溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性的研究

張仁洪 ，李 俊 ，李 交

（1.蘇州市千燈鎮(zhèn)建管所,江蘇蘇州 215323；2.上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司工程技術(shù)研究所,上海市 201203）

0 前言

眾所周知，溫拌瀝青混合料（WMA）的拌合施工溫度比熱拌瀝青混合料降低20℃～40℃。在滿足低溫環(huán)境施工的同時(shí)，大大降低了混合料生產(chǎn)施工過程中產(chǎn)生的煙霧和有害氣體（包括COX、SOX、NOX等）。在生產(chǎn)施工過程中減少了碳的排放量，意味著增加了碳的利用率，相當(dāng)于減少了碳的消耗，節(jié)能又環(huán)保，是全球倡導(dǎo)的未來道路發(fā)展方向。本文將通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比探討溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性。

普通熱拌瀝青路面的碾壓方式一般以鋼輪振碾為主，膠輪碾壓為輔，然而此碾壓方式在溫拌瀝青路面碾壓時(shí)未必會(huì)具有最佳效果。瀝青路面碾壓時(shí)，鋼輪振動(dòng)壓實(shí)近似于室內(nèi)馬歇爾壓實(shí)工藝，而膠輪壓實(shí)則近似于揉搓行為的壓實(shí)工藝。本文通過Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法與馬歇爾擊實(shí)法分別制作溫、熱拌瀝青混合料，分析混合料在兩種不同壓實(shí)工藝下的體積參數(shù)與指標(biāo)變化及其變化機(jī)理，探討溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性。

1 兩種混合料設(shè)計(jì)方法

混合料的設(shè)計(jì)方法主要有兩種：一種是馬歇爾設(shè)計(jì)法，是由美國密西西比州公路局工程師布魯斯.G.馬歇爾提出,是目前國內(nèi)外瀝青混合料設(shè)計(jì)的主要方法，我國于20世紀(jì)70年代引進(jìn)馬歇爾設(shè)計(jì)法并沿用至今。

另一種是Superpave混合料設(shè)計(jì)法，該方法是美國SHARP計(jì)劃的主要成果，采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀SGC(Superpave Gyratory Compactor)完成。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)能較好地模擬混合料的野外壓實(shí),而且用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀評(píng)價(jià)混合料時(shí),不僅可以評(píng)價(jià)壓實(shí)過程中某一點(diǎn)的壓實(shí)情況,還可以評(píng)價(jià)瀝青混合料在整個(gè)服務(wù)期間的密實(shí)特征。如圖1所示,SGC的壓實(shí)基本原理是:試件在一個(gè)控制室中緩慢地壓實(shí),試件運(yùn)動(dòng)的軸線如同一圓錐,它的頂點(diǎn)與試件頂部重合。旋轉(zhuǎn)底座將試模定位于1.25°的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)角,以30 r/min的恒定速率旋轉(zhuǎn)，見表1。壓力加載頭對(duì)試件實(shí)施600 kPa的豎直壓力。這樣在混合料倒入試模中后同時(shí)受到豎向壓力與水平剪力的作用,使集料顆粒定向形成骨架,這種過程模擬了荷載對(duì)道路搓揉壓實(shí)作用,用這種儀器成型試件的體積特性、物理特性和現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣的結(jié)果相關(guān)性很好。

圖1 SGC壓實(shí)示意圖

表1 SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀參數(shù)

探討具有不同壓實(shí)功的兩種壓實(shí)方法對(duì)溫拌、熱拌瀝青混合料的密度、空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度以及凍融劈裂強(qiáng)度等指標(biāo)的影響。研究過程中，為防止旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過壓情況出現(xiàn)，將不會(huì)嚴(yán)格參照Superpave要求的125圈進(jìn)行壓實(shí)，具體的SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)測(cè)試方法在下面會(huì)有探討。

2 材料與級(jí)配

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中混合料設(shè)計(jì)規(guī)范，選定AC-13級(jí)配制作瀝青混合料試件，具體材料指標(biāo)如下。

2.1 集料

本次試驗(yàn)采用石灰石礦料，石料各檔范圍為5～13 mm，3～5 mm，0～3 mm，填料為石灰石礦粉。

2.2 溫拌劑

由于研究?jī)?nèi)容涉及到溫拌瀝青混合料，本次溫拌添加劑采用上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司自主研發(fā)的溫拌劑LB。該溫拌劑是一種由有機(jī)溫拌添加劑OMD、廢舊塑料再生蠟ROW和無機(jī)穩(wěn)定劑ISD組成的復(fù)合型溫拌劑，直接投入到瀝青中攪拌即可。其物理指標(biāo)見表2。

表2 有機(jī)溫拌劑LB物理指標(biāo)

2.3 瀝青結(jié)合料

普通熱拌混合料采用SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)見表3。

表3 本研究熱拌改性瀝青指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

溫拌改性瀝青需提前制備，制備方法為將溫拌劑加入到160℃SBS改性瀝青中機(jī)械攪拌25 min，其性能指標(biāo)見表4。

表4 本研究溫拌改性瀝青指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.4 級(jí)配

采用AC-13密級(jí)配混合料類型，其級(jí)配范圍及曲線見表5和圖2。

表5 AC-13混合料級(jí)配

圖2 合成級(jí)配曲線

2.5 最佳瀝青用量

根據(jù)已定級(jí)配選擇5組瀝青用量，分別測(cè)試空隙率，見圖3，以目標(biāo)空隙率3.8%確定最佳瀝青用量為4.0%。

圖3 不同瀝青用量對(duì)空隙率的影響

3 試件成型

普通熱拌改性瀝青混合料試件參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）制作，室內(nèi)拌和溫度180℃，壓實(shí)溫度控制在160℃成型。對(duì)于溫拌改性瀝青混合料，拌和溫度為160℃，壓實(shí)溫度為130℃，溫拌改性瀝青需提前制備，加入拌缸前應(yīng)先攪拌以防溫拌劑或SBS離析，瀝青溫度控制在160℃上下。

3.1 馬歇爾成型

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）制作標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸為101.5 mm×63.5 mm，共制作3組瀝青混合料，分別是普通熱拌瀝青混合料、LB溫拌瀝青混合料和無溫拌劑的溫拌瀝青混合料。制樣過程中，遵循單一影響因子原則，即避開壓實(shí)成型方案以外的干擾因素，比如試件重量等。具體為：制作熱拌瀝青混合料試件，取成型試件高度為63.5 mm時(shí)的試件重量m為制樣過程中試樣重量控制的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)制作剩余所有瀝青混合料時(shí)，試件稱取重量均控制為m成型。

3.2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型

選用直徑100 mm模具，以馬歇爾成型時(shí)沉淀的重量m為標(biāo)準(zhǔn)制作試件，方案與馬歇爾成型時(shí)一樣。在壓實(shí)圈數(shù)的選擇上，Superpave要求的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為125圈，但經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)圈數(shù)達(dá)到125圈時(shí)，3種瀝青混合料的空隙率已經(jīng)非常接近，屬過度壓密，見表6、表7。

表6 125圈時(shí)3種混合料試件高度

表7 125圈時(shí)3種混合料試件密度與空隙率

從表6可以看出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)圈數(shù)達(dá)到125圈時(shí)，3種混合料試件的高度連續(xù)8圈無變化，說明3種混合料均幾乎完全被壓密；而從表7試件密度和空隙率來看，在125圈時(shí)，3種混合料的密度和空隙率已經(jīng)非常接近，即便是未添加溫拌劑的溫拌瀝青混合料也已被壓密實(shí)，顯然3種混合料均已過壓。

那么，為防止混合料過壓，空隙率過于接近導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失去對(duì)比意義，因此本研究沒有參照Superpave要求的125圈進(jìn)行壓實(shí)。而是以試件高度無明顯變化時(shí)的圈數(shù)為準(zhǔn)，具體圈數(shù)設(shè)定方法為：熱拌第一個(gè)試樣出現(xiàn)連續(xù)2組4個(gè)相同試件高度時(shí)，最后一個(gè)數(shù)值所在的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)即為設(shè)定的壓實(shí)圈數(shù)q，同樣遵循控制參數(shù)統(tǒng)一原則，將此圈數(shù)固定，剩余其他所有的試件壓實(shí)圈數(shù)均為q，根據(jù)室內(nèi)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，確定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)圈數(shù)q為70圈，見表8。

表8 壓實(shí)圈數(shù)的確定

從壓實(shí)高度上的差異可以區(qū)分3種混合料的壓實(shí)效果，表8數(shù)據(jù)證明了本研究采用的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)確定方法可行。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)馬歇爾擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型分別制作的3組混合料進(jìn)行體積指標(biāo)測(cè)定和性能檢測(cè)，結(jié)果如表9、表10所示。

表9 馬歇爾成型瀝青混合料體積參數(shù)與馬歇爾指標(biāo)

表10 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型瀝青混合料體積參數(shù)與馬歇爾指標(biāo)

4.1 體積參數(shù)與馬歇爾指標(biāo)

從表9可以看出，在馬歇爾成型中，相同壓實(shí)功，相同重量下，160℃拌和、130℃成型（簡(jiǎn)稱160℃，130℃）的LB溫拌瀝青混合料的體積參數(shù)以及空隙率非常接近（180℃，160℃）成型的熱拌瀝青混合料，表明該溫拌劑能夠有效地降低20℃～30℃的拌和成型溫度，其混合料在低于熱拌瀝青混合料生產(chǎn)施工溫度達(dá)20℃～30℃的環(huán)境下，依然可以達(dá)到明顯的壓實(shí)效果，其指標(biāo)參數(shù)與熱拌瀝青混合料并無明顯差別；而無溫拌劑添加的溫拌瀝青混合料，試件的實(shí)際密度明顯偏小，空隙率明顯偏高，包括馬歇爾穩(wěn)定度的明顯衰減都正好證明了該溫拌劑的添加效果。

結(jié)合表9、表10的數(shù)據(jù)，可以看出，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)圈數(shù)控制在70圈，試件重量為1 250 g的條件下，3種混合料的空隙率都有所降低，SGC的旋轉(zhuǎn)揉搓壓實(shí)能夠更好地提高混合料的壓實(shí)度；其中溫拌瀝青混合料降低幅度尤其明顯，熱拌瀝青混合料空隙率降低0.62%，而LB溫拌瀝青混合料空隙率降低1.29%，無溫拌劑的溫拌瀝青混合料的空隙率降低幅度達(dá)到了1.11%，均遠(yuǎn)超熱拌瀝青混合料，顯然溫拌瀝青混合料更適合揉搓壓實(shí)方式。這是由于熱拌瀝青混合料溫度較高，在揉搓的時(shí)候混合料更容易發(fā)生擠壓推移，這樣反復(fù)的推移會(huì)抵消掉一部分來自旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的壓實(shí)功作用，而溫拌瀝青混合料由于溫度較低，推移現(xiàn)象減輕，對(duì)壓實(shí)功的作用抵消不明顯。

另外，相比馬歇爾成型，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型對(duì)3種混合料的馬歇爾穩(wěn)定度都有相應(yīng)提升，不過提升幅度不明顯；LB溫拌瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度與熱拌瀝青混合料相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未加溫拌劑的溫拌瀝青混合料，證明了該溫拌劑的溫拌改性效果。

4.2 其他性能對(duì)比

由于馬歇爾擊實(shí)儀和SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀無法成型混合料高溫車轍板試件，所以本文無法對(duì)兩種壓實(shí)方法下混合料的高溫性能進(jìn)行對(duì)比。下面是混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)，包括殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比，結(jié)果見表11。

由表11可知：

（1）LB溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和TSR，無論是馬氏擊實(shí)還是旋轉(zhuǎn)成型，都要高過熱拌瀝青混合料和未添加溫拌劑的溫拌瀝青混合料對(duì)應(yīng)指標(biāo)。說明該溫拌劑在降低20℃～30℃施工溫度的情況下，依然能夠保證混合料水穩(wěn)定性能。

（2）對(duì)于3種瀝青混合料，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的混合料殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比TSR都有明顯的提升，這說明荷載壓實(shí)比馬歇爾沖擊壓實(shí)更能夠提升混合料的水穩(wěn)定性。

表11 殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比

（3）通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型與馬氏擊實(shí)成型對(duì)比，溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與TSR提升幅度更明顯，這說明了溫拌瀝青混合料更適合旋轉(zhuǎn)荷載揉搓；而沖擊荷載和揉搓荷載對(duì)熱拌瀝青混合料的壓實(shí)效果相當(dāng)，變化不大。

5 結(jié)論

橫向?qū)Ρ龋厚R歇爾擊實(shí)屬于沖擊荷載壓實(shí)，SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)屬于荷載揉搓壓實(shí)。采用馬歇爾擊實(shí)成型時(shí)，LB溫拌瀝青混合料空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度都與熱拌瀝青混合料相差不大；而采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型時(shí)，前者的空隙率小于后者，壓實(shí)度更高；而在水穩(wěn)定性能方面前者也具有更優(yōu)的性能。再對(duì)比未添加溫拌劑的溫拌瀝青混合料性能數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了LB復(fù)合溫拌劑良好的降溫改性效果。

縱向?qū)Ρ龋罕容^馬歇爾擊實(shí)法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法3種混合料的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的混合料性能數(shù)據(jù)都較馬歇爾壓實(shí)成型數(shù)據(jù)有所提升。其中，熱拌瀝青混合料對(duì)兩種成型方法敏感度較低，各項(xiàng)指標(biāo)提升幅度不大；溫拌瀝青混合料則敏感度更高，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)效果更好，相比沖擊壓實(shí)，顯然更適合荷載揉搓壓實(shí)。

溫拌瀝青路面碾壓時(shí)，在無法回避鋼輪碾壓的情況下，適當(dāng)增加膠輪碾壓在整個(gè)壓實(shí)工藝中的比例，會(huì)達(dá)到更好的壓實(shí)效果。

[1]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3]陳宏坡，曲松.瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)與馬歇爾擊實(shí)試件體積特性差異的初步試驗(yàn)研究 [J].城市道橋與防洪，2008年（6）：134-136.

[4]段華衛(wèi)，趙文.采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行SMA設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009（6）上半月：130-133.

[5]袁迎捷，胡長順.旋轉(zhuǎn)壓實(shí)原理與參數(shù)設(shè)置研究[J].廣西交通科技，2003，28（2）：20-23.