2025-05-27
 
面向公路施工的温拌沥青混合料配合比设计与效果评价
2025年05月27日   阅读量:2432

摘 要:

针对温拌沥青混合料配合比没有确定的统一标准,影响实际工程中温拌沥青应用效果的问题,论文对沥青延度、针入度以及黏度等指标进行系统的测试与分析,根据分析结果确定合适的混合料配合比,并从温度、搅拌速率、黏度 3 个方面对拌和效果进行评价。结果表明,温拌沥青的最佳油石比为 5.2%,矿粉比为20.5∶40.5∶36.5∶3.0,且有机降黏型温拌剂的加入,有效改善了沥青混合料的施工性能。

关键词:公路;温拌沥青;配合比;效果评价;马歇尔试验

1 引言

在城市化建设中,道路铺设和维修工作频繁进行,沥青混合料作为道路建设的主要材料之一, 其生产和使用过程对环境的影响不容忽视[1]。 传统的热拌沥青混合料在生产过程中需要消耗大量的能源,并产生大量的有害气体和废渣,对环境造成严重的污染[2]。 温拌沥青混合料(Warm-Mixed Asphalt Mixture,WMA)作为一种新兴的环保型筑路材料,其优势在于能在各个环节以较低的温度进行施工, 减少能源消耗和温室气体排放,更符合现代公路施工对环保和节能的要求[3]。 温拌沥青混合料配合比设计与实际应用效果的评估是确保公路施工质量的重要环节。 但目前 WMA 技术的混合料配合比并不统一,且在实际应用中往往需要根据工程具体条件和需求进行调整。

因此, 本文旨在探索面向公路施工的温拌沥青混合料的配合比设计,并对其施工拌和进行综合评价,以期为实际工程应用提供参考。

2 温拌沥青混合料配合比设计及效果评估方法

2.1 温拌沥青的制备及混合料配合比设计

在制备温拌沥青之前,需要选用合适的沥青以及温拌剂。将目前市场上常见的两种温拌剂同时应用到温拌过程中,并选择 70# 沥青作为基础材料,以确保研究的可比性和实际应用价值。 通过控制温拌剂的添加量,在实验室条件下模拟温拌沥青的制备过程。 在制备过程中,首先,加热沥青至 135 ℃,然后将温拌剂添加到沥青中进行搅拌。 为确定合适的温拌剂的质量参数,在制备过程中选取两种温拌剂进行温拌沥青的制备。将温拌剂的添加质量设定为 70# 沥青质量的 0.04~0.09 倍。

针入度、 延度等指标是评价沥青材料流动性和延展性等性能的重要参数, 对沥青混合料的施工性能和路面使用性能具有重要影响。 在温拌沥青混合料的制备过程中,这些指标的变化直接反映了温拌剂与沥青之间的相互作用和混合效果。因此,在配合比设计过程中,将这些指标的变化情况作为配合比调整的依据, 以确保温拌沥青混合料具有良好的施工性能和路面使用性能。 本文选择的两种温拌剂的型号及基本性质如表 1 所示。

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分析结果表明, 有机降黏型温拌剂相较于表面活性型温拌剂对沥青的针入度、延度等指标的影响更为显著。 此外,引入软化点、 黏度等指标对其性能变化情况进行分析。 结果表明,ACMP 温拌剂对沥青的性能影响明显更大。 因此,选用有机降黏型温拌剂作为温拌沥青中的重要原料。 此外,为确定合适的沥青混合料配合比,开展试验调整矿粉比、油石比、集料配合比,并根据测试结果确定合适的混合料配合比。 为确定合适的油石比,选取 5 组油石比进行马歇尔试验,分别为 4.0%、

4.5%、5.0%、5.5%和 6.0%。 根据分析结果确定温拌沥青的集料配合比为 15~20 mm、5~10 mm、0~5 mm, 矿粉比为 20.5∶40.5∶36.5∶3.0,油石比为 6.0%。 确定了最佳油石比和矿粉比后,对沥青混合料的骨料级配进行进一步优化。 通过对比不同骨料级配下的沥青混合料性能,最终选择了骨料级配为 AC-16 的配合比方案。 该方案在保证沥青混合料强度的同时,也兼顾了混合料的稳定性和耐久性。

2.2 考虑施工温度的拌和效果评价方法

温拌技术对混合料的降温效果及施工过程中可减少能源消耗和有害气体排放是其核心优势。 因此,在评价温拌沥青混合料的拌和效果时,必须充分考虑施工温度的影响。 首先,建立一套完整的温度监测体系, 对温拌沥青混合料的整个拌和过程进行实时温度监控。 监控范围包括沥青加热温度、温拌剂添加后的温度,以及混合料拌和过程中的温度等关键节点。 当混合料的级配不变时, 影响混合料的压实度的因素是温度和时间。 在温拌沥青混合料的施工过程中,由于温度相对较低,需要更长的拌和时间和更高的压实功来确保混合料的充分拌和和密实度。 因此,采用变温击实法,通过设定不同的击实温度马歇尔试件计算得到不同沥青混合料的压实度平均值。 击实温度设定为 4 个不同条件, 分别为 90 ℃、110 ℃、130 ℃、150 ℃。 压实度 K 的计算公式为:

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变速拌和法是一种模拟实际施工过程中沥青混合料拌和过程的方法, 用于评估不同拌和速率对沥青混合料性能的影响。 该方法通过控制拌和设备的转速和拌和时间,模拟实际施工中的拌和过程, 进而获得混合料的性能数据。 本文选择10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min 和 50 r/min 共计 5 个拌和速度对温拌效果进行分析。 在试验过程中,将加热的沥青和温拌剂一同送入拌和机中, 并按照设定的 5 种拌和速率对混合料的性能变化情况进行记录。

除了变速拌和法和变温击实法测定的压实度和拌和功率变化情况, 黏度也是反映温拌沥青混合料性能的重要指标之一。 黏度越低,沥青流动性越好,说明沥青混合料在施工过程中的可加工性和均匀性较好。 因此,本文通过黏度-温度曲线评估不同拌和速率和温度条件下温拌沥青混合料的黏度变化情况。 在黏度测定过程中,选用旋转黏度计对沥青混合料的黏度进行测量。 通过绘制黏度-温度曲线可以更直观地了解温拌沥青混合料在不同温度下的流动性,从而为其在实际施工中的应用提供参考。 且黏度和沥青的剪切稳定性密切相关,是评价沥青混合料抗剪切破坏能力的重要指标。 根据黏性系数可计算得到混合料的剪切应力。

综合上述内容,将施工温度、压实度、搅拌速率以及搅拌过程的旋转黏度作为拌和效果的评价因素, 并进行拌和效果的评价。 综合使用这些方法可以提高评估的准确性和可靠性,为实际施工提供参考和指导。

3 优化配合比的温拌沥青效果评价

为了分析优化配合比后的温拌沥青混合料的压实度和黏性,采用温击实法、变速拌和法和黏温曲线法对其进行试验分析。 变温击实试验共计击实 88 次,须记录每次试件的稳定度和压实度。 根据记录结果,分析优化配合比后的温拌沥青混合料的压实度和温度之间的相关性。 在变速拌和试验过程中,在 120 ℃、130 ℃、140 ℃、140 ℃条件下观察 ACMP 温拌沥青混合料的流变性。 研究在不同拌和温度下不同温拌剂混合料的拌和黏度变化情况。 具体结果如图 2 所示。

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由图 2a 可知,随着击实温度的升高,沥青混合料的压实度也在不断提高,两者呈现正相关的变化趋势。 这说明温度越高,沥青混合料的颗粒结构越密集,沥青越稳定。 由图 2b 可知,在 4 种温度下,随着拌和速率的提高,其拌和功率也逐渐升高。 拌和功率越高,沥青的拌和越均匀,有利于沥青与骨料充分结合,提高混合料的整体性能。且在 4 种温度中,120 ℃时的沥青的拌和功率最大,150 ℃时的拌和功率最小。 由图 2c 可知,温拌沥青混合料的黏度与拌和温度呈负相关。 温度≥130 ℃时,混合料的黏度降低斜率加大,这说明沥青流动性得到了进一步改善,有利于混合料的均匀拌和和密实度的提高。 综上,ACMP 温拌剂更适合温拌沥青制备,且经过综合考虑后,确定温度在 130 ℃左右时,温拌沥青混合料的拌和性能最佳。

4 结语

温拌沥青优良的拌和性能和施工性能使其在节能减排、提高施工质量等方面具有显著优势。 为探寻合适的温拌沥青配合比以及温拌温度设置,本文从温度、压实度、拌和速率、拌和黏度等方面对拌和效果进行评价。 适当地提高拌和温度有利于改善温拌沥青混合料的拌和性能,降低拌和难度。 特别是在 130 ℃左右的温度下, 温拌剂能够显著提升沥青混合料的拌和性能,使其在实际施工中表现出更好的应用效果。 对比两种不同的温拌剂后发现,ACMP 温拌剂能够更有效降低沥青混合料的拌和温度,同时,保持或提高混合料的性能。 在相同拌和条件下, 使用 ACMP 温拌剂的沥青混合料具有更低的黏度和更高的流动性,使混合料更易于拌和与压实,进而提高施工效率和施工质量。 此外,本文还通过流变图和黏度-温度曲线等手段直观地展示了温拌沥青混合料的流动性随温度变化的规律,为温拌沥青混合料的施工提供参考依据。 在之后的研究工作中,应进一步考虑温拌沥青的节能减排特性,以及其对环境的影响,并探索更多种类的温拌剂及其适用性,以推动温拌沥青技术的进一步发展。

参考文献:

[1]王杰,郑鲲鹏,徐剑,等.发泡用水量对泡沫温拌沥青混合料力学性能的影响[J].公路交通科技,2023,40(8):1-8.

[2]仰建岗,黄锦化,高杰,等.温拌剂对再生沥青与沥青混合料性能影响及作用机理[J].公路交通科技,2023,40(7):1-10.

[3]尹应梅,张奕康,高宇灏,等.高模量温拌改性剂对沥青基本指标和疲劳性能影响研究[J].功能材料,2024,55(3):3191-3197.

6 结论

原创作者:刘海儒,河北承德承赤高速公路服务中心,河北 承德 067000。


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