隧道路面鋪裝溫拌耐久性瀝青混合料性能分析

李偉治

(廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550)

0 引言

熱拌、溫拌和冷拌是瀝青混合料的三種拌和方法。熱拌瀝青混合料的性能更好，已被廣泛使用，但在施工過程中會(huì)產(chǎn)生較多有害氣體。冷拌瀝青混合料大大降低了施工溫度，環(huán)境效益良好，但混合料耐久性能仍難以保證。溫拌瀝青混合料的拌和溫度處于熱拌與冷拌之間，保障了瀝青混合料的路用性能，降低了施工溫度，減少了瀝青煙等有害氣體的排放，具有較好的社會(huì)效益，得到了越來越多的應(yīng)用。尤其是在密封、潮濕的隧道路面鋪裝環(huán)境下使用溫拌技術(shù)，不僅有效改善了施工人員的作業(yè)環(huán)境，還降低了施工成本。本文以溫拌技術(shù)為對(duì)象，對(duì)隧道鋪裝溫拌、耐久性瀝青混合料的性能及應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1 混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 集料、填料及穩(wěn)定劑

采用性能優(yōu)良、規(guī)格良好的輝綠巖粗集料、石灰?guī)r機(jī)制砂、石灰?guī)r礦粉。采用木質(zhì)素纖維穩(wěn)定劑，性能指標(biāo)見表1。相關(guān)材料均滿足規(guī)范要求。

表1 木質(zhì)素纖維性能指標(biāo)

1.2 溫拌劑

溫拌改性劑A是一種芳香烴，為白色球狀顆粒，在多個(gè)實(shí)體工程應(yīng)用效果良好；溫拌改性劑B是一種白色固體，為聚烯烴類物質(zhì)。溫拌劑的基本物質(zhì)指標(biāo)見表2。根據(jù)廠家建議，溫拌劑的摻量為瀝青質(zhì)量的3%。

表2 溫拌劑的物理指標(biāo)

1.3 溫拌改性瀝青

足量的SBS改性瀝青加熱到流動(dòng)狀態(tài)，分為三部分，一部分用作對(duì)照組；另一部分加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的溫拌劑A，并用攪拌機(jī)以2 000～2 500rpm/min的攪拌速度攪拌約15min，制備溫拌改性瀝青A；最后一部分加入3%溫拌改性劑B，與溫拌改性瀝青A制備方法相同。三種改性瀝青的測(cè)試結(jié)果見表3。

從表3數(shù)據(jù)可以看出，溫拌劑A使改性瀝青的針入度降低了24%，溫拌劑B使改性瀝青的針入度降低了16%。加入溫拌劑A或B可以增加SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)，分別提高改性瀝青的車轍因子1.3倍和0.5倍，提高了改性瀝青的抗高溫變形能力。溫拌劑對(duì)改善改性瀝青的低溫效果不明顯。加入溫拌劑A或B可以改善SBS改性瀝青的粘度、韌性、粘彈性，其中溫拌劑A的作用更為明顯。

表3 改性瀝青性能指標(biāo)

兩種溫拌劑均可提高SBS改性瀝青的60℃動(dòng)力粘度，降低135℃的運(yùn)動(dòng)粘度，能夠確保瀝青混合料易于施工并改善瀝青的高溫性能。研究表明，60℃的動(dòng)力粘度與瀝青混合料的高溫性能相關(guān)，135℃運(yùn)動(dòng)粘度與施工和易性有關(guān)，135℃下的運(yùn)動(dòng)粘度大于3.0MPa時(shí)，施工較困難。加入溫拌劑A，SBS改性瀝青在60℃時(shí)的動(dòng)力粘度增加41%，在135℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度降低60%；溫拌劑B的添加使SBS改性瀝青在60℃下的動(dòng)態(tài)粘度提高20%，而在135℃下的運(yùn)動(dòng)粘度降低40%。

結(jié)合高溫、低溫和抗老化性能，溫拌劑A在改善SBS改性瀝青方面具有更好的效果，因此本文選擇溫拌劑A。

1.4 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

作為磨耗層，瀝青混合料選擇增強(qiáng)型骨架礦料級(jí)配，最大公稱粒徑選擇9.5mm，8.0mm篩孔的通過率為55%，關(guān)鍵篩孔2.36mm的通過率為26.3%，級(jí)配曲線如圖1所示，瀝青含量為5.6%，纖維含量為0.3%。熱拌瀝青混合料時(shí)先投入粗、細(xì)集料，再投入纖維，拌合15s，最后投入瀝青拌合45s，拌合溫度為175℃。溫拌瀝青混合料先投入集料，再投入纖維和溫拌劑，拌合20s，最后投入瀝青拌合45s，拌合溫度為150℃。成型試件并測(cè)試相關(guān)指標(biāo)，見表4。

圖1 礦料合成級(jí)配曲線

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 瀝青混合料拌和及壓實(shí)溫度

通常，粘-溫曲線適合于確定基質(zhì)瀝青混合料的拌和溫度，對(duì)改性瀝青混合料的適用性較差。由曲線確定的改性瀝青混合料的混合壓實(shí)溫度較高，對(duì)瀝青混合料的性能不利。為此，本文基于體積法確定瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度。首先建立溫度-空隙關(guān)系的回歸曲線，并通過該曲線確定瀝青混合料的壓實(shí)溫度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。根據(jù)擬合曲線計(jì)算拌和與壓實(shí)的溫度，拌和溫度按照大于壓實(shí)溫度10℃計(jì)算(表5)。

圖2 不同溫度下的空隙率

表5 不同混合料的計(jì)算壓實(shí)及拌和溫度

從以上圖表可看出，隨著壓實(shí)溫度的提高，試件的空隙率逐漸降低，這是因?yàn)闇囟鹊纳咴黾恿藶r青混合料的流動(dòng)性，降低了瀝青流動(dòng)所需要的溫度，這有助于粘附瀝青的集料之間的滑移，使得瀝青混合料獲得了更好的流動(dòng)性，在相同的壓實(shí)功下溫拌瀝青混合料獲得更加密實(shí)的結(jié)構(gòu)。瀝青混合料壓實(shí)溫度與空隙率指標(biāo)呈線性相關(guān)，R2在0.98以上。溫拌比熱拌瀝青混合料壓實(shí)溫度減低26℃，溫拌技術(shù)降溫效果顯著。

3 瀝青混合料路用性能

3.1 高溫性能

分別在60℃和70℃下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大于規(guī)范要求的6 000次/mm(60℃)，大于規(guī)范要求的3 000次/mm(70℃)，具有更好的抗永久變形能力。溫拌瀝青混合料在60℃和70℃下的耐高溫性比熱拌瀝青混合料分別高16%和9.5%，表明溫拌瀝青混合料可以在一定程度上發(fā)揮作用。改善高溫混合性能，這與60℃下熱拌瀝青的較高粘度有關(guān)。從60℃升高到70℃時(shí)的車轍試驗(yàn)結(jié)果分析看出，混合料的高溫性能對(duì)溫度特別敏感。非高溫區(qū)域的混合料設(shè)計(jì)可采用60℃的穩(wěn)定度，高溫區(qū)域應(yīng)考慮70℃的穩(wěn)定度。

圖3 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 低溫性能

采用-10℃低溫彎曲小梁試驗(yàn)評(píng)價(jià)低溫性能，各測(cè)試5次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表6?？梢钥闯?，熱拌、溫拌瀝青混合料低溫抗裂性能相當(dāng)，變異系數(shù)較小，抗裂性能良好。

表6 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 抗水損害性能

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)兩種瀝青混合料的抗水損害性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。可以看出，溫拌劑的加入可改善瀝青混合料抗水損害的能力。

圖4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.4 疲勞性能

采用小梁試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗疲勞特性，測(cè)試數(shù)據(jù)見表7。在15℃測(cè)試溫度下，800με目標(biāo)拉應(yīng)變，溫拌改性瀝青混合料的疲勞壽命為57.7萬次，比熱拌瀝青混合料提高約24%。

表7 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 抗滑耐久性及環(huán)保效益

某隧道路面鋪裝采用熱拌及溫拌改性瀝青混合料(本文優(yōu)化的級(jí)配及拌合工藝)進(jìn)行磨耗層試驗(yàn)段鋪筑，同時(shí)隧道外路基段路面磨耗層采用熱拌改性瀝青AC-16瀝青混合料(油石比為4.6%)。

4.1 抗滑耐久性

為了評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青混合料的抗滑耐久性，對(duì)比隧道外改性瀝青AC-16瀝青混合料磨耗層(相同的行車荷載及交通狀況)，連續(xù)測(cè)試了其5年的橫向力系數(shù)SFC，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 連續(xù)5年的橫向力系數(shù)SFC

從圖5可以看出，第一年內(nèi)，溫拌改性瀝青混合料的橫向力系數(shù)為68，AC-16瀝青混合料磨耗層為72。從瀝青混合料的初始抗滑性能看，溫拌比AC-16瀝青混合料稍低，這或許是因?yàn)闇匕韪男詾r青混合料較大的油膜厚度的原因，但是仍然滿足規(guī)范SFC大于54的要求。隨著使用年限的增加，溫拌及AC-16瀝青混合料磨耗層的抗滑性能呈衰減趨勢(shì)。AC-16瀝青混合料磨耗層抗滑衰減速度更快，使用第3年衰減到51，第5年衰減到40，5年內(nèi)衰減了44%；溫拌瀝青混合料的橫向力系數(shù)第4年衰減到52，第5年衰減到51，也就是說溫拌瀝青混合料的抗滑性能第4年后趨向穩(wěn)定，5年內(nèi)抗滑性能僅衰減26%，5年后仍然具有較好的抗滑性能。經(jīng)分析可看出，相比于熱拌AC-16瀝青混合料磨耗層，本文提出的溫拌改性瀝青混合料具有更好的抗滑耐久性。

4.2 環(huán)保效益

對(duì)隧道路面鋪裝的熱拌及溫拌改性瀝青混合料在攤鋪過程中，采用有害氣體測(cè)試儀(圖6)測(cè)試相關(guān)的有害氣體的濃度，測(cè)試結(jié)果見表8。

圖6 有害氣體測(cè)試儀

表8 有害氣體測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果

在混合過程中，CO2、NOx、CO、SO2的排放量較大，瀝青可溶性苯和苯并芘、瀝青煙的排放量相對(duì)較小，但危害更大。溫拌瀝青混合料與熱拌料相比，NOx、SO2和苯并芘氣體的排放量減少了一半以上，而CO、瀝青煙和可溶性苯的排放量比熱拌混合料減少了20%以上，這主要是由于溫拌瀝青混合施工溫度比熱拌的降低了26℃。溫拌技術(shù)可

以減少害氣體排放和瀝青煙氣的排放，降低施工溫度，經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益較好。

5 結(jié)論

本文提出的溫拌瀝青混合料具有良好的路用性能，其抗滑性能及抗滑耐久性能優(yōu)良；提出了基于體積法的瀝青混合料的拌和和壓實(shí)溫度確定方法，該方法適用性較好；基于溫拌技術(shù)可以降低施工溫度，減少優(yōu)化氣體排放，在隧道路面鋪裝中具有良好的應(yīng)用前景。