低标号沥青高模量沥青混合料施工温度研究
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
总第317期交 通 科 技
SerialNo.317
2
023第2期TransportationScience&Technology
No.2Arp
.2023DOI10.3963/j
.issn.1671 7570.2023.02.029收稿日期:2023 02 03
第一作者:范优甲(1975-),男,高级工程师。
通信作者:孟会林(1983-)
,男,高级工程师。
河北省交通运输厅科技项目(TH 201923
)资助低标号沥青高模量沥青混合料施工温度研究
范优甲1 孟会林2,3 刘晓龙
1
(1.中电建冀交高速公路投资发展有限公司 石家庄 050090;2.河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄 050091;3.公路建设与养护技术、材料及装备行业研发中心 石家庄 050011
)摘 要 低标号沥青是实现高模量沥青混合料的重要途径之一。
文中基于对低标号沥青黏温特性与抗老化性能的研究确定了低标号沥青高模量沥青混合料施工中的沥青加热温度、
石料加热温度及出料温度。
结果表明,20号与30号沥青135℃旋转黏度分别处于2.0Pa·s与1.0Pa·s水平;低标号沥青的抗老化性能总体上优于常用的70号沥青;通过黏 温曲线确定的低标号沥青施工温度基本合理,20号沥青的加热温度宜控制在175~185℃,30号沥青的加热温度宜控制在170~180℃;低标号沥青混合料的石料加热温度可与沥青加热温度保持一致或略有提高,提高幅度宜控制在10~15℃范围内。
关键词 道路工程 低标号沥青 高模量沥青混合料 施工温度中图分类号 U415.6
温度是沥青路面施工中最重要的参数,
温度过低,混合料难以压实,路面空隙增加,易造成水损坏,影响路面使用寿命;施工过程中采用较高的温度,则容易导致沥青中的轻质组分挥发,沥青由于热氧化而发生硬化等,进一步严重影响沥青混合料的低温性能及耐久性,同样导致路面使用寿命缩短。
因此,
确定合适的沥青混合料施工温度对提升沥青路面施工质量及耐久性非常重要。
JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》规定采用黏
温曲线来确定基质沥青的拌和温度及碾压温度,且大量实践及研究证明[1 2],对于
基质沥青,采用黏 温曲线(0.17±0.02)Pa·s黏度范围的温度作为拌和温度(0.28±0.03)Pa·s黏度范围的温度用于碾压基本是合适的。
规范给出了沥青标号50~110的不同基质沥青混合料施工温度,从给出的推荐值来看,不同标号基质沥青各阶段的施工温度存在一定差异,同时,规范中也注明对于更高标号(如130号、160号)及更低标号(如30号)的沥青混合料应通过试验来确定施工温度。
高模量沥青混合料主要通过采用低标号沥青
或在混合料中添加外掺剂2种途径来实现[3]。
采
用低标号沥青成本低、施工难度小且不需要对拌和设备进行改动。
低标号沥青本质上也是基质沥青,理论上讲,通过黏 温曲线确定其混合料施工温度是合理的,但由于低标号沥青在我国的应用规模非常小,
已有工程经验少,因此,开展低标号沥青高模量沥青混合料施工温度研究很有必要。
已有研究表明[4 6],低标号沥青及混合料的抗老化
性能均优于常用70号沥青与SBS改性沥青及其
混合料,但对低标号沥青的施工温度缺乏研究[7]。
本文拟基于低标号沥青的黏 温特性确定适用于混合料的拌和及压实温度,然后采用沥青老化试验评价拌和及压实温度的合理性,在此基础上综合确定低标号沥青高模量沥青混合料的施工温度。
1 原材料与试验方法1.1 原材料
为明确低标号沥青与常用沥青施工温度的差异,试验对象选择沥青标号为10,20,30,50,70的基质石油沥青及SBS改性沥青共6种材料,不同材料的针入度、
软化点及延度指标见表1,沥青标号越低,其针入度越小,软化点越高。
表1 沥青原材基本指标
技术指标10号20号30号50号70号SBS改性
25℃针入度/
0.1mm
8.718.030.745.662.845.7
软化点/℃82.368.663.658.454.487.45℃延度/cm25.3
135℃旋转
黏度/(Pa·s)25.241.800.890.670.532.611.2 试验方法
1.2.1 黏度试验
旋转黏度试验适用于测定牛顿流体与非牛顿流体的剪应力与剪变率之比,即表观黏度。
通过测定沥青胶结料不同温度下的黏度,绘制温度 黏度曲线,可确定沥青混合料的拌和温度与碾压温度。
按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0625试验方法,采用布洛克菲尔德黏度计测定不同种类沥青在不同温度下的旋转黏度。
本次黏度测试均采用27号转子,其可测量的黏度范围为5~50Pa·s,根据实测黏度值与量程的比值调整转子的转速。
1.2.2 沥青老化试验
已有研究一般通过薄膜烘箱老化试验(TFOT)及压力老化试验(PAV)分别模拟沥青混合料在施工过程及使用过程中沥青的老化程度,也可以通过沥青混合料的短期老化及长期老化试验模拟混合料在施工现场拌和与铺筑过程中的老化及服役期内的老化。
为进一步确定低标号沥青的合理施工温度,在黏 温特性的基础上,进一步采用TFOT研究温度对20号、30号及50号沥青的影响,并与70号沥青和SBS改性沥青进行对比。
试验首先确定沥青老化前的针入度、软化点及135℃旋转黏度,然后对沥青样品进行标准试验条件下(163℃,5h)的薄膜烘箱老化试验。
在此基础上,进一步考虑施工过程中的实际情况,结合黏 温曲线确定沥青拌和温度及石料经验加热温度,采用非标准条件再次进行薄膜加热试验,考虑实际施工过程中混合料从拌和楼出料至摊铺前的运输时间和等待时间,非标准条件的老化时间统一取2.5h,但根据沥青标号的不同,老化采用的温度不同。
2 结果与讨论
2.1 低标号沥青的黏温特性
对10号、20号、30号及50号4种沥青进行了不同温度下的布氏旋转黏度测试,结果见表2,不同沥青的黏 温曲线图见图1。
表2 不同低标号沥青的旋转黏度
温度/℃
以下沥青标号的旋转黏度/(Pa·s)
1020305010014.6910.094.54
13525.241.800.890.67
1606.490.620.320.11
1752.440.410.120.06
1900.15
2000.78
图1 不同低标号沥青的黏 温曲线
从黏度测试结果可见,相同温度下,沥青标号越低旋转黏度越大;当针入度等级从50(0.1mm)下降至10(0.1mm)时,沥青旋转黏度增长的幅度越来越大,特别是针入度等级从20(0.1mm)下降至10(0.1mm)时,160℃及以下的旋转黏度增长10倍以上,10号沥青在200℃条件下的旋转黏度才能达到常用70号沥青135℃时的黏度水平。
另一方面,从135℃的旋转黏度看,30号与50号沥青的黏度较常用70号沥青略有提高,均不足1.0Pa·s;20号沥青的旋转黏度低于SBS改性沥青,不足2.0Pa·s。
按照规范方法,根据不同标号沥青黏 温曲线的拟合公式计算得到相应的拌和温度及碾压温度范围见表3。
从结果可见:
1)基于黏 温曲线确定的30号及50号沥青的拌和温度及碾压温度与经验认识接近,特别是50号沥青的拌和与碾压温度与规范给定的温度也比较接近。
2)沥青标号降低到20号时,所需的拌和温度及碾压温度均大幅提高,针入度等级由30降到20,拌和与碾压温度需提高20℃左右,针入度等级由20降至10,拌和及碾压温度需进一步提高40℃左右,达到220℃左右,施工温度非常高。
表3 不同低标号沥青的拌和与碾压温度范围 ℃ 沥青标号拌和温度范围碾压温度范围10224~229215~219
20186~191176~181
30166~170158~162
50154~158146~150
以上黏度测试结果说明,随着沥青标号的降
低,沥青的成分及相应的施工特性也在发生显著变化,特别是对于20号及以下标号沥青,通过黏 温曲线确定的拌和及碾压温度较高,存在造成沥青老化的风险,是否适用于生产还需要进一步研究确定。
2.2 低标号沥青的抗老化性能
考虑到10号沥青现阶段在道路工程中应用的可能性较低,且受试验设备工作条件限制,因此,仅对20号、30号、50号、70号及SBS改性共5种不同的沥青进行薄膜加热试验。
采用标准老化试验条件与非标准老化试验条件,分别对老化后的各种沥青样品再次进行针入度、软化点及135℃的旋转黏度检测。
表4与表5分别为标准与非标准老化后不同沥青技术指标检测结果,其中考虑到实际施工过程中通常集料的加热温度较沥青提高10~30℃,因此,非标准老化的试验温度是在黏 温曲线确定的沥青拌和温度的基础上平均提高20℃,具体试验温度见表5。
表4 不同沥青标准老化后技术指标
技术指标
沥青种类
20号30号50号70号SBS
质量变化/%-0.26-0.28-0.24-0.12-0.06针入度(25℃)/0.1mm1522324440软化点/℃74.165.662.361.583.3旋转黏度/(Pa·s)2.351.401.210.732.87延度(5℃)/cm13.6表5 不同沥青非标准老化后技术指标
技术指标
沥青种类
20号30号50号70号SBS
老化温度/℃198193178173183质量变化/%-0.31-0.51-0.08-0.25-0.15针入度(25℃)/0.1mm1522334744软化点/℃73.769.663.057.984.1旋转黏度/(Pa·s)2.661.521.150.672.82延度(5℃)/cm14.1
将表4与表5数据分别与表1数据对比,以残留针入度比、软化点变化及黏度增长作为评价沥青抗老化性能的指标,残留针入度比对比图见图2,软化点变化对比图见图3。
图2 老化后残留针入度比对比
图3 老化后软化点增长对比
从图2残留针入度比看,2种老化条件下20号沥青的抗老化性能均优于30号、50号及70号沥青,而30号、50号及70号沥青2种老化条件下的残留针入度比无明显差异。
从图3标准条件下的软化点增长看,20号、30号及50号沥青的抗老化性能均优于70号沥青,说明低标号沥青的抗老化性能的确优于常用的70号沥青。
从图3非标准条件下的软化点增长看,30号沥青在非标准条件下的软化点增长明显高于标准条件,而70号沥青非标准条件下(老化温度提高10℃,时间减少50%)的软化点增长幅度约为标准条件的50%,说明温度相对于时间对沥青的老化影响更显著,193℃能在短期内造成30号沥青明显老化。
从SBS改性沥青的残留针入度比及软化点变化看,改性沥青的抗老化性能优于基质沥青,但聚合物改性沥青的老化机理与基质沥青明显不同,由于改性沥青中聚合物在高温条件下降解,因此其老化后残留针入度比较高,软化点反而下降。
另一方面,根据老化前后的黏度变化,采用老化指数评价不同沥青的抗老化性能,老化指数越大,说明沥青的抗老化性能越差,老化指数的计算公式如下。
犆=lglg(η0×103)-lglg(ηa×103)
式中:犆为老化指数;η
0
为老化前黏度;η
a
为老化后黏度。
不同沥青在2种老化条件下的老化指数对比见图4。
图4 不同种类沥青老化指数对比
从老化指数结果可见:
1)对于20号及30号沥青,非标准老化条件的严酷程度高于标准条件,其差异主要由温度引
起,说明施工温度达到一定限度以上,即使在短时间内也会对沥青造成明显老化。
2)对于50号、70号及SBS改性沥青,非标准老化条件的严酷程度不及标准条件,其差异主要由时间造成,说明施工温度提高10~15℃,短时间内对沥青老化无显著影响。
综合以上试验结果分析,对于30号及以下低标号沥青,混合料施工过程中,石料的加热温度可与沥青加热温度保持一致或略有提高,以免沥青老化。
对于20号沥青,混合料生产温度不宜超过195℃,30号沥青混合料生产温度不宜超过190
℃,
因此,石料加热温度在沥青加热温度的基础上提高不宜超过15℃,否则易造成石料表面的沥青膜严重老化。
2.3 低标号沥青的施工温度综合以上黏 温曲线及老化试验结果可知,按照黏
温曲线确定低标号基质沥青的施工温度基本是合理的,
能够避免沥青在施工过程中出现过度老化的情况,但需注意的是石料的加热温度较沥青加热温度提高不宜超过15℃,综合考虑现场施工工序及工艺情况,建议30号及以下低标号沥青混合料在拌和阶段的施工温度按表6执行。
表6 低标号沥青混合料的拌和温度
℃
施工工序以下沥青标号对应温度10
20
30
沥青加热温度210~220175~185170~180
矿料加热温度在沥青加热温度基础上提高10~15出料温度
210~230
175~195
170~190
3 结论
本文基于旋转黏度试验及不同条件下的薄膜加热试验研究了低标号沥青的黏度特征及老化特性,
用于确定低标号沥青高模量沥青混合料的拌和温度,结论如下:
1)低标号沥青的针入度等级越低,135℃时
的旋转黏度越高,且随针入度等级下降而急剧增长。
20号沥青在135℃时的旋转黏度为2.0Pa·s,不高于SBS改性沥青,30号沥青135℃时的
旋转黏度不高于1.0Pa·s。
2
)低标号沥青的抗老化性能总体上优于常用的70号沥青,特别是20号沥青,各项老化指标均有一定优势。
3)通过黏
温曲线确定的低标号沥青的施工温度是合理的,用于高模量沥青混合料的20号沥青的加热温度宜控制在175~185℃,30号沥青的加热温度宜控制在170~180℃。
4
)对于低标号沥青混合料,石料的加热温度可与沥青加热温度保持一致或略有提高,提高幅度宜控制在10~15℃范围内。
参考文献
[1] 赵少宗.
改性沥青混合料施工温度确定方法的研究[J].城市道桥与防洪,2019(3):166 172.
[2] 毕飞,
樊亮,周圣杰,等.改性沥青施工温度研究进展[J].合成材料老化与应用,2020,49(5):164 167.[3] 崔华杰,
李立寒,刘栋.高模量沥青混凝土低温抗裂性能研究[J].公路交通科技,2014,31(2):37 41,53.
[4] 张海林.
热氧及紫外老化下硬质沥青与SBS改性沥青多尺度特性对比研究[J].中外公路,2020,40(6):305 310.
[5] 王威,
马德崇,樊长昕,等.硬质沥青老化前后流变分析及高温性能研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2017,36(6):48 52.
[6] 魏明华,
徐洋,吴少鹏,等.高掺量再生钢渣沥青混合料组成与设计研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2022,46(4):671 676.
[7] 杨瑞华,
谭波,陆宏新.硬质沥青混合料抗老化性能研究[J].公路工程,2013,38(2):81 83.
犛狋狌犱狔狅狀犆狅狀狊狋狉狌犮狋犻狅狀犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狅犳犎犻犵
犺犕狅犱狌犾狌狊犃狊狆犺犪犾狋犕犻狓狋狌狉犲狑犻狋犺犔狅狑犘犲狀 犵
狉犪犱犲犅犻狋狌犿犲狀犉犃犖犢狅狌犼犻犪1,犕犈犖犌犎狌犻犾犻狀2,
3,犔犐犝犡犻犪狅犾狅狀犵
1
(1.ZhongDianJianJiJiaoExpresswayInvestmentDevelopmentCo.,Ltd.,Shijiazhuang050090,China;2.HebeiProvincialCommunicationsPlanning,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shijiazhuang0
50091,China;3.ResearchandDevelopmentCenterofTransportIndustryofTechnolog
ies,MaterialsandEquipmentofHighwayConstructionandMaintenance,Shijiazhuang0
50091,China)犃犫狊狋狉犪犮狋:Lowpen gradeasphaltisoneofthemostimportantwaystopreparehighmodulusasp
halt5
412023年第2期
范优甲:低标号沥青高模量沥青混合料施工温度研究
mixture.Basedonthestudyoftheviscosity temperaturecharacteristicsandanti agingpropertiesofthelowpen gradeasphalt,theasphaltheatingtemperature,stoneheatingtemperatureanddischar gingtemperatureinthemixingstageofhighmodulusasphaltmixtureweredetermined.Resultsshowthat,therotationalviscosityof20pen gradeand30pen gradeasphaltat135℃areatthelevelof2.0Pa·sand1.0Pa·s,respectively,andtheagingresistanceoflowpen gradeasphaltisgenerallybet terthanthatofcommonused70pen gradeasphalt.Theconstructiontemperatureoflowpen gradeasphaltdeterminedbyviscosity temperaturecurveisbasicallyreasonable,andtheheatingtemperatureof20pen gradeasphaltshouldbecontrolledat175~185℃,and170~180℃forthatof30pen gradeasphalt.Thestoneheatingtemperatureoflowpen gradeasphaltmixtureshouldbekeptthesamewiththeasphaltheatingtemperatureorslightlyincreased,andtheincreaserangeshouldbecontrolledintherangeof10~15℃.
犓犲狔狑狅狉犱狊:pavementengineering;lowpen gradebitumen;highmodulusasphaltmixture;construc tiontemp
erature
(上接第141页)
2)提高温度可以提高水处理试件和未经水处理试件的弹性模量、拉伸强度和蠕变应变能的比值,可以提高HIR混合料的抗湿性。
3)根据阶段提取试验,较高的温度可以促进乳化沥青再生剂的扩散。
可以提升已老化的沥青黏结剂的黏结性能,提高了沥青混合料的抗裂性和抗湿性。
但高温下流动沥青的含量过多也会导致沥青混合料的抗车辙能力下降。
4)应根据不同的路面条件来考虑就地热再生温度。
对于更容易开裂和水损坏的路面,建议采用较高温度,而对于炎热天气下的路面,建议采用较低的温度。
参考文献
[1] 李俊峰.复拌型就地热再生沥青在高速公路中的应用研究[J].城市道桥与防洪,2022(8):194 197.[2] 谭志兵,徐志祥.二次就地热再生在高速公路沥青
路面养护中的应用[C].武汉:2022世界交通运输大
会,2022.
[3] 秦泉.高速公路养护中复拌就地热再生技术[J].交通世界,2022(32):97 99.
[4] 喇文君.就地热再生技术在沥青公路养护工程中的应用[J].工程建设与设计,2022(13):237 239.[5] 姚玉权,仰建岗,高杰,等.就地热再生沥青混合料的材料组成波动及控制策略[J].材料导报,2022,36
(16):59 68.
[6] 姚童刚,范海军,杨梦,等.“橡胶沥青+Domix”双复合改性沥青路面就地热再生试验研究[J].湖南交通
科技,2022,48(3):38 42.
[7] 刘小强.就地热再生沥青混合料配合比设计:以太原南收费站改造工程为例[J].山西交通科技,2022
(5):27 30.
[8] 陈鹏昌,侯剑楠.就地热再生沥青混合料性能影响研究[J].西部交通科技,2022(9):49 52.
[9] 廖彬,毛元坤.沥青路面就地热再生复拌加铺施工技术[J].交通世界,2022(32):72 74.
6
4
1范优甲:低标号沥青高模量沥青混合料施工温度研究2023年第2期。