泡沫温拌沥青混合料Superpave设计方法研究

,泡沫温拌沥青混合料Superpave设计方法研究,郑炳锋2016年03月04日,研究背景,国民经济社会发展第十二个五年纲要明确要求建设资源节约型、环境友好型社会,使用节能技术、材料的项目占公路建设项目的比例达到100%，干线公路温拌沥青占沥青混合料用料量的比例达到10%。,研究背景,温拌沥青技术介绍,施工温度比热拌降低2030。减少烟气排放（30-90%）提高空气质量和工作环境减少能源/燃料消耗（约20%）节约费用提高路面的压实性能容易压实、延长施工季节减小施工中的老化/氧化路面更耐久提高再生料的用量（RAP）经济性,研究背景,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,1、添加剂类温拌技术,化学添加剂,有机添加剂,1、表面活性剂降粘，实现温拌2、质量检验标准不完善3、有一部分水，对拌合楼生产、混合料性能存在可能的不利影响4、增加施工造价,1、有机蜡类降粘，实现温拌2、产品种类繁多3、质量检验标准不完善4、增加施工造价,2、泡沫温拌沥青技术,1、机械发泡，实现温拌2、生产方便、高效、快速3、美国大量使用4、国内处于起步阶段,泡沫温拌沥青混合料质量稳定、节约成本,温拌沥青技术分类,研究背景,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,2014年美国温拌沥青混合料占其总沥青混合料用量的32.3%2009年2014年，美国温拌沥青混合料用量增加了4.9倍,美国温拌沥青技术应用现状,温拌沥青技术应用现状,研究背景,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,温拌沥青技术应用现状,2014年美国机械发泡温拌技术应用占其总温拌沥青技术的比例为84.5%2009年2014年，美国机械发泡温拌技术应用比例远超其他温拌技术,泡沫温拌技术应用现状,研究背景,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,减少烟气排放3090%，提高空气质量，改善作业环境。减少能源（燃料）消耗20%左右，节约了施工成本。不需要添加剂，仅需沥青质量12%的水，具有较好的经济性。路面施工和易性增强，路面更易压实，且受施工季节影响减少。降低拌合温度，减少了沥青的瞬时老化，铺筑路面耐久性更好。,泡沫温拌沥青技术优势,研究背景,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,（1）大多数研究成果及温拌技术指南，局限于表面活性温拌技术、有机添加剂类，缺乏泡沫温拌沥青混合料的机理研究。（2）国内大部分温拌沥青混合料仍然沿用热拌沥青混合料的设计方法。现在温拌沥青混合料最重要的问题是缺乏适用于泡沫温拌沥青技术的通用的混合料设计方法，缺少针对性的性能验证方法。（3）国内外研究者很少对泡沫温拌沥青混合料的裹附性能和流变性能进行研究，以及对泡沫温拌混合料的长期性能变化缺乏研究。（4）节能环保评价不足，对泡沫温拌尚缺节能减排效益的深入细致研究。,泡沫温拌存在问题,改性沥青发泡机理研究,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,泡沫温拌沥青工艺介绍,整个过程沥青的化学性质没有发生改变，只是物理性质的暂时改变，使沥青混合料拌和温度比热拌沥青混合料降低2030。将少量的水加入到热沥青中，热沥青与冷水表面发生能量交换，将水滴加热至100，水分蒸发，并且水蒸气包裹在沥青中。沥青膨胀发泡，沥青体积暂时增大，粘度下降，提高混合料和易性能和可压实性能。,拌合站沥青发泡装置,沥青发泡管与拌缸连接,远程控制装置,改性沥青发泡机理研究,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,正交试验安排多因素试验，寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。较全面试验减少工作量选用正交表L16（45）,改性沥青发泡参数选取,改性沥青发泡机理研究,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,灰色关联度分析,膨胀率：213沥青温度对发泡膨胀率影响最为显著，用水量次之半衰期：从发泡试验数据可以看出，改性沥青发泡半衰期均在30s作用，均能满足沥青发泡要求。,改性沥青发泡机理研究,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,发泡参数模型建立（试验采用5%的显著性水平）,改性沥青最大膨胀率二阶数学模型,改性沥青发泡机理研究,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,响应曲面分析,最佳发泡条件：沥青加热温度165、最佳用水量3%、加水温度30。,泡沫温拌沥青混合料成型方法对比分析,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,马歇尔击实成型,结合空隙率指标，泡沫温拌沥青混合料的压实温度不得低于135，热拌沥青混合料达到同等空隙率的压实温度为160,泡沫温拌沥青混合料成型方法对比分析,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,旋转压实成型,以空隙率为评价指标，热拌沥青混合料在160可以达到设计要求，泡沫温拌沥青混合料在135时基本可以达到同等水平。,泡沫温拌沥青混合料成型方法对比分析,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,马歇尔压实与旋转压实的对比,旋转压实混合料的空隙率随温度变化幅度较小，也就是说旋转压实成型对温度的变化不如马歇尔成型敏感,泡沫温拌沥青性能验证,实验室制备泡沫温拌沥青混合料的方式维特根沥青发泡设备：WLB10S型发泡试验机拌和方式1：先将沥青发泡到一个空容器中，然后在立式拌合锅中与热集料进行拌和拌和方式2：以一定的发泡速度直接将沥青喷入到卧式拌合锅中，与热集料进行拌合混合料制备温度控制：比相应的热拌沥青混合料降低30集料加热温度145混合料拌和温度140混合料成型温度控制在125130,改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料设计,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,采用superpave沥青混合料设计方法进行配合比设计，性能验证也以旋转压实试件为主，马歇尔击实试件为辅。,配合比为1#：2#：3#：4#：矿粉=26.0%：34.0%：9.0%：30.0%：1.0%，沥青用量为4.3%，,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,裹附性能验证沥青膜的憎水性能，用裹有沥青膜的集料吸水率来评判集料表面沥青裹附状况。,泡沫温拌沥青混合料中发泡用水量为3%的泡沫沥青较其他两种用水量相比，其与集料的裹附指数最高，裹附性能最好，即验证了泡沫沥青最佳用水量选取3%的合理性。,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,和易性评价（验证泡沫沥青的技术可行性）用旋转压实成型试件过程中的剪应力来评价混合料碾压过程中的和易性，剪应力越小，说明混合料越容易压实。,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,可压实性评价（验证泡沫温拌的降温效果）借鉴美国NCHRP9-44的研究成果，对于具有降温效果的沥青混合料采用降温压实比R来对降温效果进行评价。建议的压实标准为旋转压实比率小于或等于1.25。,达初始压实度的压实次数比（降温压实比R=14/12=1.17），能够满足1.25的要求压实标准在可接受范围,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料设计,水稳定性检验AASHTOT283,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料设计,水稳定性检验浸水马歇尔稳定度,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料设计,高温稳定性检验,泡沫温拌沥青性能验证,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料设计,低温抗裂性能,项目实例,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,工程应用徐州G104养护工程,改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料,沥青发泡条件发泡用水量3%、发泡温度160度温度控制集料加热温度150度混合料拌和温度145度现场摊铺温度130度,项目实例,工程应用徐州G104养护工程,基于LCA泡沫温拌沥青混合料环境影响评价,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,寿命周期评估（LCA）生命周期评价（LCA）、“生命周期分析”、“生命周期方法”、“摇篮到坟墓”、“生态衡算”等,基于LCA泡沫温拌沥青混合料环境影响评价,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,基于LCA泡沫温拌沥青混合料环境影响评价,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,温拌沥青与热拌沥青的能耗比较,温拌沥青与热拌沥青的碳排放比较,泡沫温拌沥青混合料能耗排放水平最低能耗测算结果的不确定度在9%左右，数据质量较高碳排放数据不确定度较能耗高，在13%左右，但也在可接受范围以内。,基于LCA泡沫温拌沥青混合料环境影响评价,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,基于LCA泡沫温拌沥青混合料环境影响评价,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,结论与创新点,泡沫温拌沥青混合料性能研究与环境影响评价,（1）结合正交试验、灰色关联分析法，对改性沥青的发泡参数建立二阶数学模型，再用三维曲面对该二阶数学模型进行拟合，对发泡参数进行响应曲面分析，选取SBS改性沥青发泡最佳条件为发泡温度165，最佳用水量为3.0%，加水温度采用常温水30。（2）对泡沫温拌沥青混合料分别进行裹覆性评价试验、和易性评价试验、压实性评价试验，验证了泡沫温拌沥青混合料相应技术标准