温拌沥青混合料在低温施工条件下的应用与研究

2019-02-18 版权声明 举报文章

摘要:结合温拌沥青混合料在低温条件下的应用与正常施工条件下的热拌沥青混合料进行对比分析研究,介绍表面活性型温拌技术、温拌沥青混合料配合比设计试验方法,适用范围和现场施工工艺进行总结。

关健词:温拌沥青混合料;低温施工条件;温拌添加济;应用与研究;

1、前言

温拌沥青混合料WMA(Warm Mix Asphalt)是一类拌和温度介于热拌沥青混合料HMA (Hot Mix Asphalt) 和冷拌沥青混合料CMA (Cold Mix Asphalt) 之间,性能达到(或接近)热拌沥青混合料的新型节能减排沥青混合料。这次采用的Evotherm温拌沥青混合料是表面活性型温拌技术(Surfactant Based WMA Technology),其技术原理是表面活性添加剂水溶液与热沥青在拌和过程中共同作用,借助拌和过程实现分散。表面活性剂富集于残留微量水滴和沥青的界面,在胶结料内部形成临时性水膜结构。由于作用不受温度影响,温度下降时,水膜润滑作用能够很大程度抵消沥青粘度增大的作用,从而实现温拌。在压实完毕后,表面活性剂会向石料与沥青界面转移,达到抗剥落加强效果。

2、施工条件

本次施工为上海高速公路4cm上面层SMA-13型改性沥青混合料,根据交通部JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》规定正常热拌SMA沥青混合料通常下卧层表面温度在15℃以下不宜施工。本条高速公路施工正好在冬季低温条件下施工,上海冬季温度正常在0-15℃,EvothermTM温拌沥青混合料可以适应比热拌低10-15℃左右的外界温度条件,也即低温施工温度条件下施工,EvothermTM温拌沥青混合料操作温度下降后,由于与环境温度差异缩小,在同等条件下,摊铺温度下降速度显著低于热拌沥青混合料,有效压实时间相应延长。

3、材料与级配

3.1材料

3.1.1温拌添加剂

温拌添加剂DTA的技术要求,按照温拌沥青混合料技术的种类对应其相关技术指标。

DTA添加剂分为F型和H型两种,见表3.1,控制DTA添加剂PH值、胺值和固含量在规定范围内。为确保DTA添加剂的有效性和经济性,DTA添加剂必须在密闭容器中避光保存。使用前,DTA添加剂溶液必须保持均匀状态,没有悬浮物和沉淀物。

Pa为DTA添加剂与沥青的比例,,一般推荐5。提高添加剂的添加比例意味着引入更多水,对改善混合料拌合和碾压有一定效果,但最高比例不宜超过10。

实现温拌,表面活性成分和水是必不可少的两个条件。表面活性成分需要具有活性,同时还有足够的量,才能够有效实现润滑结构的构成。碾压完毕后,表面活性成分转移到石料表面,形成足够的化学结合作用,有效弥补温拌时沥青对石料浸润下降。综合效力和成本,表面活性成分的用量范围要达到沥青用量的0.45~0.75(润滑结构仅在沥青内形成和发挥作用),在拌合过程中,添加剂中大部分水分会被蒸发,残留在沥青混合料内的水的量会影响温拌效果,在同等条件下残留水量增加会进一步帮助压实。

对于不同的应用场合,表面活性成分残留量一般差别不大,有时会通过引入不同的水量,以满足不同的压实要求。拌合楼最常用的是5。由于实验室拌合设备拌合功率较弱,拌合时间长,室内添加剂Pa一般采用10。

3.1.2沥青

3.1.2.1温拌沥青混合料采用SBS改性沥青。技术要求符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》标准要求。

3.1.3粗、细集料

生产温拌沥青混合料时,不宜采用多孔性或内部吸水性强的集料,本次采用的是湖州产的辉绿岩,可以将温拌沥青混合料石料吸水率最高标准设定为热拌沥青混合料的80。其它技术指标要求符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》规定。

3.1.4填料

填料必须采用洁净的碱性石料磨细的矿粉,允许同时掺加约1-2的消石灰粉替代部分填料。抗剥落添加剂优先采用熟石灰粉,在采用温拌(属表面活性型)技术时,由于水的存在会造成水泥水化结硬,堵塞粉料添加口,不应采用水泥带矿粉。另外,添加剂本身具有增强粘结力作用,一般不需要再添加抗剥落添加剂。矿粉应干燥、洁净、无结块,技术要求JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》规定。

3.1.5纤维

在沥青混合料中掺加的纤维稳定剂宜选用木质素纤维、矿物纤维、有机纤维等。温拌沥青混合料添加纤维时,纤用量宜低于热拌沥青混合料的用量,允许减半使用,应根据试验特别是析漏和动稳定度来确定。

3.2矿料级配

沥青混合料矿料级配范围如表3.2所示

4、温拌沥青混合料设计

4.1温拌沥青混合料设计方法与指标

4.1.1设计方法。本次采用马歇尔方法设计温拌沥青混合料,设计指标遵循设计方法相应的技术要求。马歇尔方法按JTG F40规定,马歇尔试验的稳定度和流值,仅作为配合比设计阶段的参考性指标,动稳定度等性能指标是裁决性指标。

温拌工艺温度明显下降后,沥青老化会明显减轻。抽提试验表明,同样配比的情况下,温拌沥青混合料抽提物的针入度分级可能比热拌高1-2个等级。因此温拌沥青混合料的马氏稳定度一般较热拌低10左右因此,不将马氏稳定度作为裁决性指标。但采用温拌工艺后,性能指标特别是动稳定度和水损坏指标要求不应降低。

4.1.2温拌沥青路面性能标准按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)执行。

4.2温拌沥青混合料室内设计流程

4.2.1混合料的拌合(操作见图1)

4.2.1.1石料加热:加热温度一般比出料温度高10~20℃,加热好的石料(或和纤维)放入预热好的拌合锅干拌。

4.2.1.2用拌铲将干拌后的石料拉成一斜面,露出拌锅底部;

4.2.1.3热沥青(温度与热拌同)倒入露出来的拌锅底部;

4.2.1.4采用50ml烧杯,用DTA添加剂充分润湿后,按照比例称量添加剂(室内试验一般采用与沥青的质量比为1:10);

4.2.1.5搅拌浆下降,降到正好可以将烧杯、纸杯探入的位置,将添加剂倒 沥青液面上,尽量避免倒在石料上;

4.2.1.6降下搅拌浆,开始搅拌,搅拌时间约为1-1.5分钟;

4.2.1.7略微升起搅拌浆,倒入矿粉(不加热),再次搅拌(一般不超过1分钟)。

4.2.1.8出料时,出料温度一般比同型号的热拌沥青混合料低30℃以上;

图1.温拌料实验室操作示意图

4.2.2混合料的成型方法

⑴混合料在设定的击实温度(一般比同型号的热拌混合料低30℃以上)条件下恒温2小时后成型。

⑵成型方法宜采用具有搓揉作用的旋转压实机或GTTM。采用马歇尔设计方法时,旋转压实成型试件次数需要根据级配类型予以调整,须采用同类型热拌沥青混合料建立Superpave旋转次数与马歇尔击实的关系。温拌混合料设计实际常用的是旋转成型的马歇尔体系。Superpave旋转压实次数的规定,只是针对Superpave材料(集料、沥青、级配),并不适用于其他材料类型。因此,采用马歇尔混合料设计体系和JTG F40级配好材料时,旋转压实次数需要相应调整,采用热拌马氏击实密度标定旋转压实次数。

4.2.3确定设计沥青用量

沥青用量确定的程序和原则,见相关方法之规定。通常情况下,在初步确定沥青用量后,宜进行该沥青用量下的体积参数复核试验。在同样配比条件下,温拌和热拌的空隙率差异不得超过0.5。确定最佳沥青原来的方法,遵循热拌设计方法相应的程序,温拌工艺的标准之一是配比和体积参数最大限度逼近热拌工艺,因此,在目标配合比初步确定的阶段,进行热拌混合料校验是必要的,校验的方法是采用目标配比进行热拌试件成型,测试体积参数,要求空隙率差异不超过0.5为宜。反过来允许采用热拌混合料进行配比设计,温拌混合料在此设计沥青用量基础上进行验证。

5、温拌沥青混合料生产和施工

5.1温拌沥青混合料的生产

温拌沥青混合料的生产需要使用温拌DTA添加剂,DTA添加剂需在拌合楼拌合锅内安装喷洒杆件,温拌添加剂通过独立系统实现与沥青同步添加。温拌添加剂添加设备需具备准时、足量、自动化添加的功能,应采用相应的配套专用设备。为了尽快排除拌合过程产生的水汽,拌合锅需打开孔径不小于50cm的排气口。排气口的设置高度稍大于混合料拌合区高度,以便气体顺利排出。

5.1.1温拌沥青混合料的拌合

⑴推荐采用矿粉后加法,具体添加顺序为矿料(纤维)-沥青(延时2~3秒DTA添加剂)-延时5~6秒加矿粉-湿拌-结束。其中,如果需要加纤维,则需保证纤维与矿料干拌时间不少于6秒。DTA添加剂的喷入质量与沥青质量比例按照设计要求,DTA添加剂在沥青开始喷洒后延时2~3秒开始喷入,喷入时间控制在8~10秒以内。在沥青喷洒结束后延后5~6秒添加矿粉,避免在水蒸气排出时添加矿粉,影响矿粉计量精度、减少矿粉损失和减少矿粉堵塞概率。

⑵不宜采用不具备矿粉后加功能的拌合楼进行温拌料生产,对于矿粉用量大于8的配比,不得采用矿粉先于沥青添加的拌合模式。

⑶通过安装喷洒杆的位置和喷头的方向,确保DTA添加剂喷洒扇面与沥青喷洒扇面基本重叠,最大限度减少DTA添加剂直接与石料接触。生产添加纤维的沥青混合料时,纤维必须在混合料中成分分散,拌合均匀。拌合机应具备同步添加装置,松散的絮状纤维可以喷入沥青的同时或稍后采用风送设备喷入拌合锅,拌合时间宜延长6S以上。颗粒纤维可在粗集料投入的同时自动加入。

5.2温拌沥青混合料施工

5.2.1温拌沥青混合料的运输、摊铺及碾压工艺技术要求,参见JTG F40规定。

5.2.2碾压组合方式及碾压步骤。

本项目配置五台11T以上钢轮压路机。二台钢轮压路机紧跟摊铺机碾压,三台钢轮随后循环碾压,温拌沥青混合料在碾压作用下,沥青胶浆的挤出效应与热拌时有显著的不同,初压必须保证足够的震动碾压,在钢轮压路机吨位足够而且能够调整振动频率和幅度的情况下,全钢轮碾压队列可以完成温拌混合料的压实(初压高幅低频,复压低幅高频)。

5.2.3温拌沥青混合料的施工温度

在混合料生产过程中,沥青加热采用与热拌接近的温度。

宜首先测定135℃及175℃条件下的粘度-温度曲线,确定热拌沥青混合料的适宜施工温度,在此基础上,温拌沥青混合料施工温度降低至少30℃。缺乏粘度曲线数据时,宜按表5.2.3-1的范围选择。

5.2.4允许施工的温度和厚度条件

表5.2.4温拌沥青混合料的适宜施工温度条件和相应最低摊铺温度(℃)

下卧层

表面温度(℃) 相应于下列不同摊铺层厚度的最低摊铺温度

6、质量检验方法及标准

6.1原材料检验

6.1沥青、集料、矿粉、纤维参照现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)的规定执行。

6.2温拌DTA添加剂

温拌DTA添加剂以实际生产批次检验,每批快速检测固含量,PH值和胺值,并查验厂商合格证和质检报告,质量评定标准及方法如下所示。质量评定标准见表3.1.

6.3温拌混合料检验

温拌沥青混合料的现场取样和成型必须连续,不允许料温下降到失去工作性后重新加热再成型。一般要求,取样量至少为试验需要量的3倍,取样是立即测温,温度应在允许出料温度范围内。样品运送途中要注意保温,料温下降超过20℃的混合料,不被允许使用。取回的样品,立即放入恒温箱,样品堆积厚度,不宜低于8cm,恒温1-2h后进行成型试验,成型方法宜为旋转压实,如果只有你马歇尔击实仪,则宜把温拌料的击实温度上升到热拌料的击实温度,然后进行击实制作标准密度试件。

6.4质量控制和验收标准

施工过程中有关材料的质量检测频率好技术标准以及完工后路面的质量检测频率和技术标准,参见JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》和《公路工程质量检验评定标准》的相关规定,或者按照设计文件的要求。

参考文献

[1]交通部公路科学研究所. JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[S].北京:人民交通出版社,2004

[2] 交通部公路科学研究所. JTJ052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[S].北京:人民交通出版社,2000

[3] 美德维实伟克公司. 益路EvothermTM温拌沥青混合料技术手册,2009年4月版

注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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