低碳沥青及低碳沥青混合料性能的测定方法

摘要

本发明属于公路与城市道路领域，具体涉及一种低碳沥青及低碳沥青混合料性能的测定方法。分别计算出不同温度下击实成型的马歇尔试件的毛体积密度，采用低碳沥青及低碳沥青混合料的最大毛体积密时的拌和与击实温度作为低碳沥青混合料的拌和与压实温度；低碳沥青及低碳沥青混合料的老化性能测定：按照规程准备沥青试样，测定沥青试样薄膜加热试验前的针入度、粘度、软化点及延度等性质；将烘箱调整水平，使转盘在水平面上以一定速度旋转，温度计位置距转盘中心和边缘距离相等，在烘箱达到120℃后，将盛样皿放入烘箱内的转盘上，使烘箱内温度回升至120℃时开始计时，并保持该温度。老化完成后，测定低碳沥青试样的针入度、粘度、软化点及延度等性质。本发明通过两种性能的基本检测，可以较客观的评价低碳沥青和低碳沥青混凝土的基本性能，确保设计的低碳沥青混凝土性能能够满足国家现行规范的要求。

说明书

技术领域

本发明属于公路与城市道路领域，具体涉及一种低碳沥青及低碳沥青混合料性能的测定方法。

背景技术

低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。低碳经济的核心是通过能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新从而引起人类生存发展观念的根本性转变。

“低碳经济”提出的大背景，是全球气候变暖对人类生存和发展的严峻挑战。随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题不断地为人们所认识，不止是烟雾、光化学烟雾和酸雨等的危害，大气中二氧化碳浓度升高带来的全球气候变化也已被确认为不争的事实。

而目前，道路建设中的沥青路面基本上都采用的是传统的热拌沥青混合料HMA(HotMixture Asphalt)。HMA是一种热拌热铺沥青混合料，它是将沥青从常温加热到140℃左右，矿料从常温加热到160～180℃，然后再将沥青和矿料于160℃的高温下进行拌和，拌和后的HMA温度不低于150℃。将沥青和矿料加热到如此高的温度，不仅要消耗大量的能源，而且在生产和施工的过程中还会排放出大量的废气和粉尘，严重影响周围的环境质量和施工人员的身体健康。有资料显示：日本1996年国内道路建设共排放二氧化碳776万吨，其中绝大多数是在制造沥青混合料时产生的。而中国也是温室气体的排放大国，近年来道路建设的快速发展使得生产沥青混合料时的二氧化碳排放量急剧增加。据有关试验测试：在生产沥青混合料的过程中，每生产1吨热拌沥青混凝土需消耗8L燃料油，当混合料拌和温度为130℃时，生产每吨沥青混合料将排放15.9kg二氧化碳，且温度每升高10℃，每吨混合料将多产生0.9Kg的二氧化碳排放量。

而在沥青中直接加入低碳剂或在沥青混合料拌和过程中加入低碳剂，降低沥青混合料的拌和温度及铺筑温度，单位产量的燃油消耗减少，可以达到减少二氧化碳排放和降低能源消耗的目的。据相关试验数据显示：加入低碳剂后，生产沥青混合料的二氧化碳排放量可以降低40％～50％。

本发明所述的低碳剂是指一种能够降低沥青或沥青与集料的粘度，在沥青混合料拌和过程中，在胶结料和集料之间形成润滑结构，从而降低了沥青混合料的拌和温度与施工温度的物质，从而降低二氧化碳的排放量。它是包括选自下列的至少一种成分(但不限定于)：衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪咪唑啉、衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪酰亚胺基胺、松香酸、富马酸和马来酸酐组成，并与聚亚烷基多胺反应得到的液体物质；或者不饱和C12～C24季胺；丹宁酸的胺衍生物；酚醛树脂的胺衍生物；木质素的胺衍生物；胺改性的聚丙烯酸酯；或者长链脂肪族烃的固体物质，其分子链长度为40～115个碳原子范围；及其组合。

由于在沥青或沥青混合料中加入低碳剂，使得沥青与沥青混合料的性能较普通沥青与沥青混合料有较大差别。如根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)的要求，普通沥青混合料拌和压实温度宜采用粘温曲线的方法来确定。用这种方法来测量低碳沥青的粘度，会出现无法测量或者得出的低碳沥青拌和、压实温度过高等情况，而过高的拌和压实温度会引起低碳沥青的老化、环境和生产安全等问题。

另一方面，在沥青中加入低碳剂或在沥青混合料拌和过程中加入低碳剂，有效的降低了沥青混合料的拌和温度与施工温度。《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)规定的沥青的老化温度为针对普通沥青，已不适用于低碳沥青，需重新评定低碳沥青的老化温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低碳沥青及低碳沥青混合料性能的测定方法。

本发明提出的低碳沥青及低碳沥青混合料性能的测定方法，它包括低碳沥青及低碳沥青混合料的拌和和压实温度、老化性能的测定，具体步骤如下：

(一)低碳沥青及低碳沥青混合料的拌和和压实温度的测定，采用低碳沥青混合料的最大毛体积密度对应的温度作为最佳拌和温度，具体如下：

(1)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中规定的击实方法制作不同的标准马歇尔试件，采用的拌和温度为100℃-140℃；

(2)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中规定的表干法测定步骤(1)所制作的不同的标准马歇尔试件；

(a)除去各个标准马歇尔试件表面的浮粒，称取干燥马歇尔试件的空中质量(m_a)；

(b)将网篮浸入溢水流箱中，调节水位，将天平调平或复零，把马歇尔试件置于网篮中(注意不要晃动水)浸水中3min～5min，称取马歇尔试件在水中质量(m_w)；

(c)从水中取出马歇尔试件，擦去马歇尔试件的表面水(不得吸走空隙内的水)，称取马歇尔试件的表干质量(m_f)；

(d)计算马歇尔试件的毛体积密度：

${\rho }_f=\frac{m_a}{m_f-m_w}\times {\rho }_w$

式中：ρ_f-——用表干法测定的试件毛体积密度，g/cm³；

ρ_w——常温水的密度，≈1g/cm³。

(3)分别计算出不同温度下击实成型的马歇尔试件的毛体积密度，即可得到相应的低碳沥青混合料的拌和与压实温度；改用低碳沥青混合料的最大毛体积密度对应的温度做为最佳拌和温度，取代沥青的粘温曲线中(0.17±0.02Pa·s)对应的温度作为拌和温度，切合现场试验的实际情况。

(二)低碳沥青及低碳沥青混合料的老化性能测定，采用低碳沥青及低碳沥青混合料的老化温度为120℃，具体如下：

(1)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)规程准备沥青试样，分别盛取50g±0.5g低碳沥青放在盛样皿中，并形成沥青厚度均匀的薄膜，放入干操器中冷却至室温后称取质量，准确至1mg。按同样方法，测定沥青试样薄膜加热试验前的针入度、粘度、软化点及延度等性质；

(2)将烘箱调整水平，使转盘在水平面上以5r/min±1r/min的速度旋转，转盘与水平面倾斜角不大于30°，温度计位置距转盘中心和边缘距离相等，在烘箱达到120℃后，将盛样皿放入烘箱内的转盘上，并关闭烘箱门和开动转盘架；使烘箱内温度回升至120℃时开始计时，连续5h并保持温度120℃。老化完成后，测定低碳沥青试样的针入度、粘度、软化点及延度等性质。

本发明提出改用低碳沥青混合料的最大毛体积密度对应的温度作为较佳拌和温度，取代沥青的粘温曲线中(0.17±0.02Pa·s)对应的温度作为拌和温度，更加切合现场试验的实际情况，可有效避免低碳沥青粘温曲线的失真性。

为了更好反映低碳沥青混合料的拌和温度对低碳沥青老化性能的影响，本发明提出低碳沥青的老化温度设定为120℃。

通过以上两种性能的基本检测，可以较客观的评价低碳沥青和低碳沥青混凝土的基本性能，确保设计的低碳沥青混凝土性能能够满足国家现行规范的要求。

附图说明

图1为表干法测试马歇尔毛体积密度装置。

图中标号：1为天平；2为马歇尔试件；3为网篮；4为滋流水箱；5为水位搁板；6为注人口；7为放水闸门。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

1、低碳沥青的拌和温度测定

拌和与压实温度是沥青混合料配比设计和质量控制的重要影响因素，直接影响着沥青混合料配比设计结果、沥青路面施工质量和路用性能。《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)普通沥青混合料拌和压实温度宜采用粘温曲线的方法来确定，如用这种方法来确定，得出的低碳沥青混合料拌和、压实温度往往过高，过高的拌和压实温度会引起低碳沥青的老化、环境和生产安全等问题。

下面通过实例进一步说明本发明。选择一种传统的骨架密实结构的AC-13型混合料作为样本。胶结料为70#基质沥青，低碳剂为A、B两种。

1)低碳沥青混合料配合比设计

沥青混合料配合比设计是采用马歇尔试验进行配合比的方法，适用于密级配沥青混凝土及沥青稳定碎石混合料。

(1)级配设计

为了使低碳沥青混合料更具有代表性和便于比较，本论文采用AC-13级配进行试验，级配类型如下表所示。

表1 AC-13级配

(2)最佳沥青用量确定

按照我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)规定，确定AC-13的油石比，初选五组油石比4％、4.5％、5％、5.5％、6％，按照表1所示的矿料级配AC-13配制混合料分别测试各试件的马歇尔指标，如表2和表3所示。

表2 70#基质沥青+低碳剂A的AC-13混合料马歇尔指标表

  油石比  表干密度  空隙率  沥青饱和度  矿料间隙率  稳定度  流值  (％)  (g/m³)  (％)VV  (％)VFA  (％)VMA  (kN)MS  FL  4.0  2.478  4.61  14.42  67.43  11.30  3.50  4.5  2.498  3.62  14.71  74.83  10.25  4.73  5.0  2.488  3.40  15.60  77.78  10.52  4.73  5.5  2.481  3.22  16.49  79.99  8.84  4.87  6.0  2.471  3.25  17.57  81.38  8.10  4.89

表3 70#基质沥青+低碳剂B的AC-13混合料马歇尔指标表

  油石比  表干密度  空隙率  沥青饱和度  矿料间隙率  稳定度  流值  (％)  (g/m³)  (％)VV  (％)VFA  (％)VMA  (kN)MS  FL  4.0  2.471  4.98  14.65  66.26  11.62  3.43  4.5  2.508  3.73  14.75  74.51  11.01  3.56  5.0  2.490  3.41  15.57  77.73  10.32  4.39  5.5  2.479  3.09  16.39  80.75  8.94  5.36  6.0  2.465  2.96  17.27  82.57  8.05  5.05

70#基质沥青+低碳剂A的AC-13混合料与70#基质沥青+低碳剂B的AC-13混合料的毛体积密度都有明显的峰值，且峰值都出现在油石比4.5％处左右，稳定度也都有明显的峰值。

通过以上试验数据的综合分析得出，确定70#基质沥青+低碳剂A的AC-13混合料最佳油石比为4.7％，70#基质沥青+低碳剂B的AC-13混合料最佳油石比为4.6％。

2)低碳沥青混合料拌和温度测定

用表干法分别测试两种低碳沥青混合料在不同温度下压实成型混合料试件的毛体积密度。

表4不同沥青混合料的拌和与压实温度

由上表可以看出，70#基质沥青+低碳剂A的AC-13混合料与70#基质沥青+低碳剂B的AC-13混合料的最大毛体积密度相对应的拌和温度是120℃，压实温度是115℃左右，其对应的空隙率也是最小的。

确定合理的压实温度的主要目的是为了获得较佳的压实效果，同时不会对沥青造成不利影响，通过采用马歇尔击实仪对几组不同低碳沥青混合料在不同的拌和与压实温度下进行马歇尔试验，并确定低碳沥青混合料的最大毛体积密时的拌和与压实温度作为低碳沥青混合料的较佳拌和与压实温度，是可行的。

2、低碳沥青的老化性能测定

1)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)规程准备沥青试样方法制备沥青试样，分别盛取50g±0.5g低碳沥青放在盛样皿中，并形成沥青厚度均匀的薄膜。放入干操器中冷却至室温后称取质量，准确至1mg。同时按规定方法，测定沥青试样薄膜加热试验前的针入度、粘度、软化点及延度等性质。

表5 70#基质沥青+低碳剂A的混合沥青性能

2)把烘箱调整水平，使转盘在水平面上以5r/min±1r/min的速度旋转，转盘与水平面倾斜角不大于30°，温度计位置距转盘中心和边缘距离相等。在烘箱达到120℃后，将盛样皿迅速放入烘箱内的转盘上，并关闭烘箱门和开动转盘架；使烘箱内温度回升至120℃时开始计时，连续5h并保持温度120℃。老化完成后，测定低碳沥青试样的针入度、粘度、软化点及延度等性质。

表6老化后70#基质沥青+低碳剂A的混合沥青性能