用于路面修復的熱拌瀝青混合料性能評估

摘要：將熱拌瀝青（WMA）用于路面的修復可實現(xiàn)施工后交通的快速開放，然而目前在公路使用WMA明顯缺乏與性能相關(guān)的試驗室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)。為了填補這一空白，文章對中、粗、細三種不同級配的WMA混合料（分別為WMA M、WMA B、WMA A）進行了車轍試驗、水下車轍試驗、磨損試驗、靜態(tài)彎曲和疲勞彎曲試驗，并與常規(guī)的熱拌瀝青（HMA）混合料進行了比較。結(jié)果表明：WMA M的疲勞性能最好，其次是WMA B和WMA A；生產(chǎn)溫度（比正常溫度低50 ℃）對WMA的抗熱裂性能影響不大；WMA B在高溫下具有優(yōu)越的抗磨損性能；在低于正常溫度30 ℃的溫度下生產(chǎn)的粗級配混合料WMA B表現(xiàn)出與熱拌瀝青（HMA）相當?shù)男阅埽虼诉m合用于高速公路路面修復。

關(guān)鍵詞：高速公路；熱拌瀝青混合料；修復；車轍試驗；疲勞彎曲試驗

中圖分類號：U416.217" " " " " 文獻標識碼：A" " " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.019

文章編號：1673-4874（2024）11-0059-03

0引言

熱拌瀝青（HMA）是鋪設瀝青路面最常用的材料［1］，從手工混合和用耙子、鏟子手工鋪設到計算機混合、高度自動化鋪設和壓實，HMA路面的生產(chǎn)和鋪設經(jīng)歷了130多年的發(fā)展。長期以來，瀝青行業(yè)一直在探索技術(shù)改進，最新的創(chuàng)新之一是在近年推出的熱拌瀝青（WMA），其可以在更低的溫度下生產(chǎn)和鋪設而不降低路面質(zhì)量［2］。

熱拌瀝青混合料是一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的新型路面材料［3］，其起源于歐洲，旨在減少溫室氣體排放，隨著人們保護環(huán)境意識的增強和能源成本的上升，逐漸在世界范圍內(nèi)受到歡迎。到目前為止，許多國家已經(jīng)提出了很多工藝來降低混合和壓實溫度并對WMA進行了大量的研究［4］。WMA的優(yōu)點如下：（1）降低工廠氣體排放，保護環(huán)境；（2）降低能源消耗，節(jié)約成本；（3）提高可操作性和壓實效率；（4）由于減少了冷卻時間，可以快速開放交通［5］。

從經(jīng)濟角度來看，道路不能長時間關(guān)閉，通常只有在運營后幾小時之內(nèi)才能安排進行修復工作，而較低的生產(chǎn)溫度和壓實溫度使WMA在通車前花費的硬化時間少于HMA，這使得WMA成為路面修復的較好選擇。日本近年來也開發(fā)了幾種WMA工藝，但主要用于道路領域，對高速公路應用WMA的研究還很少。因此，需要對WMA在路面修復中的應用進行全面的研究。

1研究目標與方法

本研究的主要目的是通過一系列的室內(nèi)試驗，包括車轍試驗、水下車轍試驗、磨損試驗、靜態(tài)彎曲試驗和疲勞彎曲試驗，來評估WMA混合料的工程性能，旨在為高速公路路面修復工程中應用WMA提供試驗依據(jù)。

本研究主要研究最大集料粒徑（MAPS）為20 mm的面層HMA混合料，試驗了三種不同骨料級配的WMA混合料，并與常用的中級配HMA混合料進行比較。為了追求成本效益，使用一種低成本的商業(yè)外加劑生產(chǎn)WMA，且根據(jù)過去的經(jīng)驗，WMA混合料通常是在比正常的HMA生產(chǎn)溫度低30 ℃和50 ℃這兩種溫度下生產(chǎn)的。

2試驗程序

2.1材料

以公路常用的碎砂石和人工砂分別作為粗骨料和細骨料，并且選用了一種以石灰石為原料的礦物填料，所用的聚合物改性瀝青粘合劑性能見表1。根據(jù)測試的黏度-溫度關(guān)系，確定了適當?shù)陌韬蜏囟群蛪簩崪囟确謩e為173 ℃和163 ℃。

試驗所用WMA是由一種日本公司制造的化學添加劑（一種合成蠟）生產(chǎn)的，其基本性質(zhì)列于表2中。該添加劑可以降低瀝青粘結(jié)劑的黏度，使瀝青混合料能夠在較低溫度下拌和，且拌和出的瀝青混合料性能均能達到常規(guī)熱拌瀝青混合料的技術(shù)指標［6］，在生產(chǎn)過程中，以固體小顆粒的形式直接加入骨料混合料中，然后熔化并與瀝青粘合劑一起均勻地包裹在骨料周圍，起粘合作用。

2.2混合料設計

混合料的設計遵循一般的馬歇爾程序（ASTM D1599），由標準馬歇爾錘每側(cè)擊打75下，選取如圖1所示的3個連續(xù)集料級配設計WMA，即指定范圍內(nèi)的中級配、粗級配和細級配，分別用簡單符號M、B、A表示。此外，還將該高速公路通常使用的中級配HMA混合料作為對照混合料進行了測試。

2.3試驗方法

采用車轍試驗（WTT）測定混合料在高溫下的抗變形性能。橡膠面輪胎以42次/min的速度在（300×300×50） mm3的試件上來回移動。用滾動壓實機將試樣壓實，然后在恒定溫度60 ℃的環(huán)境中放置至少6 h，以達到溫度平衡。本試驗在60 ℃下進行1 h，以最終垂直變形量作為抗車轍性能的指標。

在試驗中，將試件放置于水深為1 cm、溫度為60 ℃的試驗軌道中，反復移動輪胎加載，壓力為1.38 MPa。1 000次后終止試驗，用式（1）計算剝離比用于表示混合料的耐水性，是剝離面積除以四個邊的橫截面面積的平均值，如圖2所示。

SR=（A1/S+A2/S+B1/S+B2/S）/4（1）

式中：SR——剝離比（%）；

A1、A2——沿移動方向兩側(cè)的剝離面積；

B1、B2——兩側(cè)垂直于移動方向剝離面積；

S——橫截面面積。

通過四點彎曲疲勞彎曲試驗來評價混合料的疲勞性能。在本研究中，試驗采用400 με的應變水平進行應變控制，輸入應變?yōu)椴ㄐ握倚?，頻率為10 Hz。所用樣品的標準尺寸為長300 mm、寬40 mm、高40 mm。該試驗在20 ℃的溫度下進行。疲勞破壞定義為如圖3所示的應力-失效循環(huán)曲線（log）中的失效點，在此條件下，假設使用溫度為20 ℃，認為疲勞開裂遵循自底向上的粘接失效模式。

圖3典型的應力-疲勞循環(huán)曲線圖在-10 ℃的溫度條件下，對尺寸為（300×100×50）mm3、兩端支撐的矩形試件施加變形速率為10 mm/min的中點荷載，進行簡單三點彎曲試驗，以失效應變作為檢測混合料抗熱開裂的指標，由式（2）計算得出：

ε=6×h×d/l2（2）

式中：ε——失效時的應變（10-6）；

h——樣品高度（mm）；

l——樣品長度（mm）；

d——樣品最大的撓度（mm）。

采用轉(zhuǎn)向輪轍試驗（RT）模擬交通轉(zhuǎn)彎、停車轉(zhuǎn)向、加減速情況下混合料的變化。高速公路的起伏是影響交通運行安全的重要因素，在本次測試中，實心輪胎以10.5 rpm的速度繞半徑為10 cm的圓運動，在試樣表面施加扭曲造成磨損。采用了與車轍試驗相同的樣品，試驗在60 ℃的溫度下進行，并以試樣的重量損失作為評價抗剝落的指標。

3測試結(jié)果與討論

按照上述方法進行了與性能相關(guān)的測試，對于每個試驗制備3個樣本，并使用結(jié)果的平均值進行分析。在本文的以下部分，將A、M和B級配的WMA混合料分別命名為WMA A、WMA M和WMA B。

3.1抗疲勞開裂能力-反復四點彎曲試驗

疲勞彎曲試驗的試驗結(jié)果見表3。由表3可知，與對照混合料相比，生產(chǎn)溫度降低30 ℃導致WMA失效循環(huán)次數(shù)略有減少，其中WMA M的疲勞性能最好，其次是WMA B和WMA A。在生產(chǎn)溫度＜50 ℃的情況下，WMA A、WMA M和WMA B的疲勞壽命分別比WMA的降低了33.3%、27.0%和31.4%。總的來說，在＜30 ℃時生產(chǎn)的WMA A、WMA M和WMA B疲勞試驗結(jié)果略低于對照組HMA混合料是可以接受的。

3.2耐熱裂性-靜態(tài)三點彎曲試驗

如圖4所示，顯示了三點彎曲試驗的失效應變結(jié)果。一般來說，失效時的拉伸應變越大，混合料對熱開裂的敏感性越小?？梢杂^察到WMA B在破壞時的應變比HMA略高，WMA A和WMA M在低于正常拌和溫度30 ℃時也有類似的結(jié)果。將拌和溫度降低到123 ℃，各WMA失效時的應變比對照混合料稍低。這些結(jié)果表明，生產(chǎn)溫度（比正常溫度低50 ℃）對WMA的抗熱裂性能影響不大，對于每個級配，在生產(chǎn)溫度低于正常溫度30 ℃或50 ℃時，WMA均表現(xiàn)出可接受的抗熱裂能力。

3.3抗磨損性-轉(zhuǎn)向輪轍試驗

轉(zhuǎn)向輪轍試驗的結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，與在車轍試驗中觀察到的趨勢相似，所有在123 ℃下拌和的WMA混合料都是不可用的，因為其重量損失太大。在生產(chǎn)溫度低于正常溫度30 ℃的情況下，3種WMA混合料在磨損上差異很大，其中只有WMA B與對照HMA具有可比性的結(jié)果。WMA B在高溫下優(yōu)越的抗磨損性能主要是因為擁有良好的骨料聯(lián)鎖性能。

4結(jié)語

根據(jù)WMA混合料的性能測試結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）對于在低于正常溫度30 ℃下生產(chǎn)的混合料，WMA A和WMA M的抗車轍、抗磨損性和耐水性的性能明顯較低，被認為是可以接受的。

（2）相對而言，在低于正常溫度30 ℃下產(chǎn)生的WMA B似乎適用，因為其除耐水性外的其他性能都表現(xiàn)出與對照HMA混合料相似的性能。因此，建議在所研究的路面修復中使用143 ℃拌和的WMA B。

（3）根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，可以通過添加抗剝落劑、熟石灰或一些液體劑來緩解WMA的水敏感性。在下一階段的研究中，即施工試驗路面時，應在路面WMA B中添加適當?shù)目箘兟鋭┮源_保水穩(wěn)定性能。

參考文獻：

［1］曹坤.熱拌瀝青混凝土面層施工技術(shù)及質(zhì)量控制［J］.四川水泥，2019（1）：298，314.

［2］宋云連，高盼，呂鵬.溫拌瀝青低溫性能及其微觀特性機理研究［J］.材料導報，2021，35（S1）：251-257.

［3］馬占武，俞日高.高速公路路面工程中的溫拌瀝青施工技術(shù)［J］.交通世界，2021（23）：74-75.

［4］蘇淼，王亮，李聰，等.溫拌瀝青路面材料國內(nèi)外研究綜述與應用分析［J］.四川建材，2019，45（4）：165-166.

［5］王偉.談公路路面翻修用溫拌瀝青混合料的實驗室評估［J］.工程建設與設計，2016（13）：154-156.

［6］吳坤.溫拌瀝青短期老化溫度與老化性能研究［J］.上海公路，2021（1）：97-99，122.

作者簡介：韋劍雙（1987—），工程師，主要從事公路橋梁工程施工工作。

收稿日期：2024-05-18