溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性宏細(xì)觀研究

胡幫艷， 于　江， 李林萍， 宋卿卿

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊　830047；　2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上?！?01804)

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溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性宏細(xì)觀研究

胡幫艷1， 于江1， 李林萍1， 宋卿卿2

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊830047；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海201804)

[摘要]從宏細(xì)觀層面出發(fā)，對(duì)比分析馬氏成型與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法下溫拌瀝青混合料宏細(xì)觀指標(biāo)隨壓實(shí)次數(shù)變化規(guī)律，探討溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性。研究結(jié)果表明：2種成型方法下宏細(xì)觀指標(biāo)隨壓實(shí)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型更易于溫拌瀝青混合料的密實(shí)；試件隨著壓實(shí)次數(shù)增加，空隙率不斷減小，空隙面積和空隙等效直徑也相應(yīng)減小，空隙分維數(shù)隨之增大；空隙分維數(shù)等細(xì)觀指標(biāo)可形象的表征空隙結(jié)構(gòu)，是溫拌瀝青混合料空隙率的有效補(bǔ)充。

[關(guān)鍵詞]溫拌瀝青混合料； 壓實(shí)特性； 宏細(xì)觀； 成型方法

0前言

溫拌瀝青混合料(WMA)是一種環(huán)保型材料，既能保證瀝青混合料在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌和及施工，又具有與熱拌瀝青混合料基本相同的路用性能。此外，WMA還具有節(jié)約能源、造價(jià)相對(duì)較低的特點(diǎn)[1]。然而，隨著拌和及壓實(shí)溫度的降低，混合料的壓實(shí)特性也將受到一定的影響。因此，研究溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

瀝青混合料的壓實(shí)特性是指其在施工碾壓和使用過(guò)程中體積參數(shù)的變化程度和穩(wěn)定性[2]。目前溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性的研究主要集中于宏觀層面，但研究表明[3-5]：瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀性能影響較大。為此，文章從宏細(xì)觀層面對(duì)比分析了馬氏成型與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法下溫拌瀝青混合料宏細(xì)觀指標(biāo)隨壓實(shí)次數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而研究溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性。

1原材料基本參數(shù)及瀝青混合料礦料級(jí)配

設(shè)計(jì)

1.1原材料基本參數(shù)

① 瀝青。

本試驗(yàn)采用殼牌SBSI-D道路石油改性瀝青，其基本性能檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

② 集料體積參數(shù)。

試驗(yàn)所用級(jí)配為篩分級(jí)配，各檔集料的巖石種類及體積指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 殼牌SBSI-D道路石油改性瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table1 ShellSBSI-Doilmodifiedasphaltroadperform-ancetestresults試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)范要求試驗(yàn)結(jié)果單項(xiàng)評(píng)定針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm30～6057.2合格軟化點(diǎn)(TR&B)/℃≥6083.8合格135℃運(yùn)動(dòng)粘度/(Pa.s)≤31.418合格延度(5℃,5cm/min)/cm≥2041.5合格儲(chǔ)存穩(wěn)定性離析,48h軟化點(diǎn)差/℃≤2.51.2合格薄膜烘箱殘留物(163℃,85min)質(zhì)量變化/%±1.00.16合格針入度比(25℃)/%≥6586.7合格延度(10℃5cm/min)/cm≥1531.2合格 注:SBS改性瀝青的密度為1.02g/cm3。

表2 集料的技術(shù)指標(biāo)Table2 Thetechnicalindexoftheaggregate巖石種類集料分檔/mm毛體積相對(duì)密度/(g·cm-3)表觀相對(duì)密度/(g·cm-3)吸水率/%玄武巖13.2 2.8652.9151.79.52.8572.911.864.752.822.8992.8石灰?guī)r2.362.5992.7445.61.182.7142.714—0.62.7112.711—0.32.7032.703—0.152.7012.701—0.0752.7052.705—礦粉2.6852.685—

③ 溫拌劑和纖維。

溫拌劑選用美國(guó)美德維實(shí)維克公司生產(chǎn)的Evotherm-DAT溫拌添加劑，添加劑與瀝青用量之比為1∶9。DAT溫拌劑是一種表面活性劑溶液，其工作原理為[6]：在混合料拌和過(guò)程中，隨水分快速蒸發(fā)，添加劑均勻分散，殘留微量水在表面活性劑作用下均勻分布在集料與瀝青之間，并形成油—水界面，進(jìn)而降低瀝青粘度，增加施工和易性。

試驗(yàn)所用為聚酯纖維，其密度為1.4 g/cm3。

1.2礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

基于礦料間隙率的SMA混合料設(shè)計(jì)方法可通過(guò)礦料間隙率快速確定常規(guī)SMA的礦料級(jí)配及最佳油石比[7]，因此文章選用該級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行SMA-13礦料級(jí)配設(shè)計(jì)。最佳油石比為6.28%，纖維摻量為0.3%，設(shè)計(jì)空隙率4.0%，礦料級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 SMA-13的級(jí)配組成Table3 GradationcompositionofSMA-13篩孔/mm規(guī)范下限規(guī)范中值規(guī)范下限合成級(jí)配1610010010010013.2909510095.69.55062.575654.75202734282.361520.52622.31.18141924200.6121620170.310131615.10.159121513.540.0758101210.3

2試件成型

2.1溫拌SMA的瀝青混合料制備過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)溫拌SMA混合料室內(nèi)拌和溫度150 ℃，制備過(guò)程為：

① 集料按照級(jí)配表進(jìn)行配料，放入160 ℃烘箱中2～3 h，SBS改性瀝青置于165 ℃烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)；

② 將烘干的集料倒入150 ℃拌和鍋中，加入所需纖維攪拌30 s；

③ 將與溫拌劑互融的SBS改性瀝青倒入拌和鍋底部繼續(xù)攪拌90 s，瀝青溫度控制在165 ℃；

④ 把拌和好的溫拌混合料放入150 ℃恒溫烘箱中保溫2 h，期間嚴(yán)格控制混合料的溫度，以保證壓實(shí)時(shí)混合料的溫度的準(zhǔn)確性。

2.2成型方法

馬氏擊實(shí)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20—2011)制作標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸為101.5 mm×63.5 mm，共制作4組每組4個(gè)，用于測(cè)定溫拌瀝青混合料的宏觀指標(biāo)。

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型選用直徑100 mm試模，以馬歇爾成型時(shí)的重量m為標(biāo)準(zhǔn)制作試件，方案與馬氏成型時(shí)相同。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)角根據(jù)Superpave設(shè)計(jì)方法的要求設(shè)定為1.25°，轉(zhuǎn)速為30 r/min，試模上部壓力加載頭施加600 kPa的豎直荷載。

3溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性試驗(yàn)研究與分析

為研究溫拌瀝青混合料不同成型方法下宏細(xì)觀指標(biāo)的變化規(guī)律，選取馬氏擊實(shí)與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件，通過(guò)改變壓實(shí)次數(shù)模擬溫拌瀝青混合料的壓實(shí)演化過(guò)程，壓實(shí)次數(shù)分別為：25、50、75和100次。

3.1溫拌瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程中宏觀性能指標(biāo)變化規(guī)律分析

測(cè)取溫拌SMA瀝青混合料在不同成型方法與不同壓實(shí)次數(shù)下的宏觀性能指標(biāo)，即：空隙率、穩(wěn)定度、流值與凍融劈裂強(qiáng)度比。繪制宏觀性能指標(biāo)與壓實(shí)次數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1　宏觀性能指標(biāo)與壓實(shí)次數(shù)之間的關(guān)系曲線Figure 1　Macro performance index and the relationship 　between the number of compaction curve

由圖1(a)可看出：馬氏和旋轉(zhuǎn)的空隙率均隨擊實(shí)次數(shù)的增加而減小，可見(jiàn)試件在成型過(guò)程中，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，混合料的壓實(shí)程度在不斷提高；在相同壓實(shí)次數(shù)下，旋轉(zhuǎn)的空隙率均小于馬氏，這是由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的搓揉作用和較大的壓實(shí)功，使試件更易密實(shí)；在設(shè)計(jì)拌和及壓實(shí)溫度下，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)25次即達(dá)到目標(biāo)空隙率，而馬氏需壓實(shí)75次，對(duì)比可知，旋轉(zhuǎn)還具有降溫空間，降溫幅度大于馬氏。

從圖1(b、c)可知：隨著擊實(shí)次數(shù)的增大，溫拌瀝青混合料在兩種成型方法下的穩(wěn)定度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在25～50次之間增長(zhǎng)幅度較大，隨后增長(zhǎng)幅度趨于緩慢，且旋轉(zhuǎn)成型穩(wěn)定度高于馬氏；流值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在壓實(shí)次數(shù)為75次時(shí)均出現(xiàn)最小值，且旋轉(zhuǎn)成型的流值整體小于馬氏。

由此可知，隨著試件的逐漸密實(shí)，兩種成型方法下的穩(wěn)定度與流值呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，且在75次時(shí)流值均出現(xiàn)拐點(diǎn)，穩(wěn)定度在50次后增長(zhǎng)較為緩慢。分析可知，混合料在不斷被壓實(shí)的過(guò)程中，處于高溫情況下的集料部分被擊碎，造成混合料空隙率不斷減小，流值出現(xiàn)拐點(diǎn)，穩(wěn)定度增長(zhǎng)緩慢的現(xiàn)象。由此表明，試件達(dá)到基本壓實(shí)狀態(tài)后，壓實(shí)次數(shù)的增加對(duì)試件物理力學(xué)指標(biāo)的影響不再明顯。因此試件成型壓實(shí)次數(shù)要嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)才能達(dá)到最佳壓實(shí)效果。

由圖1(d)可知：在相同壓實(shí)次數(shù)下，旋轉(zhuǎn)的凍融劈裂強(qiáng)度比均高于馬氏，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件水穩(wěn)定性優(yōu)于馬氏。壓實(shí)次數(shù)在75～100之間，兩種成型方法下試件的凍融劈裂強(qiáng)度比變化差值較小，而壓實(shí)次數(shù)在25～50之間凍融劈裂強(qiáng)度比數(shù)值相差較大。這是由于馬氏25次形成的空隙率為5.75%超過(guò)SMA臨界空隙率4.3%[8]，此時(shí)滲水系數(shù)值最大導(dǎo)致凍融劈裂強(qiáng)度比過(guò)低。

3.2溫拌瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程中細(xì)觀空隙變化規(guī)律分析

馬氏50次空隙率為3.84%，旋轉(zhuǎn)25次空隙率為3.89%，兩者空隙率相接近，但表現(xiàn)出的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性卻相差甚遠(yuǎn)。在SHRP計(jì)劃中，研究者已經(jīng)意識(shí)到對(duì)瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)的研究不能夠僅停留在材料的宏觀層面，對(duì)于瀝青混合料需要深入到細(xì)觀層次的分析和研究[9]。為進(jìn)一步了解溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性，本文對(duì)其細(xì)觀空隙特征進(jìn)行分析。對(duì)不同壓實(shí)次數(shù)下的溫拌瀝青混合料試件進(jìn)行切割，利用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照并用軟件提取空隙的二值圖，如圖2所示。采用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取其細(xì)觀空隙指標(biāo)——空隙分維數(shù)、空隙個(gè)數(shù)、空隙等效直徑等參數(shù)，以此分析溫拌瀝青混合料的空隙特征及分布情況，如表4所示。

(a) 切割圖像

(b) 閾值處理后的圖像

表4 空隙分布參數(shù)匯總Table4 Spacedistributionparameters壓實(shí)方式試件截面空隙數(shù)量空隙分維數(shù)等效直徑空隙面積馬氏擊實(shí)25次上面層781.0886.385005中面層591.0835.453947下面層501.0946.44376均值62.331.0886.084442.67馬氏擊實(shí)50次上面層701.1136.473671中面層671.1025.432250下面層431.0946.913490均值601.1036.273137旋轉(zhuǎn)壓實(shí)25次上面層741.0875.933153中面層481.0855.091705下面層1391.0886.646824均值871.0875.893894旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次上面層501.0875.872866中面層321.0825.781775下面層771.0846.424038均值531.0846.022893

由表4可以看出：混合料不斷壓實(shí)的過(guò)程中，空隙面積、數(shù)量、等效直徑等參數(shù)可以形象的刻畫(huà)空隙結(jié)構(gòu)特征及分布情況。兩種成型方法下空隙數(shù)量、空隙面積和空隙分維數(shù)在不同面層呈現(xiàn)出不均勻性，從細(xì)觀角度驗(yàn)證了試件內(nèi)部空隙分布的不均勻性。試件的上面層與下面層空隙面積和空隙等效直徑均大于中面層，與文獻(xiàn)[10]中描述的空隙率呈現(xiàn)“兩頭大，中間小”相吻合。其中，旋轉(zhuǎn)試件空隙結(jié)構(gòu)變異性小，說(shuō)明試件均勻性好，底部空隙面積明顯增大，與文獻(xiàn)[11]CT掃描圖片分析的結(jié)果相一致。

兩種成型方法下隨著壓實(shí)次數(shù)的增加空隙數(shù)量和空隙面積呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，與空隙率變化一致；空隙分維數(shù)隨壓實(shí)次數(shù)的增加而增大，可判斷出，壓實(shí)過(guò)程中空隙結(jié)構(gòu)逐漸變得復(fù)雜。

對(duì)比馬氏擊實(shí)與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，馬氏空隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出等效直徑大、數(shù)量多、分維數(shù)大的特征；而旋轉(zhuǎn)與之相反，呈現(xiàn)出等效直徑小、數(shù)量少、分維數(shù)小的特點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)25次與馬氏50次空隙率相近的情況下，路用性能差異很大，空隙微觀結(jié)構(gòu)也不盡相同?？障斗志S數(shù)平均值分別為1.087和1.103。因而，空隙分維數(shù)等細(xì)觀參數(shù)可以作為溫拌瀝青混合料空隙率的有效補(bǔ)充。

4結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)溫拌瀝青混合料在不同成型方法和壓實(shí)次數(shù)下宏細(xì)觀指標(biāo)的分析，可以得出如下結(jié)論：

① 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的壓實(shí)功高于馬歇爾成型，有利于促進(jìn)集料在溫拌瀝青混合料內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在相同擊實(shí)次數(shù)下，溫拌瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型比馬氏擊實(shí)成型表現(xiàn)出更好的可壓實(shí)性；

② 對(duì)于室內(nèi)溫拌瀝青混合料的成型，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的降溫幅度要大于馬氏擊實(shí)；

③ 溫拌瀝青混合料空隙率和流值隨壓實(shí)次數(shù)的增加而減小，而穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比不斷增強(qiáng)，因此在合理空隙率范圍內(nèi)可以通過(guò)提高壓實(shí)度來(lái)改善瀝青混合料的路用性能；

④ 評(píng)價(jià)混合料的壓實(shí)特性可以從宏觀和細(xì)觀角度?？障督Y(jié)構(gòu)的細(xì)觀表征是對(duì)混合料宏觀指標(biāo)的有效補(bǔ)充。

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Macroscopic and Mesoscopic Comparative Study of Warm Mix Asphalt

HU Bangyan1， YU Jiang1， LI Lingping1，SONG Qingqing2

(1.School of Construction Engineering， Xinjiang University， Urumchi， Xinjiang 830047， China；2.Tongji University， Laboratory of Road and Traffic Engineering， Ministry of Education， Shanghai 201804， China)

[Abstract]The article embarks from the macroscopic and mesoscopic level compares and analyzes that under the gyratory compaction and Marshall compaction，warm mix asphalt’s macroscopic and mesoscopic indicators change with compaction time and explores the compaction characteristic of warm mix asphalt.The results show that under the gyratory compaction and Marshall compaction，the macroscopic and mesoscopic indicators are basically the same with the change of compaction time，gyratory compaction molding can reflect better compactibility.With the increase of compaction times，Void fraction gradually diminished，Void area and Void equivalent diameter also decrease，while Void fractal dimension increases.Void structure can be well characterized by mesoscopic indicators like Void fractal dimension value，it is an Effective complement to Void fraction of warm mix asphalt.

[Key words]warm mix asphalt mixture； compaction characteristic； macro mesoscopic； molding method

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0024-04

[作者簡(jiǎn)介]胡幫艷(1989-)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈缆饭こ滩牧稀?/p>

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51168044)

[收稿日期]2014-11-04