温拌沥青混合料的评估

十年前,热拌沥青(HMA)的典型压实温度是275OF。尽管我们都知道我们应当确定等粘滞性压实温度,但单一压实温度一般被用于常用的粘合料等级如AC-20或AC-30。

1994年,高性能沥青路面TM混合料配合比设计体系被引进。该体系的启用重新强调了在实验室中使用等粘滞性拌合与压实温度。在该领域,相关机构越来越重视原密度。对聚合改性结合料的使用也有显著增加。现在常能看到检查员和承包商用红外温度计频繁地检测粗糙面的温度。他们甚至被装上滚轴。所有这些因素都易于增加生产温度。

在多数情况下,承包商应能够降低至少10OF的生产温度而不会产生不良效应。目前的一些状况是由于“如果热比较好,那么更热就会更好”的想法导致的。许多改性剂实际上在约350oF时开始降级(这在极大程度上依赖于改性剂——应当向粘合料生产商咨询清楚特殊的说明)。然而,出于需要更大幅度下降温度的考虑,则需要选择另外一种方法。

生产和摊铺HMA所需要的温度对于减少排放和降低燃料消耗来说都是必需的。来自厄本大学的Mary Stroup-Gardiner博士与Cliff Lange博士已清楚地表明提高生产温度就会导致排放的增加。在一些不合格的地区,因为考虑到排放问题而不能使用深度改性的粘合料级配。近几年来,整个热拌沥青混合料产业越来越xx废气排放和高温生产问题。

国家沥青路面协会(NAPA)的{ldz}了解到了在欧洲用于降低生产温度的{zxj}的技术。并于2002年夏天,组织了一个欧洲考察团以研究与评估这些技术工艺中的三个工艺。他们对沥青工厂进行访问考察,对现场路面施工铺筑,并修建了德国及挪威的一些公路。

在发现该技术的前景后,NAPA开始致力于将这种理念引入美国。这项规划包括NAPA2003年年会上邀请一批欧洲专家,在公路新闻届扩大影响,以及在世界沥青®2004年展示大会上现场示范温拌混合料的铺装。为了解决该技术在美国的环境条件和铺筑实践下的适用性,NAPA与开发该欧洲技术的公司合作,在国家沥青技术中心(NCAT)又开始了一项研究计划。该项研究由产品供应商共同资助,包括xx公路局,NAPA,以及州沥青路面协会。

NAPA考察团在欧洲评估的这三项技术流程已经被投入使用六年了。每个技术流程都降低乐必要压实温度以满足要求的现场密度,如此以来降低了生产温度。依据理论,生产的热拌沥青在质量上应该没有降低。这个三个工艺是:

由Eurovia开发的Aspha-min沸石

由Sasol国际开发的Sasobit

由Shell国际和Kolo Veidekke发开的WAM泡沫材料


沸石是晶体水化钙硅酸盐。可以由xx生成或人工制造。Aspha-min是一种人工制造的沸石材料,以粒状约50的粒度型号售出。Aspha-min沸石,以下称沸石,含有近21%的水。当被加热到100oC到200oC时(212oF至392oF),沸石中的水被释放出来。当水被释放到HMA混合料中,在显微镜下看,水让沥青开始发泡。发泡沥青性能更强,并能使集料涂层置于低温度下且压实性更好。

Aspha-min沸石的推荐加入量为总重的0.3%或每吨6磅。沸石可以通过几种方式被引进沥青工厂。在一次性批处理过程中,沸石可用手工直接添加到搅拌机中或者自动使用一个称量斗。在滚筒装置中,沸石可以通过RAP被添加,然而{sx}的方法是需要一个特制的进料器。校准了的叶片给料机控制着数量,进而材料被空气吹进滚筒中。在奥兰多(Orlando)铺筑公司(图1)的试验区,使用了一个纤维管线同时引入沸石和沥青。



Sasobit是一种高分子量费托(Fischer-Tropsch)合成蜡。钴基蜡是通过煤或天然气原料的钴基合成而生成的。与石蜡不同的是,石蜡会造成{yj}性变形或者车辙问题,钴基蜡实际上被用于降低车辙敏感性。在现场铺筑温度下随着粘度不断增强,Sasobit可以降低沥青热拌时的粘度以及压实温度。Sasobit的添加还提高了结合料的软化点并降低了针入值。在拌合中降低的粘度与压实温度使得压实性得到了提高。Sasobit的添加也许会对粘合料的低温特性有负影响。例如,添加了2.5% Sasobit的PG58-28有可能与PG64-22的等级相当。为了对抗这种效果,Sasol国际开发了一种特制的交叉结合剂,特制剂允许含Sasobit的SBS聚合物的掺入。这种xxx式联合改性剂系统被成为Sasoflex。在国际沥青技术研究中心(NCAT)正在进行的试验中,4%的Sasoflex被添加到PG64-22以生成PG76-22,其低温等级不变。

Sasobit或Sasoflex的添加并不要求高抗剪混合。它可以在终端混合或者在灌装车循环过程中被混合。在欧洲,Sasobit通过熔炉中的液体定量给料被直接添加到拌合车间的搅拌机中。

温拌沥青混合料(WAM)发泡是运用了沥青粘合料的一种二级添加剂的过程。在{dy}阶段,集料被一层非常软的粘合料覆盖,这种软性粘合料可被称为通量。该软性粘合料的特性控制着混合料拌合与压实的{zd1}温度。然后同时添加稍硬的粘合料与极少量的水。水发泡了硬性沥青,让膨胀的粘合料覆盖住集料并在压实过程中改进了可使用性。软性沥青与发泡硬性沥青的化合特性应当满足该项目指定的性能等级。

温拌沥青混合料的发泡需要至少两个容器以储存两种不同等级粘合料以及两种加热了的沥青品系到混合室中。硬沥青沥青生产线需要一个特殊的喷嘴以引入少量的水来发泡沥青。

尽管所有这三种程序已经成功地被应用到欧洲,但是典型的欧洲与美国铺装实践的不同有可能造成一些性能问题。在欧洲批处理过程比滚筒装置更普遍。欧洲生产率低于美国。在某些情况下,欧洲的铺装(特别是在德国)被允许在开放交通前固化。

被xx的主要问题之一是关于如何快速恢复交通。如果温拌沥青添加剂改进了施工性能,那么该施工性能何时发挥殆尽?如果在路面仍然温热温度超过140oF时恢复交通,路面是否易受到车辙损害?针对这个问题以及其他的相关问题,进行了一项试验,应用于评估这些产品。试验方案包括以下评估:

压实性

随时间变化的强度提高(固化)

回弹模量

车辙敏感性

湿度敏感性

 

{dy}阶段包括现场试验后的实验室评估。到目前位置,实验室阶段已经完成了Aspha-min沸石的评估,而正在进行Sasobit产品的评估。

实验室研究使用了两种集料来源,花岗岩和石灰石,两种都是粗级配12.5mm的标称、{zd0}集料尺寸的高性能沥青路面混合料。而也使用了两种不同原料来源的两种结合料等级,PG58-28和PG64-22。运用了沸石或Sasobit生产的温拌沥青混合料被对照来控制没有任何添加剂的混合料。PG76-22也是用Sasoflex生产的。

在实验室中很难模仿现场压实。研究表明在高性能沥青路面旋转压实机(SGC)中被压实的样品的密度对压实温度并不十分敏感。为了评估压实性,样品被放入SGC以及铺装技术的振动压实机中压实。样品在300,265.230和190oF时被压实。样品在高于要求压实温度的35oF时被混合,然后在压实前在要求的压实温度下固化两小时。

对照物和沸石混合料,SGC对压实温度


 

并不敏感,在所有四种温度下概略地产生了相同的空隙。对于一种指定的集料、粘合料,以及约0.4到1.0%的温度组合,沸石的添加降低了在SGC样品中的空隙率。尽管这会表明设计沥青含量的减少,但在振动压实机中被压实的样品的沥青含量与没有任何添加剂的对照混合料保持一样。

每种添加剂,集料以及粘合料组合的六个样品在振动压实机中四种压实温度下被压实。平均来讲,即使降到了190oF的压实温度下,沸石的添加降低了样品0.65%的空隙率。在低至265oF的温度下,与PG64-22对照混合料比较,用Sasoflex改性后的PG76-22粘合料生产的样品展示了改进的压实性。

现场试验是由Orlando铺装公司于2004年2月使用了Aspha-min沸石的情况下指导进行的,该公司是Hubbard建筑公司的分公司。在这个试验中,同一的混合料被放置在有沸石和无沸石的情况下。尽管在砂浆底层后含有沸石的混合料温度低了60oF(254vs314oF),但还是达到了原密度的相同水平。

之后在振动压实机中被压实的样品进行回弹模量以及车辙敏感性的测试。对于一种制定的集料、粘合料等级以及压实温度,在用和没用沸石生产的不同混合料之间其回弹模量没有不同。回弹模量的确降低了压实温度。这被认为是由于结合料的老化衰减造成的。针对Sasobit混合料的回弹模量试验还没有完成。

混合料的车辙敏感性在64oC(147.2oF)下沥青路面分析仪(APA)中进行评测。图2展示了花岗岩混合料的一些试验结果。统计分析表明是否含有沸石的混合料的车辙敏感性没有不同。到目前为止对于已完成的有限的样品来说,Sasobit的添加改进了车辙敏感性。与回弹模量测试相似,随着降低的混合与压实温度,车辙敏感性有所提高。



这一情况被再次认为是由于结合料的老化衰减造成的。分别在原始粘合料以及旋转薄膜烘箱(RTFO)残留物上进行了性能分级的粘合料的刚度的测试。模拟现场老化情况,RTF残留物在325oF下老化了75分钟。RTFO残留物的刚度要求从原始粘合料的1.0kPa增长至RTFO残留物的2.2kPa。如果该老化并没有发生,粘合料将不会如此坚硬且也许更易受车辙效应的影响。这可以通过明确说明一个更硬的粘合料来更正。

为了评估在恢复交通前是否需要“固化”时间,那么问题就回到了铺装上,进行了一项强度提高的试验。在确定混合料的间接抗拉强度之前,将含和不含沸石的样品进行了不同时间长短的老化。间接抗张强度对粘合料的刚度敏感,因此如果发泡粘合料没有固化或者如果Sasobit有剩余效力,那么它将降低该抗张强度。没有观察到对照物混合料与添加了沸石的混合料之间有什么不同。

强度提高试验还没有使用Sasobit混合料,但从德国的现场数据表明应该没有问题。Sasobit正在用于法兰克福机场的重新铺砌。24英寸厚热拌沥青被置于7.5小时的窗区。之后跑道在185oF下对喷气式飞机重新开放。

针对温拌沥青一定要考虑水敏感性。如果因为较低的生产温度而集料不是干燥的,当把集料覆盖于沥青上,水损害可能性就会增加。在250oF下生产的对照混合料(无添加剂)与湿集料之间的试验,与在常规温度下用绝干集料生产的样品比较,显示了降低的抗张强度比值与可视的粘附失效。在这些试验中不包括抗剥落剂。

到目前为止所评测的两种温拌沥青添加剂(Aspha-min沸石与Sasobit)的实验室性能的表现非常有前景。使用了Aspha-min沸石的三个美国现场试验已经完成,包括其中一个是在“沥青世界”2004年的展会。在美国运用了Sasobit作为压实辅助物的几个商业项目已经完成。当使用温拌沥青添加剂时,需要考虑到粘合料降低的老化情况以及集料的干燥。但是看起来,温拌沥青添加剂仍然具有未来前景。

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