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1 年 7 月第 34 卷第 4 期 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 ) Journal of Shenyang Jianzhu University ( Natural Science) Jul Vol. 34ꎬ No. 4 文章编号 : (2018) doi: / j. issn: 基于泡沫沥青法实现温拌的沥青混合料室内试验对比 杨彦海 ꎬ 张旭 ꎬ 刘梦晴 ꎬ 杨野 ( 沈阳建筑大学交通工程学院 ꎬ 辽宁沈阳 ) 摘要目的为减缓沥青老化 ꎬ 降低污染 节约能源 ꎬ 实现沥青混合料低温施工 ꎬ 研制泡沫沥青温拌技术. 方法通过沥青发泡试验 ꎬ 确定最佳发泡条件 ꎻ 基于马歇尔试验 ꎬ 分析研究在 AC - 13 AC - 16 和 AC - 20 级配下泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料的温度 - 空隙率变化规律 ꎻ 通过高温车辙试验 低温弯曲试验和冻融劈裂试验分析比较泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料的路用性能. 结果以温度为控制指标 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料空隙率减小 ꎬ 具有较好的可压实性 ꎻ 以空隙率为控制指标 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料较热拌沥青混合料压实温度降低 15 ~ 20 ꎻ 泡沫沥青温拌混合料高低温及水稳定性能略低于热拌沥青混合料. 结论泡沫沥青温拌混合料性能满足现行 «公路沥青路面施工技术规范»(JTG F40) 要求 ꎬ 可实现低温施工. 关键词道路工程 ꎻ 沥青路面 ꎻ 泡沫温拌 ꎻ 空隙率 ꎻ 路用性能 中图分类号 TU416ꎻU41 文献标志码 A Comparative Study on Indoor Tests of Warm Asphalt Mixture Based on Foamed Asphalt YANG YanhaiꎬZHANG XuꎬLIU MengqingꎬYANG Ye ( School of Transportation EngineeringꎬShenyang JianZhu UniversityꎬShenyangꎬChinaꎬ110168) Abstract:In order to slow down the aging of asphaltꎬreduce pollutionꎬsave energy and achieve the low temperature construction of asphalt mixtureꎬa warm mixing technology for foamed bitumen is developed. The optimum foaming condition is determined by asphalt foaming testsꎬrules of temper atures and air voids of warm mixed and hot mixed foam asphalt mixture which are AC 13ꎬAC 16 and AC 20 are analyzed through Marshall testsꎬroad performance of warm mixed and hot mixed foam asphalt mixture are analyzed through high temperature rutting testꎬlow temperature bending test and freeze thaw splitting test. Taking temperature as control indexꎬfoamed warm mixed asphalt mixture has small void ratio and good compaction. Taking void ratio as control indexꎬthe compac tion temperature of foamed warm mixed asphalt mixture is less 15 ~ 20 than hot mixed asphalt 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ) 作者简介 : 杨彦海 (1972 )ꎬ 男 ꎬ 教授 ꎬ 博士 ꎬ 主要从事道路结构与路面材料 道路施工与养护技术 废旧材料循环再利用等方面研究.

2 712 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 ) 第 34 卷 mixture. The stability of high temperatureꎬlow temperature and water for foamed warm mixed as phalt mixture is worse than hot mixed asphalt mixture. The performance of foamed warm mixed asphalt mixture meets the requirements of the current technical specification Technical Specifica tion for Asphalt Pavement Regeneration ( JTG F40) ꎬso that low temperature construction can be achieved. Key words:road engineeringꎻasphalt pavementsꎻfoamed warm mix asphaltꎻ air voidsꎻ road per formance 温拌沥青混合料一般是采取降低沥青黏度 ꎬ 使其施工拌和温度介于热拌沥青混合料 (150 ~ 180 ) 和冷拌沥青混合料 ( 常温 ꎬ 10 ~ 40 )ꎬ 路用性能达到或接近热拌沥青 [1 - 混合料的新型沥青混合料 5]. 温拌沥青技术减少热拌沥青混合料在施工过程中大量有害气体的排放 ꎬ 弥补冷拌沥青混合料使用的 [6 - 局限性 13] ꎬ 可以延长施工周期. 泡沫沥青温拌技术是一定量的水与高温 (140 以上 ) 沥青接触 ꎬ 水遇热汽化 ꎬ 沥青体积膨胀 ꎬ 黏度 [14 - 降低 ꎬ 从而实现温拌 16]. 笔者主要从发泡特性 泡沫沥青温拌混合料压实特性和路用性能进行泡沫温拌技术研究. 混合料的质量 ꎬ 一般半衰期不小于 8 s [17]. 不同温度和不同发泡用水量下沥青发泡按对数公式 y = alnx + b(a b 为回归系数 )ꎬ 以半衰期为 X 轴 ꎬ 膨胀率为 Y 轴 ꎬ 绘制不同温度下沥青发泡特征曲线 ꎬ 最上方曲线所对应的温度为最佳发泡温度 ꎬ 即为膨胀率和半衰期的 [18 - 最佳值 20] ( 见图 1). 1 沥青最佳发泡条件 1. 1 试验装置及方法采用维特根发泡装置进行试验 ꎬ 型号 WLB 10Sꎬ 辅助设备钢桶直径为 275 mm 容积为 20 Lꎬ 量尺和精度 0 1 s 的秒表. 胶结料采用辽河 90 号道路石油沥青 ꎬ 加热温度分别为 和 180 ꎬ 发泡用水量分别为 2% 3% 和 4% ꎬ 水温为室温 ꎬ 每次发泡试验平行进行 3 次 沥青发泡试验结果分析以膨胀率和半衰期作为评价沥青发泡特性的指标. 膨胀率是指沥青发泡状态下测量的最大体积与未发泡状态下的体积之比 ꎬ 膨胀率越大 ꎬ 拌制的泡沫混合料质量越好 ꎬ 一般膨胀率不小于 10 倍. 半衰期是指泡沫沥青最大体积缩小到该体积一半所用的时间 ꎬ 半衰期越长 ꎬ 说明泡沫越不容易衰减 ꎬ 可以与集料有较长时间的接触和拌和 ꎬ 以提高泡沫沥青 图 1 不同温度下沥青发泡特征曲线 Fig 1 The characteristic curve of asphalt foaming at different temperatures 由图 1 可知 ꎬ170 时沥青发泡特征曲线位于最上方 ꎬ 说明 170 时膨胀率和半衰期最佳 ꎬ 发泡效果较好 ꎬ 因此笔者选择 170 作为最佳发泡温度进行沥青发泡. 170 时发泡用水量与膨胀率 半衰期的关系曲线 ( 见图 2) 进而确定最佳发泡用水量. 由图 2 分析可知 ꎬ 根据膨胀率和半衰期结果沥青发泡需要的用水量为 2 0% ~ 2 6% ꎬ 取其平均值作为最佳发泡用水量 ꎬ 最佳发泡用水量为 2 3% ꎬ 此时膨胀率为 12 倍 ꎬ 半衰期为 10 sꎬ 满足现行 «公路沥青路面再生技术规范» (JTG F41) 中膨胀率不小于 10 倍 ꎬ 半衰期不小于 8 s 的要求.

3 第 4 期杨彦海等 : 基于泡沫沥青法实现温拌的沥青混合料室内试验对比 材料组成及配合比 2. 1 沥青胶结料 Fig 2 胶结料采用辽河 90 号道路石油沥青 ꎬ 各 项技术指标均符合现行 «公路沥青路面施工 技术规范»(JTG F40) 中的要求 集料组成 粗 细集料和矿粉 ꎬ 各项技术指标均符合 现行 «公路沥青路面施工技术规范» ( JTG 图 沥青发泡用水量曲线 F40) 中的要求 ꎬ 采用 AC - 13 AC - 16 AC - Water consumption curve of asphalt foaming 20 三种级配类型 ꎬ 矿料合成级配见表 1. at 170 表 1 三种级配筛孔通过率 Table 1 Percentage rate of three gradation % 级配 筛孔尺寸 / mm AC AC AC 最佳沥青用量确定采用马歇尔击实法成型不同沥青用量的试件 ꎬ 通过测量体积指标 60 马歇尔稳定度和流值确定最佳沥青用量. 最终确定 AC - 13 的最佳沥青用量为 4 6% ꎬAC - 16 的最佳沥青用量为 4 4% ꎬAC - 20 的最佳沥青用量为 4 2%. 最佳沥青用量情况下 ꎬ 沥青混合料各项路用性能均满足 «公路沥青路面施工技术规范»(JTG F40) 中技术要求. 3 泡沫沥青温拌混合料与热拌沥青混合料压实试验 3. 1 马歇尔试件成型条件确定选取 AC - 13 AC - 16 和 AC - 20 三种级配混合料进行马歇尔试件成型 ꎬ 通过测定不同成型温度下沥青混合料空隙率大小进行泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料压实性能研究 ꎬ 试验条件如表 2 所示. 表 2 马歇尔试件成型条件 Table 2 Molding condition of Marshall specimen 试验组 集料加混合料拌试件击实热温度和温度成型温度 试验结果分析三种级配的泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料空隙率随成型温度变化曲线如图 3 所示. 由图 3 可知 ꎬ 成型温度小于 160 时 ꎬ 三种级配泡沫沥青温拌混合料空隙率随温度的增加下降较快. 当成型温度高于 160 时 ꎬ

4 714 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 ) 第 34 卷 三种级配泡沫沥青温拌混合料空隙率随温度的增加降低幅度趋于平缓 ꎻ 相同温度下 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料的空隙率明显小于热拌沥青混合料的空隙率 ꎻ 当达到相同空隙率时 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料比热拌沥青混合料的成型温度低 ꎬ 降温幅度大概在 15 ~ 20. 这主要由于采用泡沫沥青温拌技术使得沥青黏度降低 ꎬ 流动性变大 ꎬ 可以更充分裹覆集料 ꎬ 使沥青混合料在击实功的作用下 ꎬ 实现彼此充分嵌挤 ꎬ 从而形成空隙率低 密实结构. 4 泡沫沥青温拌混合料与热拌沥青混合料路用性能试验 4. 1 高温车辙试验笔者对泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料进行室内高温车辙试验 ꎬ 通过三种级配下混合料 60 动稳定度比较二者高温抗变形性能 ꎬ 三种级配下泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料 60 动稳定度试验结果如图 4 所示. 图 3 Fig 3 不同级配沥青混合料空隙率随成型温度变化 Air voids of different gradation mixture change with molding temperatures 图 4 泡沫温拌与热拌沥青混合料动稳定度 Fig 4 Dynamic stability of foam asphalt warm mixed and hot mixed asphalt mixture 由图 4 车辙动稳定度试验结果可知 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料车辙动稳定度稍低于热拌沥青混合料 ꎬ 这主要由于泡沫沥青中含有一定量的水影响混合料的高温性能 ꎬ 但泡沫沥青温拌混合料三种级配下车辙动稳定度均满足 «公路沥青路面施工技术规范»(JTG F40) 中大于 800 次 / mm 的要求 低温小梁弯曲试验笔者对泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料进行室内 - 10 小梁弯曲试验 ꎬ 评价其低温抗裂性能. 三种级配下泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料最大弯拉应变试验结果如图 5 所示. 由图 5 小梁低温弯曲试验结果可知 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料最大弯拉应变小于热拌沥青混合料 ꎬ 这主要由于泡沫沥青温拌混合料

5 第 4 期杨彦海等 : 基于泡沫沥青法实现温拌的沥青混合料室内试验对比 715 合料 ꎬ 这主要由于泡沫沥青温拌混合料黏度相对热拌沥青混合料较小 ꎬ 所以其抗水损害能力略差于热拌沥青混合料 ꎬ 但泡沫沥青温拌混合料三种级配下冻融劈裂强度比均满足 «公路沥青路面施工技术规范»(JTG F40) 中大于 75% 的要求. 5 结论 图 5 泡沫温拌与热拌沥青混合料最大弯拉应变 Fig 5 Max flexural - tensile strain of foam asphalt warm mixed and hot mixed asphalt mixture 石料加热温度相对较低 ꎬ 集料内残留的水将降低与沥青的黏附效果 ꎬ 同时泡沫沥青里的水也将降低黏附效果 ꎬ 所以其低温性能略差于热拌沥青混合料 ꎬ 但泡沫沥青温拌混合料三种级配下最大弯拉破坏应变均满足 «公路沥青路面施工技术规范» ( JTG F40) 中大于 的要求 冻融劈裂试验笔者对泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料进行室内冻融劈裂试验 ꎬ 评价三种级配类型下泡沫沥青温拌混合料和热拌沥青混合料的抗水损害性能. 试验结果如图 6 所示. (1) 当发泡温度为 170 时发泡沥青的膨胀率和半衰期最佳 ꎬ 因此选择 170 作为发泡温度 ꎬ170 发泡用水量为 2 3% 时 ꎬ 泡沫沥青的膨胀率为 12 倍 ꎬ 半衰期为 10 s. (2) 成型温度小于 160 时 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料空隙率随温度的增加下降较快 ꎬ 当成型温度高于 160 时 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料空隙率随温度的增加降低幅度趋于平缓. (3) 相同温度下 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料的空隙率明显小于热拌沥青混合料的空隙率 ꎻ 当达到相同空隙率时 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料比热拌沥青混合料的成型温度低 ꎬ 降温幅度大概在 15 ~ 20 ꎬ 可实现低温施工. (4) 泡沫沥青温拌混合料高低温及水稳定性能略低于热拌沥青混合料 ꎬ 但各项性能指标均满足现行 «公路沥青路面施工技术规范»(JTG F40) 要求. 参考文献 图 6 泡沫温拌与热拌沥青混合料冻融劈裂强度比 Fig 6 Freeze thaw splitting strength ratio of hot mix and hot mix asphalt mixture 由图 6 冻融试验结果可知 ꎬ 泡沫沥青温拌混合料冻融劈裂强度比略小于热拌沥青混 [ 1 ] HURLEY G CꎬPROWEELL B D. Evaluation of Sasobit for use in warm mix asphalt [ J]. Ncat reportꎬ2005. [ 2 ] LÖF KRISTJáNSDóTTIRꎬ MUENCH S Tꎬ MICHAEL Lꎬ et al. Assessing potential for warm mix asphalt technology adoption [ J ]. Transportation research record journal of the transportation research boardꎬ2008ꎬ2040: [ 3 ] 杨彦海 ꎬ 高小晰 ꎬ 沈阳 ꎬ 等. 温拌沥青技术在低温施工中的应用 [ J]. 中外公路 ꎬ 2014ꎬ 34 (3): ( YANG Yanhaiꎬ GAO Xiaoxiꎬ SHEN Yangꎬ et al. Application of warm mix asphalt technol ogy in low temperature construction[ J]. Jour nal of China & foreign highwayꎬ2014ꎬ34(3): ) [ 4 ] 王志祥 ꎬ 霍洋洋 ꎬ 党合欢. 温拌橡胶沥青混合

6 716 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 ) 第 34 卷 料拌和和压实温度研究 [J]. 武汉理工大学学报 ( 交通科学与工程版 )ꎬ2015 ( 3 ): ( WANG Zhixiangꎬ HUO Yangyangꎬ DANG Hehuan. Research on compaction temperature and performance of warm mix rubber asphalt mixtures[ J]. Journal of Wuhan university of technology( Transportation science & engineer ing) ꎬ2015(3): ) [ 5 ] 陈静云 ꎬ 李楗 ꎬ 王维营. 不同老化沥青掺量下的温拌再生沥青性能研究 [J]. 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 )ꎬ2017(5): ( CHEN Jingyunꎬ LI Jianꎬ WANG Weiying. Performance of warm recycled asphalt binders with different aged asphalt percentage [ J ]. Journal of Shenyang jianzhu university ( natural science) ꎬ2017(5): ) [ 6 ] RUBIO M CꎬMARTíNEZ GꎬBAENA Lꎬet al. Warm mix asphalt:an overview[ J]. Journal of cleaner productionꎬ2012ꎬ24(3): [ 7 ] XIAO FꎬJORDAN JꎬAMIRKHANIAN S N. Laboratory investigation of moisture damage in warm mix asphalt containing moist aggregate [ J]. Transportation research record:journal of the transportation research boardꎬ2009(2126): [ 8 ] SILVA H M R DꎬOLIVEIRA J R MꎬPERAL TA Jꎬet al. Optimization of warm mix asphalts using different blends of binders and synthetic paraffin wax contents [ J ]. Construction & building materialsꎬ2010ꎬ24(9): [ 9 ] 师龙飞. 成型温度对泡沫沥青混合料性能的影响 [J]. 公路工程 ꎬ2015ꎬ40(2): ( SHI Longfei. Effects of molding temperature on properties of foamed warm mixed asphalt mixture [ J ]. Highway engineeringꎬ 2015ꎬ 40 (2): ) [10] ALI AꎬABBAS AꎬNAZZAL Mꎬet al. Work ability evaluation of foamed warm mix asphalt [ J]. International journal of pavement research & technologyꎬ2012ꎬ5(2): [11] 石鹏程 ꎬ 沈菊男 ꎬ 祝鸿 ꎬ 等. 水发泡温拌再生沥青混合料体积性能研究 [ J ]. 公路 ꎬ 2014 (12): ( SHI Pengchengꎬ SHEN Junanꎬ ZHU Hongꎬ et al. Study on volume performance of warm mixed asphalt mixture with water foaming[ J]. Highwayꎬ2014(12): ) [12] 邹晓勇 ꎬ 李英涛 ꎬ 柏宁. 泡沫温拌沥青混合料不同施工阶段发泡水含量变化规律研究 [J]. 中外公路 ꎬ2016(2): ( ZOU XiaoyongꎬLI YingtaoꎬBAI Ning. Study on the changes of water content of foamed warm mixed asphalt mixture at different con struction stages[ J]. Journal of China & foreign highwayꎬ2016(2): ) [13] 马永锋 ꎬ 郝培文. 温拌 ( 半温拌 ) 泡沫沥青混合料发展现状 [ J]. 中外公路 ꎬ2012ꎬ32 (3): ( MA Yongfengꎬ HAO Peiwen. Development status of warm mix (semi warm mixed) foam asphalt mixture[ J]. Journal of China & foreign highwayꎬ2012ꎬ32(3): ) [14] 黄康旭 ꎬ 梁星敏 ꎬ 徐波. RAP 掺量对泡沫温拌再生沥青混合料路用性能的影响 [ J]. 材料科学与工程学报 ꎬ2016ꎬ34(5): ( HUANG KangxuꎬLIANG XingminꎬXU Bo. Influences of RAP dosage on road perform ances of foamed warm mix reclaimed asphalt [J]. Journal of materials science and engineer ingꎬ2016ꎬ34(5): ) [15] CHOMICZ KOWALSKA Aꎬ GARDZIEJC ZYK WꎬIWAN ' SKI M M. Moisture resistance and compactibility of asphalt concrete produced in half warm mix asphalt technology with foamed bitumen [ J]. Construction & building materialsꎬ2016ꎬ126: [16] NEWCOMB D Eꎬ ARAMBULA Eꎬ YIN Fꎬ et al. Properties of foamed asphalt for warm mix asphalt applications [ J ]. Nchrp reportꎬ [17] 吴革森 ꎬ 杨卿 ꎬ 吴凡 ꎬ 等. 泡沫沥青就地冷再生混合料配合比设计及工程应用 [ J]. 公路 ꎬ 2015(5): ( WU GesenꎬYANG QingꎬWU Fanꎬet al. Mix proportion design and engineering application of cold regenerated mixture of foamed asphalt [J]. Highwayꎬ2015(5): ) [18] 拾方治 ꎬ 赫振华 ꎬ 吕伟民 ꎬ 等. 沥青发泡原理及发泡特性的试验研究 [ J]. 建筑材料学报 ꎬ 2004ꎬ7(2): ( SHI FangzhiꎬHE ZhenhuaꎬLÜ Weiminꎬet al. Principle and study of bitumen foaming [ J]. Journal of building materialsꎬ 2004ꎬ 7 ( 2 ): ) [19] 徐金枝 ꎬ 郝培文. 沥青发泡性能评价指标及优化设计研究 [ J]. 建筑材料学报 ꎬ 2011ꎬ 14 (6): (XU JinzhiꎬHAO Peiwen. Research on the e valuation index and optimization design of as phalt foaming characteristics [ J]. Journal of building materialsꎬ2011ꎬ14(6): ) [20] SANCHEZ ALONSO EꎬVEGA ZAMANILLO Aꎬ CASTRO FRESNO Dꎬ et al. Evaluation of compactability and mechanical properties of bi tuminous mixes with warm additives[ J]. Con struction and building materialsꎬ2011ꎬ25(5):