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标题 采用泡沫沥青温拌工艺拌制橡胶沥青混合料研究
范文 王荣庆??



摘要：为了系统地评估泡沫沥青温拌橡胶沥青混合料的性能，提出合理的生产施工工艺，针对拌和温度与拌和效果的关系、马歇尔击实成型与压实密度的关系以及SHRP旋转压实成型与压实密度的关系展开研究。研究成果包括击实温度、发泡用水量、旋转次数与密度的关系，这些成果可为现场施工工艺的设计及节能效果的评估提供重要的参考数据。
关键词：泡沫沥青；温拌工艺；橡胶沥青；施工工艺
中图分类号：U414.21 文献标志码：B
Abstract： In order to systematically evaluate the performance of rubberized asphalt mixture produced with foaming and warm mix technology， proper production process and construction technology were proposed， and the relationships between the mixing temperature and effect， Marshall compaction shaping and compaction degree， and SHRP gyratory compaction shaping and compaction degree were studied. The correlation between the compaction degree and the compaction temperature， water amount for foaming and the number of rotations was obtained， which provides data basis for on-site construction technology design and energy savings assessment.
Key words： foamed asphalt； warm mix technology； rubberized asphalt； construction technology
0 引 言
近年来，橡胶沥青混合料以其优良的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损坏、抗老化和抗疲劳性在国内得到了大范围的应用[1-2]。但是橡胶沥青在生产过程中需将沥青加热到180℃，集料加热到190℃，而高温带来的弊端众所周知。泡沫沥青温拌技术以其节能减排的显著优势得到越来越广泛的应用，许多研究结果表明，泡沫沥青温拌技术能够有效降低沥青混合料的施工操作温度，且泡沫沥青温拌混合料的路用性能仍能达到热拌沥青混合料的标准[3-4]。
本文为了系统地评估泡沫沥青温拌橡胶沥青混合料的生产施工性能，提出生产施工工艺，针对拌和温度与拌和效果的关系、马歇尔击实成型与压实密度的关系、SHRP旋转压实成型与压实密度的关系展开研究。
1 拌和温度研究
1.1 试验方案
本文研究使用的橡胶沥青采用90#基质沥青，掺入20%的30目胶粉，在现场加工而成。采用AR-AC-13橡胶沥青混合料的配合比设计。
（1）室内进行AR-AC-13沥青混合料拌和性能的试验，级配如表1、图1所示。在85 ℃、95 ℃、105 ℃、115 ℃、125 ℃、135 ℃、145 ℃、155 ℃下观察混合料拌和效果，记录不同温度下橡胶沥青混合料拌和的难易程度和均匀性以及达到拌和均匀时需要的拌和时长等。通过比较，确定采用发泡温拌工艺时橡胶沥青混合料的允许最低拌和温度。
（2）对AR-AC-13橡胶沥青混合料进行常规热拌（加热温度170 ℃），并记录其拌和效果。以常规热拌的拌和效果作为标准，确定（1）中橡胶沥青发泡温拌工艺下与此拌和效果相接近的矿料加热温度条件。
（3）试验过程。矿料加热并恒温4 h以上，并使其受热均匀。拌和时先将热矿料倒入搅拌锅内，然后加入沥青，搅拌1 min后观察拌和情况，一般如果搅拌锅内边角上有未能拌匀的矿料，用人工略微翻拌一下，再搅拌1 min后加入矿粉，再拌和1 min。 拌和均匀的混合料在恒温箱内进行2 h养生，恒温箱设定的养生温度比拌和温度低20 ℃（即击实温度）。混合料双面击实各75次，冷却后脱模，再进行稳定度试验。
1.2 试验结果
不同拌和温度下拌和料的外观如图2所示。110 ℃～130 ℃下拌和的橡胶沥青混合料拌和均匀，无花料现象，裹附完整，能够拌和；140 ℃～170 ℃下拌和的混合料可很快拌和均匀。
通过试拌发现，经过1 min的搅拌，手工拌和均存在裹附不匀现象，主要集中在拌和锅边缘处。这种现象出现在沥青混合料短时间拌和后，需要手动再翻拌一下；随着温度的降低，裹附不均现象有扩大趋势；2 min后基本上都能拌匀，再加入矿粉，经过适当的拌和都能很快拌和均匀。
2 马歇尔性能研究
将配好的集料倒入拌锅里，并在搅拌状态下加入拌和用水；然后将拌锅和发泡试验机对接起来，在搅拌状态下喷洒泡沫沥青；搅拌30 s即可倒出，将拌好的混合料按规范要求制成标准的马歇尔试件（双面击实，每面75次）。试验采用热拌、温拌混合料对比的方式考察击实温度对温拌橡胶沥青混合料的影响。
2.1 马歇尔试验方案
标准马歇尔试验方法为：将试件置于已达规定温度的恒温水槽中保温；将马歇尔试验仪的上下压头放入水槽或烘箱中达到同样的温度；当采用自动马歇尔试验仪时，连接好接线；启动加载设备，使试件承受荷载，加载速度为（50±5）mm·min-1；记录试件的稳定度和流值。
对比泡沫温拌沥青混合料与普通热拌沥青混合料在不同温度下击实后的毛体积密度、马氏稳定度及流值。
2.2 试验结果
试验数据如图3、图4、表2所示。
从图3可以看出，在相同温度条件下温拌橡胶沥青混合料的密度均大于热拌橡胶沥青混合料。随着击实温度的降低，热拌橡胶沥青混合料的密度与温拌橡胶沥青混合料密度的差距逐渐减小。这主要是因为，温度低于100 ℃以后，泡沫中的水分由水蒸气变成液体，发泡效果降低，泡沫沥青粘度随之增加，因此其击实效果有所降低。从马歇尔击实试验效果（击实密度及马歇尔稳定度）来看，成型温度控制在125 ℃时击实效果较好。
马歇尔稳定度试验是一种径向的加载试验，其试验结果（马歇尔稳定度值）可以反映出沥青混合料的粘性，还可以反映出沥青混合料内部各个成分之间的内摩阻力和嵌挤力的作用情况。图4说明：在较低的击实温度条件下，泡沫沥青混合料的稳定度比普通热拌沥青混合料更稳定，在75 ℃～120 ℃的范围内，温拌混合料与热拌混合料的稳定度相差不大；随着击实温度进一步升高（大于125 ℃），温拌混合料的马氏稳定度与热拌沥青混合料的差值逐渐变大，热拌沥青混合料马歇尔稳定度受温度的影响显著，特别是在120 ℃以上时。
试验同时也对比了不同发泡加水量对击实密度以及马歇尔稳定度的影响，研究结果表明，在115 ℃条件下，加水量（1%或1.5%）对发泡温拌沥青混合料的击实密度、马歇尔稳定度以及流值没有明显影响。这说明增加少量水对温拌泡沫沥青混合料击实效果以及力学强度影响较小，因此从耐久性角度考虑，宜采用较低的发泡加水量。
通过对比可以看出，115 ℃下制备的泡沫温拌沥青混合料马歇尔试件与135 ℃成型热拌料试件的毛体积密度基本一致，同时其马氏稳定度明显达到规范要求，由此可以确定泡沫沥青混合料的成型温度为115 ℃。根据规范规定，拌和温度一般要高于击实成型温度10 ℃以上，因此拌和温度确定为125 ℃，比热拌沥青混合料降低20 ℃～30 ℃。
3 Superpave旋转压实成型试验
目前Superpave的旋转压实成型方法已被广大单位认可和采用，美国、加拿大等欧美国家在试验与施工中大都采用了旋转压实仪成型试件。为了进一步确定温拌橡胶沥青混合料的路用性能，对橡胶沥青混合料进行Superpave旋转压实成型试验，并测试试件密度。旋转压实仪的压实过程比较接近路面的实际压实受力，压实的程度可达到最大理论密度的98%以上。
旋转压实仪通过旋转的滚轴对试件的揉搓作用来模拟汽车在沥青路面上行驶时轮胎对路面的作用。根据交通量等级确定设计压实次数Ndes和最大压实次数Nmax，在设定的工作条件（垂直压力600 kPa，旋转角度1.25°，旋转速度30 rpm）和设计压实次数Ndes下，通过对混合料的反复搓揉成型试件。采用相同压实次数，即Ndes=100次。压实温度、圈数与密度的关系分别见表3、4，曲线见图5、6。
通过对比压实圈数-密度曲线发现：在相同温度及相同压实功的条件下，温拌橡胶沥青混合料的压实效果明显优于普通橡胶沥青混合料；在较低温度条件下，温拌橡胶沥青混合料在不同压实圈数下的密度均大于热拌橡胶沥青混合料；在较高温度条件下，温拌橡胶沥青混合料与热拌橡胶沥青混合料在不同压实圈数时的密度基本接近。
观察曲线后半段可以看出，温拌橡胶沥青混合料曲线的斜率与普通橡胶沥青混合料基本一致，这表明，在开放交通后，温拌橡胶沥青混合料在相同的交通荷载作用下被进一步压密，混合料压实程度与普通橡胶沥青混合料基本相当。换句话说，成型后的温拌橡胶沥青混合料抗车辙变形能力与普通橡胶沥青混合料处于相近的水平。
4 沥青拌和设备中温拌橡胶沥青的发泡效果
在高温沥青（140 ℃以上）中加入少量的水（环境温度），冷水遇热沥青急剧汽化，体积迅速膨胀，生成泡沫沥青。可以认为，只要是高温沥青遇水就会发泡，形成泡沫沥青。橡胶沥青是由基质沥青、回收的废旧轮胎橡胶和添加剂掺和成的混合物。橡胶沥青中的主要成分仍是基质沥青，并且在生产橡胶沥青混合料时，橡胶沥青的加热温度在175 ℃以上。因此，少量的水遇到热的橡胶沥青后仍会急剧汽化，体积迅速膨胀。经初步分析认为橡胶沥青同样具有发泡特性。
在沥青混合料拌和设备配套安装沥青发泡装置后，进行了橡胶沥青发泡试验，试验结果与预想的相符，橡胶沥青发泡效果非常理想。图7为用装载机在拌缸出料口接出的橡胶沥青的发泡效果。
5 采用泡沫沥青温拌技术试拌橡胶沥青混合料
橡胶沥青发泡后，其物理性质会暂时发生变化，粘度显著降低，和易性增加，从而可以在较低的温度下充分裹覆集料[5]。在橡胶沥青发泡成功后立即尝试采用温拌工艺拌制橡胶沥青混合料，具体生产过程如下。
首先，采用热拌工艺拌制橡胶沥青混合料，混合料的拌和温度为175 ℃～185 ℃。
然后，采用泡沫沥青温拌工艺拌制温拌橡胶沥青混合料，通过沥青发泡装置控制系统采集沥青喷射的起止信号，将一定比例的水与预先制备好的橡胶沥青同步加入到沥青发泡管内。在沥青发泡管内，冷水遇热沥青急剧汽化，体积迅速膨胀，生成泡沫沥青，最终以泡沫橡胶沥青的形态喷入拌缸，与集料拌和成沥青混合料。橡胶沥青发泡后拌和的混合料拌和均匀，外观与热拌橡胶沥青混合料无明显区别。
随后，继续采用橡胶沥青发泡工艺拌制橡胶沥青混合料，并逐步降低集料加热温度。在此过程中密切观察橡胶沥青混合料的拌和均匀程度及有无花白料和离析现象，同时注意拌和设备拌缸电机工作电流的变化情况。拌和温度在150 ℃以上时，混合料拌和均匀，与热拌橡胶沥青混合料无明显区别，电机电流的最大值在100～115 A，与热拌时的电流值变化情况相一致，这说明虽然混合料的拌和温度降低了，但其拌和强度与热拌基本相当，易于拌和。当拌和温度降至140 ℃～145 ℃时，拌缸电机电流最大值明显增大，达到130 A左右，但混合料仍能拌和均匀；当拌和温度降至135 ℃时，拌缸电机电流最大值增大到145 A左右，混合料出现花白料。拌缸电机的电流允许最大值为153 A，为保证混合料拌和均匀和设备的正常运转，确定在采用泡沫沥青温拌工艺拌制橡胶沥青混合料时，拌和温度应控制在150 ℃～160 ℃，不得低于145 ℃，在此温度范围内混合料易于拌和均匀。
6 结 语
通过上述试验可知，采用泡沫沥青温拌工艺拌制橡胶沥青混合料是完全可行的，混合料的拌和出料温度可由175 ℃～185 ℃降至150 ℃～160 ℃，比热拌工艺降低了20 ℃～30 ℃，可带来一定的经济和环境效益，值得进一步深入研究。
参考文献：
[1] 付 强，杨人凤，王道锋，等.橡胶沥青黏结剂的设计研究[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（12）：18-21.
[2] 郝培文，李志厚，徐金枝，等.橡胶沥青技术性能评价标准现状[J].筑路机械与施工机械化，2015，31（6），47-52.
[3] 黄 明，汪 翔，黄卫东.橡胶沥青混合料疲劳性能的自愈合影响因素分析[J].中国公路学报，2013，26（4）：16-22.
[4] 何立平，申爱琴，谢 成，等.橡胶沥青结合料性能正交试验[J].长安大学学报：自然科学报，2014，34（1）：7-12.
[5] 孙大权，王锡通，汤士良，等.环境友好型温拌沥青混合料制备技术研究进展[J].石油沥青，2007，21（4）：54-57.
[责任编辑：王玉玲]
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更新时间：2025/3/15 20:41:24