～(D)步骤。不同拌和工艺下的SMA-13型沥青混合料性能 指标如表9所示：
表9不同拌和工艺下的SMA-13型沥青混合料性能指标
工艺编号 ΔG<sub>1</sub>:ΔG<sub>2</sub> VV/％ DS/次·mm<sup>-1</sup> TSR/％ 断裂功/N·m
1 0.42 3.91(1.8) 4705(4.7) 85.7(2.5) 43.5(2.8)
2 1.01 3.82(2.7) 5187(3.4) 89.1(1.7) 43.9(3.7)
3 1.45 3.95(3.9) 4874(4.3) 86.9(2.1) 42.9(4.9)
4(常规工艺) — 4.05(2.0) 451(3.9) 83.9(0.8) 41.5(2.0)
实施例4
沥青选用70#石油沥青并以实施例1选用的集料和矿粉进行70#石油沥 青+AC-20型热拌沥青混合料配合比设计，合成级配满足《公路沥青路面施 工技术规范JTG F40-2004》的级配范围要求，各档集料添加的比例及比表 面积如表10所示：
表10 AC-20型热拌沥青混合料各档料掺配比例与比表面积
Figure BDA0002238800940000112
AC-20型热拌沥青混合料不同拌和工艺下集料分次投放比例如表11所 示：
表11 AC-20型热拌沥青混合料不同工艺下集料分次投放比例
Figure BDA0002238800940000121
将上述集料、沥青与矿粉分别进行室内拌和、成型，其中，工艺1～3的 拌和过程参照实施例1中的(a)～(e)步骤，工艺4的拌合过程参照实施 例1中的(A)～(D)步骤。不同拌和工艺下的AC-20型沥青混合料性能指 标如表12所示：
表12不同拌工艺下的AC-20型沥青混合料性能指标
工艺编号 ΔG<sub>1</sub>:ΔG<sub>2</sub> VV/％ DS/次·mm<sup>-1</sup> TSR/％ 断裂功/N·m
1 0.08 3.89(1.1) 1389(3.4) 81.2(2.5) 28.1(4.1)
2 0.99 3.72(3.2) 1674(4.1) 85.1(2.4) 28.3(4.2)
3 2.58 3.93(3.1) 1425(2.7) 80.9(3.5) 27.3(2.9)
4(常规工艺) — 4.03(1.5) 1347(1.9) 79.4(3.7) 26.4(3.3)
通过实施例3的表9和实施例4的表12同样表明，通过对常规工艺进 行优化，调整集料的添加方式，能使热拌沥青混合料更加密实，并且路用性 能也得到改善，其中高温性能与水稳性能的改善相对比较明显，当ΔG1与Δ G2比较接近时(比值0.98～1.02)，改善效果最明显。
通过以上实施例可以看出，本发明提供的热拌沥青混合料的拌和方法， 通过调整热拌沥青混合料常规工艺的集料添加方式，并给出集料分次添加比 例的量化依据，步骤简单、易于实现，在不提高生产成本的情况下，显著改 善沥青混合料的压实效果与路用性能，因而具有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种热拌沥青混合料的拌和方法，其特征在于，包括以下步骤：
将沥青和集料分别进行预热，所述集料包括粗集料和细集料；
将预热后的粗集料、部分细集料和沥青进行第一拌和，得到第一拌合料；
将剩余细集料加入到所述第一拌合料中进行第二拌和，得到第二拌合料；
将矿粉加入到所述第二拌合料中进行第三拌和，出料后得到热拌沥青混合料；
所述第一拌和的过程中，粗集料和部分细集料对应沥青的总黏附功与第二拌和过程中剩余细集料对应沥青的总黏附功的比值为0.98～1.02，且所述部分细集料的比表面积小于剩余细集料的比表面积；所述总黏附功以式1进行计算：
ΔG＝∑SSAi·Wasi 式1；
式1中，ΔG为总黏附功，mJ·Kg-1；SSAi表示粗集料或细集料的比表面积，m2·Kg-1；Wasi表示粗集料或细集料对应沥青的黏附功，mJ·m-2；∑表示求和；Wasi根据表面能理论进行计算得出，计算式如式2所示：
Figure FDA0002645716090000011
式2中，γLW为范德华分量，mJ·m-2；γ+为Lewis酸项，mJ·m-2；γ-为Lewis碱项，mJ·m-2；a表示沥青；s表示集料；
所述沥青为70#石油沥青和/或SBS改性沥青；所述第一拌和、第二拌和、第三拌和的温度独立地为150～175℃，时间独立地为60～90s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集料为石灰岩和/或玄武岩。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿粉为石灰岩矿粉。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沥青的预热温度为150～175℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集料的预热温度为180～190℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿粉在加入前需进行预热；所述预热的温度为180～190℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述出料的温度为150～170℃。
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