Sasobit溫拌瀝青混凝土碾壓溫度離析研究

周志剛,熊奎元,羅根傳,2,俞文生，3,楊志峰，3

(1.長沙理工大學　道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室，湖南　長沙　410004; 2.廣西交通投資集團有限公司，廣西　南寧　530000;3.江西省高速公路投資股份有限公司，江西　南昌　330000)

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Sasobit溫拌瀝青混凝土碾壓溫度離析研究

周志剛1,熊奎元1,羅根傳1,2,俞文生1，3,楊志峰1，3

(1.長沙理工大學道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室，湖南長沙410004; 2.廣西交通投資集團有限公司，廣西南寧530000;3.江西省高速公路投資股份有限公司，江西南昌330000)

運用紅外線熱像儀觀測了隧道不同部位的溫拌瀝青混凝土攤鋪面的碾壓溫度分布情況，分析了其溫度離析的不同分布狀況和溫度差異的形成原因,利用無核密度儀( PQI) 檢測分析了溫度離析對瀝青路面中面層壓實質量的影響。現(xiàn)場大量的檢測數(shù)據(jù)表明，溫拌瀝青混凝土碾壓溫度與其密度、壓實度、空隙率之間存在良好的線性相關關系。基于壓實質量隨碾壓溫度變化的規(guī)律和壓實度、空隙率的施工質量最低控制要求，建議溫拌瀝青混凝土的最低碾壓控制溫度宜為135 ℃。參照熱拌瀝青混凝土溫度離析的空隙率和密度差評價標準，提出了溫拌瀝青混凝土不同溫度離析狀況時的碾壓溫度差評價標準，將溫度離析劃分為4種不同的離析程度：未離析、輕度離析、中度離析和重度離析，相應的碾壓溫度差評價標準分別為<4，4～11，11～17，>17 ℃。

道路工程；溫拌瀝青混凝土；無核密度儀；溫度離析；評價標準；碾壓溫度；壓實度；空隙率

0　引言

溫度離析是指熱拌瀝青混合料在運輸、卸料和施工過程中由于熱量流失的不均衡而產(chǎn)生明顯的溫度差異，攤鋪到路面時，局部區(qū)域的物料溫度甚至低于瀝青混合料所需的攤鋪溫度。低溫時瀝青混合料流動性較差，不能被壓實，從而造成攤鋪表面的不平整，一些較冷區(qū)域的混合料還可能冷卻結塊。碾壓時，結塊物料可能會承受壓路機的全部重量而超載碎裂并出現(xiàn)裂紋，造成混合料不能碾壓成型，破壞路面結構，影響路面強度[1-3]。近年由于節(jié)能減排的需求，溫拌瀝青路面技術在國內外引起重視。溫拌瀝青混合料是一種新型的瀝青混合料，其施工溫度介于熱拌瀝青混合料與冷拌瀝青混合料之間，屬于一種降低能源消耗、減少污染氣體排放的環(huán)保型新材料。它通過摻加溫拌劑能在更低的溫度下拌和、攤鋪及壓實，可具有與相應的熱拌瀝青混合料一致甚至更優(yōu)的路用性能，從而降低了生產(chǎn)過程中的能源消耗和煙塵等廢棄物的排放量[4-7]。由于降低了瀝青混合料施工溫度，溫拌瀝青混合料攤鋪碾壓時可保證壓實質量的適宜溫度區(qū)間，與熱拌瀝青混合料相比較為狹窄，更易引起溫度離析問題。但目前尚無關于溫拌瀝青混合料溫度離析的研究，更無其溫度離析的評價標準。以往對于瀝青路面溫度離析的監(jiān)測一般主要是借助紅外溫度槍和插入式溫度計對攤鋪區(qū)域不同部位取點進行現(xiàn)場溫度觀測和記錄，這種方式難以快速準確有效地判斷攤鋪區(qū)域是否產(chǎn)生較大溫度差異。為此，有研究者建議可用紅外線熱像儀和無核密度儀有效地進行瀝青路面施工溫度監(jiān)測與壓實度控制[8-12]。本文結合高速公路溫拌瀝青路面現(xiàn)場施工，借助先進的溫度測試設備紅外線熱像儀監(jiān)測溫拌瀝青混凝土施工溫度，并通過無核密度儀進行大范圍的密度、空隙率檢測，配合現(xiàn)場鉆芯取樣測試空隙率、密度等指標，評價碾壓溫度對溫拌瀝青層壓實質量的影響，分析溫拌瀝青路面溫度離析狀況及其成因，提出適宜的溫拌瀝青混凝土最低碾壓控制溫度，建立其溫度離析的評價標準，彌補現(xiàn)有溫拌瀝青路面技術的不足，以指導溫拌瀝青路面現(xiàn)場施工。

1　溫拌瀝青路面試驗路情況

溫拌瀝青路面試驗路面為某高速公路路面工程NO.A合同段一隧道及其附近瀝青路面的中面層，全長1 160 m。本研究針對所依托高速公路隧道比例大、隧道長度長的特點，在隧道瀝青混凝土鋪裝中引入瀝青混合料溫拌技術，減少燃料能源的消耗，同時降低混合料拌和溫度，減少煙塵，保護環(huán)境，改善隧道內的施工條件，最大限度地保護施工人員的健康。

隧道路面中面層采用6 cm中粒式AC-20溫拌瀝青混凝土。瀝青為SBS(I-D)改性瀝青，其性能指標試驗測試結果如表1所示。集料為石灰?guī)r，其中粗集料壓碎值為20.6%，針片狀顆粒含量為9.6%，含泥量為0.4%，分為3檔規(guī)格，分別為9.5～19，4.75～9.5，2.36～4.75 mm，其吸水率分別為0.30，0.37，0.47，表觀相對密度分別為2.723，2.725，2.720，毛體積相對密度分別為2.701，2.698，2.686。細集料為石灰?guī)r加工所得的石屑，規(guī)格為0～2.36 mm，表觀相對密度為2.673。填料為石灰?guī)r礦粉，表觀相對密度為2.695。SBS改性瀝青混合料AC-20的礦料組成摻配比例為:1#粗集料∶2#粗集料∶3#粗集料∶4#細集料∶礦粉=35∶30∶6∶28∶1，其級配組成和馬歇爾試驗結果分別如表2、表3所示。

表1　SBS(I-D)改性瀝青的技術性能試驗結果

通過室內性能對比試驗選用溫拌劑Sasobit，其摻量為瀝青用量的3%。它是由德國Sasol-Wax公司于1997年研發(fā)，外觀為白色或淡黃色固體小顆粒，屬于一種新型聚烯烴類瀝青普適改性劑，為有機降黏型溫拌劑。其機理為加入低熔點的有機添加劑到瀝青或者混合料中，溫拌劑熔化后在瀝青中起到潤滑作用，降低了瀝青的黏度，從而降低瀝青混合料拌和溫度。其密度為0.9 g/cm3，熔點為115 ℃，閃點為286 ℃，135 ℃黏度為5.47×10-3Pa·s，150 ℃ 黏度為3.26×10-3Pa·s。

表2　AC-20級配組成

表3　AC-20最佳瀝青用量及其它性能指標

AC-20溫拌瀝青混凝土中面層施工時采用1臺福格勒super2100型履帶式瀝青攤鋪機攤鋪。其碾壓工序為：初壓，用戴納派克624雙鋼輪壓路機(12 t)靜壓1遍；復壓，用戴納派克624雙鋼輪壓路機(12 t)振壓3～4遍，用徐工XP-303膠輪壓路機(29 t)碾壓2～3遍；終壓,用戴納派克624雙鋼輪壓路機(12 t)靜壓2遍。

2　現(xiàn)場檢測及其結果分析

溫拌瀝青混凝土在攤鋪碾壓過程中，由于攤鋪前其混合料在攤鋪機中進行了二次攪拌，攤鋪溫度的離析情況不明顯，所以在整個現(xiàn)場施工中，重點對碾壓溫度(初壓溫度)進行了監(jiān)測。首先使用紅外線熱像儀結合紅外溫度槍對攤鋪面的碾壓溫度分布情況進行監(jiān)測，記錄不同溫度離析情況。待碾壓完成后，使用無核密度儀檢測相應位置的密度、空隙率，并進行必要的鉆芯取樣以比對校正。最后，對比紅外線熱像儀圖片與無核密度儀數(shù)據(jù)，分析溫度離析對路面質量的影響。先后檢測了215個點的碾壓溫度、密度、壓實度和空隙率。有關的試驗檢測結果例舉如圖1和表4所示。

(1)隧道右洞K54+910,見圖1(a)。圖中出現(xiàn)了一條很明顯的深紅色帶狀離析區(qū)域，它與相鄰高溫區(qū)溫度相差15 ℃，此離析帶空隙率普遍偏大，壓實效果不理想。產(chǎn)生這種離析帶的原因是攤鋪出來的路面溫度沿路線方向呈條狀分布，深紅色帶狀離析區(qū)域粗集料堆積，沒有進行及時的碾壓，導致礦料間的空隙較大，散熱速度比其他區(qū)域快。

(2)隧道右洞K55+020，見圖1(b)。圖中點a和點e的溫度分別為116.1，135.8 ℃，兩者相差19.7 ℃，并且其他區(qū)域的溫度分布不均勻，存在著溫度離析現(xiàn)象。對應紅外線熱像儀所測位置，應用無核密度儀測得的密度、空隙率(如表4所示)表明，在溫度存在明顯差異的部位，瀝青面層的密度隨碾壓溫度的升高呈增大的趨勢。該處出現(xiàn)多個溫度離析的原因是瀝青混合料在車上出現(xiàn)溫度離析，并且攤鋪機啟動不久，二次攪拌不夠均勻。

(3)隧道右洞K55+080，見圖1(c)。圖中攤鋪區(qū)域內碾壓溫度均較高，溫度差別約在10 ℃左右。表4中數(shù)據(jù)表明，相對較低溫度的區(qū)域密度變化不大，與周邊溫度較高區(qū)域的面層密度比較接近，溫度離析不明顯。它與其他溫度較高區(qū)域處于同一個碾壓帶上，在壓路機相同壓實功的作用下，無論溫度較高或較低的區(qū)域，溫拌瀝青混凝土面層的松鋪壓縮比相同，所以密度變化不大。

(4)隧道左洞K55+727，見圖1(d)。圖中整個攤鋪區(qū)域溫度比較均勻，溫度也較高，沒有發(fā)生溫度離析。表4中檢測數(shù)據(jù)表明，當碾壓溫度在144 ℃ 以上時，路面壓實情況良好。整個路段施工溫度比較均勻，主要是由于溫拌瀝青混凝土攤鋪之前進行了二次拌和，并嚴格按照碾壓工序施工，基本消除了溫度離析，效果明顯。

(5)隧道左洞K55+790，見圖1 (e)。圖中顯示碾壓過程中距離左側0.5～2.5 m區(qū)域，較兩側溫度要高。由于瀝青混合料在行駛過程中，卡車周邊的混合料溫度大幅降低，但由于導熱性能低的緣故，熱量從混合料堆的中心向四面?zhèn)鲗У乃俣认喈斁徛?。當卡車抵達攤鋪現(xiàn)場時，卡車周邊物料的溫度就會大大低于物料中部的溫度，出現(xiàn)溫度離析。

(6)隧道左洞K52+810，見圖1(f)。圖中顯示路表面的物料有冷卻現(xiàn)象。因為瀝青混合料在運輸車上與車發(fā)生熱傳遞，加上隨著時間增加，整體溫度在降低，卸料過程中，車廂中部的物料因溫度高、黏性低首先被卸到攤鋪料斗中，而靠近車廂壁的物料總是最后落在料斗的兩側和頂部；高溫物料又是最先攤鋪到基層上，而低溫混合料被延時到最后攤鋪。這個過程進一步加劇了瀝青混合料溫度的不均勻性，溫度的離析更加嚴重，而且每輛車的運輸和卸料都會出現(xiàn)這種離析現(xiàn)象。所以合理確定拌和時間和拌和工藝是非常重要的。

(7)隧道左洞K52+940，見圖1(g)。圖中料車到后繼續(xù)攤鋪，出現(xiàn)了兩個溫度帶，有明顯的橫向分界線。由于拌和站拌和能力不足，運料汽車故障，造成攤鋪現(xiàn)場供料跟不上攤鋪要求而引起攤鋪機停機等料，這時攤鋪出來的混合料會發(fā)生急劇降溫，特別是熨平板后面一段，壓路機不能緊跟碾壓?？諝饨佑|面大，降溫快，從而可以明顯看出等料前的溫度差異。

圖1　碾壓區(qū)域紅外線圖像(單位：℃)Fig.1　Infrared imagery of rolling area(unit:℃)

檢測位置碾壓溫度/℃密度/(kg·m-3)1234平均值計算理論最大密度/(kg·m-3)壓實度/%空隙率/%隧道右洞K54+910141.724532437244924412445142.624502443245124482448127.623852381238223882384130.124092399240224062404256695.34.795.44.692.97.193.76.3隧道右洞K55+020114.922992305231623122308116.123292333232923252329127.923912382237923962387130.023972400240824032402135.824212413243124232422256690.010.090.89.293.16.993.66.494.45.6隧道右洞K55+080130.324162400241524012408121.623862388240224002394126.424022411241523882404135.324112415242824302421256693.96.193.36.793.86.294.45.6隧道左洞K55+727144.524482441244324482445147.024492449244724472448149.924502451245524562453151.324602456245524612458256695.34.795.44.695.64.495.84.2

續(xù)表4

從圖2可以看出，瀝青下面層AC-20的芯樣密度與PQI密度的相關系數(shù)R2為0.989 5，說明使用無核密度儀PQI用于檢測瀝青中面層AC-20密度的結果是可靠的。

圖2　芯樣密度與PQI密度的關系Fig.2　Relationship between core sample density and PQI density

圖3　碾壓溫度與密度、空隙率、壓實度的關系Fig.3　Relationship between rolling temperature and density/voids/compactness

3　溫拌瀝青混凝土碾壓控制溫度及溫度離析判定標準

3.1溫拌瀝青混凝土物理指標分析

根據(jù)現(xiàn)場檢測的溫拌瀝青混凝土表面碾壓溫度與空隙率數(shù)據(jù)，繪制碾壓溫度與密度、空隙率、壓實度以及碾壓溫度差與密度差、空隙率差、壓實度差等關系曲線如圖3和圖4所示。其中有關參量差值為其全試驗路段的平均值與實測值之差，碾壓溫度、空隙率、密度的平均值分別為138 ℃,5.2%,2 433 kg/m3。由圖可知，隨著碾壓溫度的增加，溫拌瀝青混凝土的密度、壓實度逐漸增大，空隙率降低。當碾壓溫度在110～134 ℃區(qū)間時，碾壓溫度與密度、空隙率、壓實度具有良好的線性相關性，相關系數(shù)平方值R2均為0.963 8。當碾壓溫度超過134 ℃ 或者低于110 ℃時，密度、空隙率、壓實度隨碾壓溫度的變化偏離了總體線性規(guī)律。這是由于隨著碾壓溫度的上升，空隙率變小，路面越密實，此后路面也越來越難以繼續(xù)壓實；而隨著碾壓溫度的降低，溫度離析程度的加重，空隙率急劇增大，路面壓實度急劇降低。

圖4　碾壓溫度差與密度差、空隙率差、壓實度差的關系Fig.4　Relationship between rolling temperature difference and density difference/voids difference/compactmes difference

3.2溫拌瀝青混凝土碾壓控制溫度

圖5　AC-20溫拌瀝青混合料空隙率隨擊實溫度的變化Fig.5　Voids of AC-20 warm mixed asphalt varying with compaction temperature

3.3溫拌瀝青混凝土溫度離析評價標準

為了控制溫度離析，人們針對熱拌瀝青混凝土溫度離析的評價指標及其標準開展了一系列的研究工作，所提出的評價指標包括表面構造深度(比值)、空隙率(空隙率差)、密度(密度差)、碾壓溫度差等，如2000年美國國家交通委員會(TRB)設立了研究項目“熱拌瀝青混合料路面的離析”(NCHRP 441)，由美國國家瀝青研究中心承擔該課題的研究[14]，提出了溫度離析的碾壓溫度差評價指標及其標準，如表5所示。

表5　熱拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準

若按此標準，圖1(a)中離析帶為輕度離析；圖1(b)和圖1(f)所示區(qū)域達到中重度離析，圖1(c)中除個別點為嚴重離析外，一般為輕中度離析；圖1(d)所示區(qū)域未出現(xiàn)離析；圖1(e)中局部區(qū)域達到中度離析；圖1(g)中局部區(qū)域達到輕度離析。此外溫拌瀝青混凝土試驗路大部分區(qū)域均未出現(xiàn)溫度離析現(xiàn)象。但由于溫拌瀝青混凝土施工溫度相對較低，適宜的碾壓溫度范圍相對較窄，有必要研究提出專門針對溫拌瀝青混凝土的溫度離析評價標準。

美國在提出碾壓溫度差評價指標及其標準的同時，還提出不同離析情況下空隙率的變化范圍[14]，如表6所示。溫度離析評價標準應能反映碾壓溫度的變化對瀝青路面壓實質量以及路面強度等路用性能的影響程度，以達到改善施工條件、提高施工質量的目的。故可以參照美國提出的熱拌瀝青混凝土不同溫度離析程度時的空隙率變化范圍，確定溫拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準。由此根據(jù)圖4(b)示意的溫拌瀝青混凝土碾壓溫度差與空隙率差之間的關系，可以得到溫拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準，其中嚴重離析時碾壓溫度差為30 ℃，此值超過了表5中所列的21 ℃標準，與溫拌瀝青混凝土施工控制溫度范圍相對較窄的現(xiàn)實不相一致。其原因主要在于與美國空隙率差計算的基準值為未離析區(qū)的空隙率的做法不同，此處是以平均空隙率5.2%為基準值，如以空隙率差2%為未離析標準時，實際空隙率達到7.2%，接近于非排水性瀝青路面空隙率8%的臨界值，即易于產(chǎn)生水損害的危險空隙率范圍。因此，不應以平均空隙率作為空隙率差計算的基準值。Mary S G提出熱拌瀝青混凝土空隙率在3%～5%之間時為未離析狀況[15]，若以3%和中值4%作為空隙率基準值，則可分別得到基于空隙率差的溫拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準，并提出綜合推薦標準，如表7所示。

表6　熱拌瀝青混凝土溫度離析的空隙率差評價標準

表7　基于空隙率差的溫拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準

根據(jù)圖3(a)所示，溫拌瀝青混凝土碾壓溫度與密度之間的相關性較強，相關系數(shù)平方R2為0.963 8，呈現(xiàn)出良好的線性相關性。故可以參照江蘇省交通科學研究院針對熱拌瀝青混凝土提出的密度差離析評價標準[8](如表8所示)，根據(jù)圖4(a)所示的溫拌瀝青混凝土碾壓溫度差與密度差之間的線性關系，確定溫拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準如表9所示。與表5所示的熱拌瀝青混凝土溫度離析碾壓溫度差評價標準相比，以密度差為依據(jù)得出的溫拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準范圍縮窄了2～4 ℃。顯然，這一結果與溫拌瀝青混凝土施工控制溫度范圍相對較窄的現(xiàn)實是一致的。Mary S G提出熱拌瀝青混凝土空隙率在9%以上屬于嚴重離析[15]，參照此標準，根據(jù)圖3(b)可得對應的碾壓溫度為119.62 ℃，即碾壓溫度差為18.38 ℃，接近于表9中嚴重離析的標準，但與表7的推薦值19 ℃ 一致。

表8　熱拌瀝青混合料溫度離析的密度差評價標準

表9　基于密度差的溫拌瀝青路面溫度離析的碾壓溫度差評價標準

以表9所示標準重新評價圖1所示區(qū)域的溫度離析情況，可以發(fā)現(xiàn)，圖1(a)中離析帶為中度離析；圖1(b)所示區(qū)域為中重度離析；圖1(c)中除個別點為嚴重離析外，一般為輕中度離析；圖1(d)所示區(qū)域未出現(xiàn)離析；圖1(e)中局部區(qū)域達到嚴重離析；圖1(f)所示區(qū)域達到嚴重離析；圖1(g)中局部區(qū)域達到中度離析。除圖1(d)所示區(qū)域外，離析程度均有所加重。

由于溫拌瀝青混凝土壓實質量好壞對碾壓溫度變化較為敏感，易產(chǎn)生溫度離析，在制訂溫度離析評價標準時宜要求嚴格。因此，綜合比較表7和表9結果，推薦溫拌瀝青混凝土溫度離析的碾壓溫度差評價標準如表10所示。

表10　溫拌瀝青路面溫度離析的碾壓溫度差評價標準(推薦)

4　結論

本文結合長隧道溫拌SBS改性瀝青路面施工，利用紅外線熱像儀和無核密度儀分別檢測了溫拌瀝青混合料的碾壓溫度和密度、空隙率、壓實度，分析了其溫度離析情況及其產(chǎn)生的原因。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，建議溫拌SBS改性瀝青混合料施工的最低碾壓控制溫度宜為135 ℃，相比同樣條件下的熱拌SBS改性瀝青混合料，碾壓溫度下降了15 ℃(規(guī)范規(guī)定的最低溫度)及30 ℃(實際施工溫度)。最后提出了基于空隙率差和密度差標準的溫拌瀝青混合料溫度離析的碾壓溫度差評價標準，溫拌瀝青混合料溫度離析可劃分為4種不同的離析程度：未離析、輕度離析、中度離析和重度離析，相應的碾壓溫度差評價標準分別為<4，4～11，11-17，>17 ℃。

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Research of Rolling Temperature Segregation of Sasobit Warm Mixed Asphalt Concrete

ZHOU Zhi-gang1，XIONG Kui-yuan1，LUO Gen-chuan1,2，YU Wen-sheng1,3，YANG Zhi-feng1,3

(1.Key Laboratory of Road Structure and Material of Ministry of Transport,Changsha University of Science and Technology， Changsha Hunan 410004，China;2.Guangxi Transport Investment Group Co.,Ltd.，Nanning Guangxi 53000，China; 3.Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co.,Ltd.，Nanchang Jiangxi 330000，China)

We observed the distribution of rolling temperature of warm mixed asphalt paving at different positions of tunnel by using infrared thermal imager,and analyzed different distributions of the temperature segregation and the reasons of temperature difference.By using non-nuclear density gauge,the influence of temperature segregation on compaction quality of middle surface course of asphalt pavement is detected and analysed.A lot of testing data indicates that (1) there is a good linear relationships between rolling temperature of warm mixed asphalt concrete and its density,compaction degree,and voids.According to the rule of compaction quality varying with rolling temperature,and the minimum control requirements of construction quality of degree of compaction and voids,the minimum rolling temperature of the warm mixed asphalt is suggested to be controlled at 135 ℃.Referring to the temperature segregation evaluation criteria of voids and density difference of hot mixed asphalt,the rolling temperature difference evaluation criterion of warm mixed asphalt at different temperature segregation levels is suggested,namely,the temperature segregation can be divided into 4 levels which are:not segregation,mild segregation,moderate segregation and severe segregation,and the corresponding rolling temperature difference evaluation criteria are <4 ℃,4-11 ℃,11-17 ℃ and >17 ℃ respectively.

road engineering:warm mixed asphalt concrete;non-nuclear density gauge;temperature segregation;evaluation criterion;rolling temperature;compactness;voids

2015-01-15

江西省交通科技計劃項目(2011C0063);廣西交通科技計劃項目(桂交科教發(fā)[2013]100號)

周志剛(1966-)，男，湖南長沙人,教授，博士生導師.(zhou_zgcs@sina.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.003

U416.21

A

1002-0268(2016)01-0014-08