溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計中若干問題的試驗探究

王飛，李立寒

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點試驗室，上海201804)

溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計中若干問題的試驗探究

王飛，李立寒

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點試驗室，上海201804)

基于熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計方法，以等體積參數(shù)為設(shè)計原則，進(jìn)行溫拌瀝青混合料的配合比設(shè)計，探討溫拌瀝青混合料的合理施工溫度、溫拌劑摻量、瀝青混合料理論最大密度計算的修正方法等瀝青混合料配合比設(shè)計時存在的問題。試驗研究結(jié)果表明，溫拌瀝青混合料體積參數(shù)取決于溫拌劑摻量、拌合溫度等，為了保證溫拌瀝青混合料具有與相同組成熱拌瀝青混合料相同的性能，應(yīng)在體積參數(shù)相等的設(shè)計原則下，確定溫拌瀝青混合料的施工溫度;在計算溫拌瀝青混合料體積參數(shù)時，不能忽略溫拌劑對混合料理論最大密度的影響。

溫拌瀝青混合料;配合比設(shè)計;溫拌劑;施工溫度;理論最大密度

溫拌瀝青混合料WMA技術(shù)，概括來說是指施工操作溫度介于熱拌瀝青混合料HMA和常溫拌和混合料CMA之間的瀝青混合料生產(chǎn)技術(shù)。溫拌技術(shù)的核心是采用物理或化學(xué)手段，實現(xiàn)瀝青混合料在明顯更低的施工溫度下(比同材料組成的熱拌瀝青混合料施工溫度低30℃～60℃)具有施工可操作性，并具有與同材料組成的熱拌瀝青混合料相同的路用性能，所采用的物理和化學(xué)手段不應(yīng)對瀝青路面的使用性能構(gòu)成負(fù)面影響［1－3］。

目前，溫拌瀝青混合料的配合比設(shè)計往往是根據(jù)溫拌技術(shù)提供方建議的參考溫度對混合料進(jìn)行拌和，然后采用馬歇爾設(shè)計方法確定溫拌瀝青混合料的最佳油石比［4］。采用這種設(shè)計方法存在的問題是，由于WMA的拌合溫度并非最佳拌合溫度，為了達(dá)到目標(biāo)體積參數(shù)(空隙率)，WMA混合料的設(shè)計油石比可能高于或者低于同材料組成的熱拌瀝青混合料的設(shè)計油石比，從而使得WMA混合料性能偏離熱拌瀝青混合料性能。本文基于熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計方法，以等體積參數(shù)為設(shè)計原則，進(jìn)行溫拌瀝青混合料的配合比設(shè)計，即在同材料(集料、瀝青、級配類型)組成下，WMA的油石比應(yīng)與HMA相同且體積參數(shù)相同。以DAT表面活性原理的溫拌技術(shù)為例，探討WMA的合理施工溫度、溫拌劑摻量、瀝青混合料理論最大密度計算的修正方法等瀝青混合料配合比設(shè)計時存在的問題，為WMA的應(yīng)用技術(shù)提供建設(shè)性意見及基礎(chǔ)資料。

1 試驗材料與試驗

1.1 試驗材料

試驗用瀝青為SBS(I－D)改性瀝青;粗集料為輝綠巖集料，細(xì)集料為石灰?guī)r集料，礦粉由石灰?guī)r加工得到;纖維為木質(zhì)素纖維。

試驗瀝青混合料類型為SMA－13，級配組成見表1，采用SBS改性瀝青拌制。試驗混合料的配合比設(shè)計采用馬歇爾設(shè)計方法［5］，混合料拌合溫度180℃。試驗混合料的配合比設(shè)計結(jié)果見表2。

表1 礦質(zhì)混合料的設(shè)計級配

試驗溫拌瀝青混合料采用表面活性技術(shù)拌制，溫拌劑為DAT表面活性劑，根據(jù)資料［6］，該溫拌劑建議摻量為瀝青質(zhì)量的1/9，可以降低瀝青混合料施工溫度30℃～60℃。

表2 熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計表

1.2 試驗設(shè)計

分別取溫拌劑與SBS改性瀝青的質(zhì)量比為1/12，1/9和1/6制備瀝青膠結(jié)料，采用動態(tài)剪切流變儀，在50℃，60℃及70℃下，測試添加DAT表面活性劑前后的SBS改性瀝青的粘度，分析溫拌劑殘留物對瀝青膠結(jié)料粘結(jié)性能的影響，探討溫拌劑的合理摻量。

采用馬歇爾擊實儀成型溫拌瀝青混合料，擊實次數(shù)為50次/每面。分別取溫拌劑與SBS改性瀝青的質(zhì)量比為1/12，1/9和1/6，在160℃下成型瀝青混合料試件;取溫拌劑與SBS改性瀝青的質(zhì)量比為1/9，在拌合溫度110℃，130℃和150℃下成型瀝青混合料試件。綜合分析溫拌劑摻量、拌合溫度對瀝青混合料試件體積參數(shù)的影響。

2 溫拌劑摻量的確定

2.1 溫拌劑摻量對瀝青膠結(jié)料性能的影響

SBS改性瀝青、不同DAT表面活性劑摻量下SBS改性瀝青的動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果見表3。由表3可見，當(dāng)試驗溫度為50℃時，溫拌劑殘留物可以提高SBS改性瀝青的粘度;當(dāng)試驗溫度提高至60℃時，溫拌劑殘留物對SBS改性瀝青的粘度幾乎沒有影響;當(dāng)試驗溫度達(dá)到70℃時，溫拌劑殘留物將降低SBS改性瀝青的粘度。這個試驗結(jié)果表明，在60℃以下，DAT殘留物對SBS改性瀝青幾乎沒有不利影響，而當(dāng)溫度高于60℃時，尤其是摻量較高時，DAT殘留物可能會降低SBS改性瀝青的粘結(jié)性能。因此，建議該溫拌劑摻量與瀝青的質(zhì)量比例為1/9。

表3 動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果

2.2 溫拌劑摻量對瀝青混合料體積參數(shù)的影響

在160℃的拌合溫度下，采用不同劑量的溫拌劑制備瀝青混合料，然后成型馬歇爾試件，計算瀝青混合料的理論最大密度，測試試件的毛體積密度，計算試件的空隙率，結(jié)果見圖1。由圖1可見，在相同的拌合溫度下，溫拌瀝青混合料試件的空隙率是隨著溫拌劑摻量的增加而降低的，當(dāng)溫拌劑與瀝青的質(zhì)量比由1/12增加至1/6時，溫拌瀝青混合料的空隙率由5%降低至3.7%;當(dāng)溫拌劑摻量與SBS改性瀝青的質(zhì)量比高于1/9時，瀝青混合料試件空隙率的降低幅度減小，根據(jù)第2.1小節(jié)中的分析溫拌劑摻量過高，會導(dǎo)致瀝青粘度的降低，不利于瀝青路面的路用性能。

圖1 瀝青混合料試件空隙率與溫拌劑摻量的關(guān)系

3 溫拌瀝青混合料的理論最大密度

分別成型熱拌瀝青混合料與溫拌瀝青混合料的馬歇爾試件，兩者集料質(zhì)量及瀝青用量均相同，但在溫拌瀝青混合料中加入瀝青質(zhì)量1/9的DAT表面活性添加劑(7.68 g)。

成型試件的質(zhì)量稱量結(jié)果見表4。由表4可見:溫拌瀝青混合料試件平均質(zhì)量為1 152.8 g，熱拌瀝青混合料試件平均質(zhì)量為1 146.4 g。兩者質(zhì)量相差6.4 g，說明大部分的溫拌劑殘留于瀝青混合料之中。因此，在計算溫拌瀝青混合料理論最大密度時，應(yīng)該將溫拌劑作為其組成部分計算在內(nèi)。在溫拌瀝青混合料組成設(shè)計時，不能照搬其對應(yīng)的熱拌瀝青混合料理論最大密度，否則將影響混合料體積參數(shù)的計算結(jié)果。

表4 WMA與HMA試件質(zhì)量稱量結(jié)果

以最佳油石比6.2%的SBS改性瀝青SMA－13混合料為例，分別計算未考慮溫拌劑與考慮溫拌劑影響的瀝青混合料理論最大密度，其中纖維用量為礦料質(zhì)量的0.3%，DAT表面活性劑為SBS改性瀝青質(zhì)量的1/9。合成礦料的有效相對密度為2.749，SBS改性瀝青相對密度為1.038，纖維相對密度為1.500，DAT表面活性劑相對密度為1.015。

式中:ρ1——未考慮溫拌添加劑的瀝青混合料相對最大理論密度;

ρ2——考慮溫拌添加劑的瀝青混合料相對最大理論密度。

由計算可知，未考慮溫拌添加劑計算所得的瀝青混合料相對理論最大密度比考慮了溫拌劑計算所得的瀝青混合料理論最大密度要高0.023，反映到空隙率等體積參數(shù)指標(biāo)上時往往會相差近0.5%。因此，在對溫拌瀝青混合料的理論最大密度進(jìn)行計算時，應(yīng)把溫拌劑作為其組成部分之一而計算在內(nèi)，這在溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計中是不可忽視的。

4 拌合溫度對溫拌瀝青混合料體積參數(shù)的影響

圖2給出了瀝青混合料試件空隙率與混合料拌合溫度的關(guān)系曲線?？梢?，隨著混合料拌合溫度的提高，試件空隙率顯著降低，當(dāng)混合料拌合溫度由110℃升高至160℃時，試件空隙率降低1.8%。在混合料拌合溫度148℃時，試件空隙率為4.22%，表明，采用DAT表面活性降粘技術(shù)后，148℃下拌制的瀝青混合料可以與拌合溫度180℃的熱拌瀝青混合料有著相同的施工特性，即滿足了體積參數(shù)相同的基本要求。因此，將該混合料的施工拌合溫度定為148℃，比熱拌瀝青混合料降低了32℃，該降溫幅度也滿足溫拌瀝青混合料概念中的降溫要求。

根據(jù)資料［7－8］，如果以相對于HMA降低拌合溫度25℃控制WMA的配合比設(shè)計，則瀝青用量將減小;若以相對于HMA降低拌合溫度35℃控制WMA的配合比設(shè)計，則設(shè)計瀝青用量將增大。無論瀝青用量降低或者增大，都可能使溫拌瀝青混合料性能偏離熱拌瀝青混合料性能。

圖2 試件空隙率與混合料拌和溫度的關(guān)系曲線

5 結(jié)語

(1)試驗結(jié)果表明:在60℃以下，DAT殘留物對SBS改性瀝青沒有不利影響，而當(dāng)溫度高于60℃時，DAT殘留物可能會降低SBS改性瀝青的粘結(jié)性能，尤其是摻量較高時;在相同的拌和溫度下，溫拌瀝青混合料試件的空隙率是隨著溫拌劑摻量的增加而降低的，當(dāng)溫拌劑摻量與SBS改性瀝青的質(zhì)量比高于1/9時，瀝青混合料試件空隙率的降低幅度減小;采用DAT表面活性降粘技術(shù)后，148℃下拌制的瀝青混合料可以與拌合溫度180℃的熱拌瀝青混合料有著相同的施工特性，即滿足了體積參數(shù)相同的基本要求。因此，將該混合料的施工拌合溫度定為148℃，比熱拌瀝青混合料降低了32℃，符合溫拌瀝青混合料概念中的降溫要求。

(2)溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計原則。上述分析表明，溫拌劑摻量和拌合溫度對瀝青混合料體積參數(shù)的影響是相互交錯的，并與混合料造價及其性能有著直接的關(guān)系。瀝青混合料中溫拌劑的摻量取決于拌合溫度、成本等因素，瀝青用量應(yīng)采用同組成的熱拌瀝青混合料的配合比設(shè)計方法確定，在計算WMA理論最大密度時應(yīng)考慮溫拌劑的影響，然后以等體積參數(shù)(主要為空隙率指標(biāo))為原則確定溫拌瀝青混合料的合理施工溫度。

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［3］李中秋，馬敬坤.Sasobit改性劑對瀝青改性的室內(nèi)試驗分析［J］.公路交通科技，2004，10(21):27－29.

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［8］李立寒，張南鷺，孫大權(quán)，楊群.道路工程材料［M］.北京:人民交通出版社，2010.

(責(zé)任編輯 劉棉玲)

Experimental Research on Some Problems in Mixture Design of Warm Mix Asphalt

Wang Fei，Li Lihan

(The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering，Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China)

Based on hot mix asphalt(HMA)mixture design and design principle of the same volume parameter，warm mix asphalt(WMA)mixture is designed.The problems that existed in the asphalt mixture design，such as the reasonable construction temperature，the content of WMA additive and correction method of theory maximum density for asphalt mixture，are discussed.The experimental results indicate that the volume parameter of WMA depends on WMA additive content and mixing temperature.In order to ensure WMA have the same performance with HMA，it is necessary to determine the construction temperature under the principle of the same volume parameter.The influence of WMA additive to theory maximum density of mixture cannot be ignored when counting the volume parameter of WMA.

warm mix asphalt;mixture design;WMA additive;construction temperature;theoretical maximum density

TU414

A

1005－0523(2010)04－0022－04

2010－04－14

上海市科學(xué)委員會2008年科學(xué)研究項目(08201202002)

王飛(1987－)，男，碩士研究生，研究方向為道路材料。