18-泡沫温拌沥青混合料Superpave设计方法研究——郑斌峰概要

1、泡沫温拌沥青混合料Superpave设计方法研究郑炳锋2016年03月04日研究背景研究背景p 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

2、、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泡沫温拌沥青混合料质量稳定、节约成本质量稳定、节约成本p 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年份年份沥青混合料沥青混合料总量（总量（万吨）万吨）温拌沥青混合料温拌沥青混合料用量（万吨）用量（万吨）温拌混合料温拌混合料占比（占比（%）20093270019205.9201032700476014.6201136597687018.8201236029867024.120133510010640 30.320143

3、52001138032.32014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倍 美国温拌沥青技术应用现状p 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p 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类别类别（年）（年）200920102011201220132014化学添加剂化学添加剂15%6%3.8%9.6%12.1%15%有机有机添加剂添加剂0.3%1%

4、0.3%0.2%0.7%0.5%其他其他2%1%0.2%2.1%0.3%0机械发泡机械发泡82.7%92%95.7%88.1%86.9%84.5%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。 p 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

5、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。p 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p 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

6、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发泡影响因素发泡影响因素SBS改性沥青改性沥青发泡温度发泡温度150、160、170、180用水量用水量1.5%、2.5%、3.5%、4.5%水温水温10、30、50、70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 灰色关联度分析试验指标试验指标影响因素影响因素灰

7、关联度灰关联度基于发泡膨胀率基于发泡膨胀率计算结果计算结果基于发泡半衰期基于发泡半衰期计算结果计算结果用水量（%）10.588 0.637 沥青温度（）20.605 0.707 水温（）30.565 0.654 l 膨胀率：膨胀率：213 l 半衰期：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从发泡试验数据可以看出，改性沥青发泡半衰期均在30s作作用，均能满足沥青发泡要求。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）相关系数相关系数R2均值均值均方差均方差F-比比p-比比0.9958.4751.

8、5455127.19383.75E-06 改性沥青最大膨胀率二阶数学模型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l 最佳发泡条件：最佳发泡条件：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 马歇尔击实成型拌和方式拌和方式体积指标160135110热拌热拌空隙率（%）4.255.846.91泡沫温拌泡沫温拌空隙率（%）3.654.356.10l 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

9、能研究与环境影响评价 旋转压实成型l 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。拌和方式拌和方式体积指标体积指标160135110热拌空隙率（%）4.114.965.61泡沫温拌再生 空隙率（%）3.534.145.07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l 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

10、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125130p 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。沥青混合料特性设计结果Superpave标准空隙率VV（%）4.04.0矿料间隙率VMA（%）13.013.0饱

11、和度VFA（%）69.06575粉胶比DP1.120.81.6 初始次数压实度（%）84.389.0最大次数压实度（%）97.598.0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 NC

12、HRP 9-44 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。l 压实标准在可接受范围压实标准在可接受范围压实温度压实温度135165达到92%理论压实度的旋转压实次数1412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p 改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料设计 水稳定性检验AASHTO T283级配级配类型类型非条件非条件条件条件劈裂劈裂强度强度比比TSR（%）要求要求（%）空隙率空隙率（%）劈裂强度劈裂强度（MPa）空隙率空隙率（%）劈裂强度劈裂强度（MPa）改性沥青改性沥青Sup-20泡沫泡沫温

13、拌沥青混温拌沥青混合料合料6.70.72076.80.682189.7806.90.73797.00.65746.80.73966.70.6317平均值平均值6.80.73276.80.6571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p 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级配级配类型类型非条件（非条件（0.5h）条件（条件（48h）残留残留稳定稳定度度MS0（%）要求要求（%）空隙率空隙率（%）稳定度稳定度（kN）流值流值（0.1mm）空隙率空隙率（%）稳定度稳定度（kN）流值流值（0.1mm）改性沥改性沥青青Sup-20泡沫泡沫温拌沥

14、温拌沥青混合青混合料料5.513.6428.25.412.0133.289.2855.613.8330.65.612.5533.55.614.0630.35.712.4934.1平均值平均值5.613.8429.75.612.3533.6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p 改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混合料设计 高温稳定性检验级配级配类型类型沥青沥青用量用量（%）动稳定度（次动稳定度（次/mm）变异系变异系数数（%）123平均平均要求要求实测值实测值要求要求改性沥青改性沥青Sup-20泡沫温拌沥青混泡沫温拌沥青混合料合料4.3552658886176586330

15、005.620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试件编号试件编号最大荷载最大荷载（kN）跨中挠度跨中挠度（mm）抗弯拉强抗弯拉强度（度（MPa）劲度模劲度模量量（MPa）破坏应变破坏应变（）要求要求（）11.1920.5029.613636.42643.0250021.0950.4868.963521.82544.231.0460.4778.533416.32497.141.1900.4889.563722.12569.351.0500.4928.533284.12597.861.0440.4888.513303.12576.6平均平均1.1030.4898.9534

16、80.62571.3p 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p 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p 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u寿命周期评估（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TTTTM,EM,EM,E

17、M,EM,E原材料获取原材料生产制造使用寿命结束W,PW,PW,PW,PW,PM-材料E-能源W-废料P-污染T-运输再生再利用改造再生基于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l 能耗测算结果的不确定度在能耗测算结果的不确定度在9%左右，数据质量较高左右，数据质量较高l 碳排放数据不确定度较能耗高，在碳排放数据不确定度较能耗高，在13%左右，但也在左右，但也在可接受范围以内。可接受范围以内。基于LCA泡沫温拌沥青混合料

18、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测试项目测试项目单位单位热拌热拌泡沫温拌泡沫温拌降幅（降幅（%）二氧化碳%2.6161.5氮氧化物mg/m31514073.5一氧化碳mg/m310491.312.2二氧化硫104mg/m3133.374.6烟尘mg/m35.62.5953.8项目项目每吨泡沫温拌沥青混合料节约重油每吨泡沫温拌沥青混合料节约重油/kg温拌节能温拌节能/%实测耗油量1.2118.8%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