基于體積參數與路用性能的瀝青混合料成型溫度研究

馮振剛，焦曉來，王書娟，張 健，姚冬冬

(1. 長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064； 2. 吉林省交通科學研究所， 吉林 長春 130012； 3. 合肥市規(guī)劃設計研究院， 安徽 合肥 230041)

0 引 言

瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，其各項體積參數和路用性能受溫度影響較大[1-2]。瀝青混合料成型溫度過高，不僅會加速瀝青在施工過程中的老化，影響瀝青與集料之間的黏附性，造成路面病害，也會造成能源的浪費，排放過多的有害氣體污染環(huán)境；如瀝青混合料成型溫度過低，會導致瀝青黏度增加，流動性減小，不利于瀝青混合料的碾壓密實，使瀝青路面出現承載能力過低等問題[3-4]。通過控制瀝青混合料的體積參數或路用性能來調整其成型溫度，可以保證瀝青混合料的質量，已有學者對于瀝青混合料體積參數或路用性能與成型溫度間的關系進行了研究[5-6]。然而，由于瀝青混合料組成的復雜性和種類的多樣性，成型溫度對不同類型瀝青混合料體積參數及路用性能的影響不盡相同。針對不同類型的瀝青混合料，分別開展基于體積參數與路用性能綜合評價的瀝青混合料成型溫度研究，對于更好地指導不同種類瀝青混合料施工溫度控制，保證瀝青路面施工質量具有重要意義。

筆者通過馬歇爾試驗對SMA-13瀝青混合料(后簡稱SMA-13)和AC-20瀝青混合料(后簡稱AC-20)進行了配合比設計，在5個不同溫度(130、140、150、160和170 ℃)下成型了2種瀝青混合料的馬歇爾試件及車轍試件，分別研究成型溫度對2種瀝青混合料不同體積參數(毛體積密度、空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度)和路用性能(高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性)的影響，基于瀝青混合料體積參數與路用性能的評價，分別提出AC-20和SMA-13的適宜成型溫度。

1 原材料

1.1 AC-20所用原材料

采用中國石油遼河石化分公司生產的SBS改性瀝青(SBS摻量為4%)，技術指標如表1，其技術指標均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》[7]的要求。

表1 SBS改性瀝青(4%)的技術指標

粗集料和細集料采用鐵嶺市實信采石有限公司生產的安山巖，技術指標分別見表2和表3，其技術指標均滿足規(guī)范要求[7]。

表2 AC-20用粗集料技術指標

表3 AC-20用細集料技術指標

采用梨樹縣白云灰有限公司生產的礦粉，技術指標如表4，其技術指標均滿足規(guī)范要求[7]。

表4 AC-20用礦粉技術指標

1.2 SMA-13所用原材料

采用中國石油遼河石化分公司生產的SBS改性瀝青(SBS摻量為5%)，技術指標如表5，其技術指標均滿足規(guī)范要求[7]。

表5 SBS改性瀝青(5%)的技術指標

粗、細集料采用小哈拉巴山石場生產的玄武巖，技術指標如表6。

表6 SMA-13用粗、細集料技術指標

瀝青混合料SMA-13所用礦粉與1.1節(jié)相同如表4。

纖維采用黑龍江省中信路橋材料有限公司生產的木質素纖維，技術指標見表7，技術指標均滿足規(guī)范要求[7]。

表7 SMA-13用纖維技術指標

2 瀝青混合料配合比

2.1 AC-20配合比設計

根據規(guī)范[7]要求，對AC-20的礦料組成進行了設計，級配曲線如圖1，最佳油石比為4.6%。

圖1 AC-20合成級配曲線

2.2 SMA-13配合比設計

根據規(guī)范[7]要求，對SMA-13的礦料組成進行了設計，級配曲線如圖2，最佳油石比為6.3%。

圖2 SMA-13合成級配曲線

3 瀝青混合料試件成型與性能測試

3.1 拌 和

3.1.1 AC-20瀝青混合料

將提前加熱好的粗細集料(175 ℃加熱4 h)和瀝青(130 ℃加熱2 h)加入拌和鍋內，在170 ℃的條件下攪拌90 s，然后再往拌和鍋內加入熱礦粉(175 ℃加熱4 h)攪拌90 s，制得AC-20瀝青混合料。

3.1.2 SMA-13瀝青混合料

將提前加熱好的粗細集料(175 ℃加熱4 h)、瀝青(130 ℃加熱2 h)加入拌和鍋內，然后加入纖維并在170 ℃的條件下攪拌90 s，最后往拌和鍋內加入熱礦粉(175 ℃加熱4 h)攪拌90 s，制得SMA-13瀝青混合料。

3.2 試件成型

采用標準馬歇爾擊實儀分別在5個溫度(130、140、150、160和170 ℃)下成型馬歇爾試件，AC-20馬歇爾試件在每個成型溫度下雙面擊實75次，SMA-13馬歇爾試件在每個成型溫度下雙面擊實50次。

采用輪碾成型儀分別在5個不同溫度(130、140、150、160和170 ℃)下輪碾成型車轍試件，每個試件輪碾28次。

3.3 瀝青混合料體積參數與路用性能測試

依據JTG E20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》[8]，利用計算法得到2種瀝青混合料的最大理論密度，其中AC-20的最大理論密度為2.59 g/cm3，SMA-13的最大理論密度是2.69 g/cm3。采用表干法測試2種瀝青混合料的毛體積密度，并通過計算得到空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度等體積參數[9]。

依據規(guī)范[8]，通過車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，采用小梁彎曲試驗測試瀝青混合料的低溫抗裂性，通過浸水馬歇爾試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4 實驗結果與討論

4.1 成型溫度對瀝青混合料體積參數的影響

4.1.1 毛體積密度

2種瀝青混合料毛體積密度與成型溫度的關系如圖3。

圖3 瀝青混合料毛體積密度與成型溫度的關系

由圖3可知：

1)2種瀝青混合料的毛體積密度均隨成型溫度的升高而逐漸增大，其原因在于瀝青的黏度受溫度影響較大，當瀝青混合料成型溫度不斷升高時，瀝青的黏度不斷降低，流動性增大，瀝青在混合料碾壓成型過程中，充當“潤滑”作用，有利于瀝青與集料之間相互移動而形成密實的結構，毛體積密度增大[10]。

2)當成型溫度高于某一值時，2種瀝青混合料毛體積密度的增加速度會隨著成型溫度的進一步升高而逐漸變緩，這是因為當成型溫度升高時，瀝青的“潤滑”作用充分發(fā)揮，在礦料級配的影響下，瀝青混合料的毛體積密度趨于穩(wěn)定。

3)2種瀝青混合料相比，SMA-13的毛體積密度在不同成型溫度下均大于AC-20，這與2種瀝青混合料的結構和組成有關。SMA-13為骨架密實結構，級配偏細，瀝青含量較高(6.3%)，而AC-20為懸浮密實結構，級配相比較粗，瀝青含量相對較低(4.6%)，因此SMA-13的結構更為密實，毛體積密度較大。

4.1.2 空隙率

2種不同瀝青混合料空隙率(VV)與成型溫度的關系如圖4。

圖4 瀝青混合料空隙率與成型溫度的關系

由圖4可知：

1)瀝青混合料AC-20和SMA-13的空隙率隨成型溫度的升高逐漸降低。當成型溫度較低時，2種瀝青混合料空隙率隨溫度升高而降低的速度較快。當AC-20的成型溫度高于160 ℃，SMA-13的成型溫度高于150 ℃時，空隙率的減小速度開始變緩。這主要與瀝青混合料的毛體積密度隨成型溫度的變化關系有關，由空隙率的計算公式可知，瀝青混合料的空隙率大小與毛體積密度和理論最大密度的比值呈負相關，而不同成型溫度下的同一種瀝青混合料的組成材料相同，故同一種瀝青混合料理論最大密度一定。由4.1.1節(jié)可知，隨成型溫度升高，瀝青混合料毛體積密度增大，且其增長速率逐漸變緩，因此瀝青混合料的空隙率逐漸降低，且其降低的速率逐漸變緩。

2)在同一成型溫度下，AC-20的空隙率都大于SMA-13，這取決于2種瀝青混合料的結構和組成特點。SMA-13的礦料級配較細，瀝青含量較高(6.3%)，AC-20的礦料級配相比較粗，瀝青含量較低(4.6%)；與AC-20相比，有更多的瀝青填充于SMA-13的礦料間隙中，SMA-13的空隙率在不同成型溫度下均小于AC-20。

4.1.3 礦料間隙率

礦料間隙率(VMA)是指壓實瀝青混合料試件中，礦料外的體積占試件總體積的百分率，其能在一定程度上表征瀝青混合料壓實的效果。2種瀝青混合料礦料間隙率與成型溫度的關系如圖5。

圖5 瀝青混合料礦料間隙率與成型溫度的關系

由圖5可知：

1)2種瀝青混合料的礦料間隙率均隨成型溫度的升高呈現降低的趨勢，且當AC-20的成型溫度高于160 ℃，SMA-13的成型溫度高于150 ℃時，礦料間隙率的減小速度開始變緩。這是由于成型溫度越高，瀝青的黏度越小，潤滑作用越明顯，礦料的堆積越緊密，礦料間隙率越小。

2)在相同成型溫度下，SMA-13的礦料間隙率均大于AC-20的礦料間隙率。瀝青混合料礦料間隙率的大小等于空隙率(VV)和瀝青體積百分率(VA)之和，雖然SMA-13的空隙率小于AC-20，但是由于SMA-13中的瀝青含量較高，其瀝青體積百分率較大，在二者的綜合作用下使得SMA-13的礦料間隙率大于AC-20。

4.1.4 瀝青飽和度

瀝青飽和度(VFA)指壓實瀝青混合料試件中，瀝青實體體積占礦料骨架實體以外的空間體積的百分率，它能間接表征瀝青混合料壓實效果。2種瀝青混合料瀝青飽和度與成型溫度的關系如圖6。

圖6 瀝青混合料瀝青飽和度與成型溫度的關系

由圖6可知：

1)2種瀝青混合料的瀝青飽和度隨著成型溫度的升高而逐漸增大，其原因是隨著成型溫度的升高，瀝青的黏度降低，有利于瀝青與集料相互移動形成密實的結構，礦料間隙率變小，瀝青飽和度增大[11]。

2)在相同的成型溫度下，SMA-13的VFA值均大于AC-20，這是因為SMA-13中瀝青含量較高，填充于礦料間隙中的瀝青含量相對也較多。

4.2 成型溫度對瀝青混合料路用性能的影響

4.2.1 高溫穩(wěn)定性

對2種瀝青混合料進行車轍試驗，其動穩(wěn)定度與成型溫度之間的關系如圖7。

圖7 瀝青混合料動穩(wěn)定度與成型溫度的關系

由圖7可知：

1)2種瀝青混合料的動穩(wěn)定度都隨著成型溫度的升高而不斷增大，其主要原因是隨著成型溫度的升高，瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率不斷減小，瀝青飽和度不斷增加，瀝青混合料更加密實，二次壓密變形減小；同時瀝青混合料在壓實過程中，粗骨料之間的間距不斷減小，瀝青混合料抵抗外界變形能力不斷增加，高溫穩(wěn)定性不斷提高[12]。

2)在相同成型溫度下SMA-13的動穩(wěn)定度均大于AC-20。這是由于SMA-13為骨架密實型結構，粗集料、礦粉和瀝青含量均較高，黏聚力和內摩擦角較大；AC-20為懸浮密實型結構，粗集料較少、細集料較多，黏聚力大而內摩擦角小，在高溫條件下SMA-13的高溫抗車轍性能優(yōu)于AC-20。

4.2.2 低溫抗裂性

對2種瀝青混合料進行低溫小梁彎曲試驗，以最大彎拉應變來評價瀝青混合料的低溫抗裂性，最大彎拉應變越大，瀝青混合料低溫抗裂性能越好。2種瀝青混合料最大彎拉應變與成型溫度之間的關系如圖8。

圖8 瀝青混合料最大彎拉應變與成型溫度的關系

由圖8可知：

1)2種瀝青混合料的最大彎拉應變隨著成型溫度的升高呈現先增大后減小的趨勢，AC-20在160 ℃時最大彎拉應變達到最大值6 997 με，SMA-13在150 ℃時最大彎拉應變達到最大值11 500 με。這表明瀝青混合料的低溫抗裂性隨著成型溫度的升高逐漸改善。當成型溫度高于某一值后其低溫抗裂性隨著成型溫度升高又逐漸下降。這是因為隨著成型溫度的升高，瀝青的黏度降低易于流動，瀝青混合料碾壓成型之后結構更加密實，抵抗溫度應力變形的能力也會增加，低溫抗裂性有所改善；隨著成型溫度的進一步升高，高溫加速了瀝青在拌和、成型過程中的老化，瀝青性能開始下降，瀝青與集料之間的黏附性也有所降低，在低溫下更容易發(fā)生開裂破壞，因此瀝青混合料的低溫抗裂性有所降低。

3)在相同成型溫度下，SMA-13的低溫抗裂性優(yōu)于AC-20，這是因為SMA-13的瀝青含量較高，空隙率較小，瀝青混合料整體結構密實，瀝青混合料的細微裂縫在受荷載應力和溫度應力作用不斷擴展的時候，需要更大的作用力來克服骨料和瀝青膠結料界面形成的黏結力，同時SMA-13中的纖維對混合料的低溫抗裂性能也具有提高作用[13-14]。

4.2.3 水穩(wěn)定性

對2種瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，以殘留穩(wěn)定度評價其水穩(wěn)定性，殘留穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好。瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與成型溫度的關系如圖9。

圖9 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與成型溫度的關系

由圖9可知：

1)2種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度隨著成型溫度的升高均先增大后減小，即瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著成型溫度的升高先改善后劣化，這是因為當瀝青混合料成型溫度較低時，其密實度不足，空隙率較大，自由水容易進入瀝青混合料內部，使瀝青從集料上剝落，水穩(wěn)定性較差；隨著成型溫度的升高，瀝青的黏度下降，瀝青混合料易于密實成型，空隙率減小，阻隔了自由水進入瀝青混合料的內部，瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著成型溫度的升高而有所改善；隨著成型溫度的繼續(xù)升高，瀝青老化嚴重，大大降低了瀝青與集料之間的黏附性，水分更容易進入瀝青與集料的界面，造成瀝青從集料表面剝落，引起水損害，水穩(wěn)定性明顯下降[4]。

2)AC-20在140 ℃時殘留穩(wěn)定度達到最大值91.9%，SMA-13在150 ℃時殘留穩(wěn)定度達到最大值94.7%。

4.3 小 結

綜合2種瀝青混合料體積參數隨成型溫度的變化規(guī)律可知，瀝青混合料的各項體積參數隨著成型溫度的升高會逐漸趨于穩(wěn)定，即通過升高成型溫度并不能無限地降低瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率，或提高瀝青混合料的毛體積密度和瀝青飽和度。綜合瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性隨成型溫度的變化規(guī)律可知，適度升高成型溫度有利于改善瀝青混合料的路用性能，而成型溫度過高(AC-20超過140 ℃左右，SMA-13超過150 ℃左右)會導致瀝青混合料的部分路用性能(如水穩(wěn)定性)下降。因此，綜合成型溫度對混合料體積參數和路用性能的影響，推薦AC-20的成型溫度不宜高于140 ℃，SMA-13的成型溫度不宜高于150 ℃。

5 結 論

筆者通過馬歇爾試驗對2種瀝青混合料(AC-20和SMA-13)進行配合比設計，在5個不同溫度(130、140、150、160和170 ℃)下成型了2種瀝青混合料的馬歇爾試件及車轍試件，分別研究了成型溫度對2種瀝青混合料不同體積參數和路用性能的影響以及AC-20瀝青混合料和SMA-13瀝青混合料的適宜成型溫度。研究得到以下主要結論：

1)隨著成型溫度的升高，瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率不斷減小，而毛體積密度和瀝青飽和度不斷增大，各項體積參數隨著成型溫度的升高均會逐漸趨于穩(wěn)定。

2)隨著成型溫度的升高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性逐漸增強，而低溫抗裂性和水穩(wěn)定性先升高后降低。

3)綜合瀝青混合料體積參數及路用性能隨成型溫度的變化規(guī)律，推薦AC-20的成型溫度不宜高于140 ℃，SMA-13的成型溫度不宜高于150 ℃。