溫拌瀝青混合料合理施工溫度及壓實(shí)特性的研究

孫大權(quán)，王 飛，孟慶楠

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海201804）

0 前言

所謂WMA就是在瀝青混合料中使用一種調(diào)和膠結(jié)料，這種調(diào)和膠結(jié)料具有合適的粘度，從而能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌和及施工。WMA具有節(jié)約能源、減少危害健康的物質(zhì)的排放、可長(zhǎng)期儲(chǔ)存及減少拌和時(shí)瀝青的老化等優(yōu)點(diǎn)。然而迄今為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫拌瀝青混合料的研究工作主要局限于對(duì)溫拌瀝青混合料路用性能的評(píng)價(jià)，并與熱拌瀝青混合料性能進(jìn)行比較，而對(duì)于溫拌瀝青混合料的合理施工溫度及其壓實(shí)特性尚無(wú)真正意義上的研究。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

WMA首先是在歐洲由Shell（殼牌）和Kolo-Veidekke（挪威）于1995年聯(lián)合研制出來，接著日本、澳大利亞和一些歐洲國(guó)家開始大量使用WMA，美國(guó)也于2003年開始引入WMA。目前，世界上WMA的制備技術(shù)主要有以下幾種：

1.1 泡沫瀝青溫拌技術(shù)（WMA-Foam）

泡沫瀝青溫拌技術(shù)WMA-Foam是由英國(guó)Shell（殼牌）公司和挪威Kolo-Veidekke聯(lián)合開發(fā)并擁有專利的一種兩階段法生產(chǎn)溫拌瀝青混合料的技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于必須選擇合適的軟、硬瀝青種類以及二者的比例,以滿足混合料相應(yīng)的路用性能要求。另外在第一階段必須保證集料干燥,防止水分存在于集料表面,必要時(shí)可摻加抗剝落劑以增強(qiáng)抗水損害能力。

1.2 沸石（Aspha-Min）降粘技術(shù)

Aspha-Min是德國(guó)Eurovia公司的產(chǎn)品，呈非常細(xì)的白色粉末狀，是一種人造的合成沸石鋁硅酸鈉，水熱結(jié)晶。產(chǎn)品為粉末狀，可以直接投放或通過外裝的輸送器進(jìn)入拌和樓。沸石內(nèi)含21%的水，在85～182℃時(shí)析出。將Aspha-Min和結(jié)合料同時(shí)加入混合料中，則產(chǎn)生非常小的水泡。水的這種釋放引起結(jié)合料的體積膨脹，產(chǎn)生瀝青泡沫，使其在低溫時(shí)的和易性增加，集料得到良好的裹覆。

1.3 使用瀝青流動(dòng)性改性劑（Sasobit-費(fèi)托石蠟）

Sasobit是南非Sasol Wax的產(chǎn)品，Sasobit能通過化學(xué)反應(yīng)來減小瀝青混合料的粘性，降低生產(chǎn)溫度18～54℃。Sasobit改性瀝青不僅其抗車轍能力提高，另外可使瀝青混合料壓實(shí)度也明顯提高。建議sasobit加入量不應(yīng)超過混合料質(zhì)量的3%。

德國(guó)的生產(chǎn)商還研制出一種類似于Sasobit的有機(jī)物的產(chǎn)品AsphaltanB。研究表明，加入AsphaltanB可以提高瀝青混合料的壓實(shí)性以及抗車轍能力。生產(chǎn)商推薦的AsphaltanB參量為瀝青混合料總質(zhì)量的2%～4%。它既可以直接投入到拌和樓中，也可以直接加入到瀝青當(dāng)中。

1.4 乳化瀝青溫拌技術(shù)（Evotherm）

這種方法是美國(guó)Meadwestvaco公司正在進(jìn)行研究的基于乳化瀝青分散技術(shù)的Evotherm溫拌瀝青混合料。該技術(shù)采用一種特殊的乳化瀝青替代熱瀝青實(shí)現(xiàn)溫拌，其生產(chǎn)工藝與熱拌瀝青混合料基本相同。乳化瀝青溫拌混合料的拌和溫度一般在100℃～120℃左右，在拌和過程中乳化瀝青中的水分以水蒸汽的形式釋放出去，拌和后的溫拌瀝青混合料從外觀上看其裹附和顏色與熱拌瀝青混合料相類似。

2 溫拌瀝青混合料合理施工溫度確定

2.1 試驗(yàn)材料

溫拌劑采用維實(shí)維克公司提供的DAT降粘劑，瀝青采用SBS改性瀝青，石料選用了玄武巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉，礦粉密度為2.704。

2.2 混合料配合比的確定

溫拌瀝青混合料的路用性能一般來講要符合熱拌瀝青混合料的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，該項(xiàng)研究中溫拌瀝青混合料的配合比采用與熱拌瀝青混合料相同的配合比，采用SMA-13級(jí)配的瀝青混合料，其級(jí)配組成如表1所列及圖1所示，油石比選用6.2%。

表1 SMA-13礦料級(jí)配組成匯總表

圖1 SMA-13級(jí)配曲線圖

2.3 拌和溫度對(duì)WMA體積參數(shù)與水穩(wěn)定性的影響

溫拌瀝青的瀝青混合料SMA-13成型四組馬歇爾試件，油石比為6.2%，每組有三個(gè)平行試件，測(cè)定其體積參數(shù)及馬歇爾穩(wěn)定度和流值。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)以及廠方提供的相關(guān)參考數(shù)據(jù)，溫拌瀝青的拌和溫度確定為130℃、150℃、170℃三個(gè)拌和溫度，并與拌和溫度為185℃的熱拌瀝青混合料成型的馬歇爾試件參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，并以體積參數(shù)為控制指標(biāo)，進(jìn)而確定溫拌瀝青混合料的合理施工溫度。

2.3.1 拌和溫度對(duì)SMA-13瀝青混合料體積參數(shù)的影響

SMA-13級(jí)配溫拌瀝青混合料馬氏試驗(yàn)結(jié)果見表2所列及圖2所示。

表2 添加表面活性劑DAT的SMA-13馬氏試驗(yàn)結(jié)果匯總表

由表2與圖2可以確定，對(duì)于SMA-13這種級(jí)配，瀝青采用添加DAT溫拌劑的SBS改性瀝青，油石比采用6.2%，從空隙率與拌和溫度關(guān)系曲線上，可以找到與熱拌瀝青混合料體積參數(shù)數(shù)值交點(diǎn)（圖中粗橫線所對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)的空隙率為熱拌瀝青混合料試件對(duì)應(yīng)的空隙率），大約在152℃時(shí)溫拌瀝青混合料試件與熱拌瀝青混合料試件的空隙率是相同的為4%，滿足規(guī)范的要求，達(dá)到了以熱拌瀝青混合料體積參數(shù)為控制指標(biāo)，確定溫拌瀝青混合料合理拌和溫度的目的。

2.3.2 拌和溫度對(duì)溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

該項(xiàng)研究采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052-2000）中的凍融劈裂試驗(yàn)方法來評(píng)價(jià)各種瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試件采用馬歇爾擊實(shí)儀成型，雙面各擊實(shí)50次，試件經(jīng)處理后測(cè)試劈裂強(qiáng)度，計(jì)算TSR，試驗(yàn)結(jié)果見表3所列及圖3所示。

表3 溫拌瀝青混合料試件凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖3 溫拌瀝青混合料試件劈裂強(qiáng)度比——溫度關(guān)系圖

由表3與圖3可以看出，四種拌和溫度下的溫拌瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比（除110℃）均滿足熱拌瀝青混合料的規(guī)范半干區(qū)和干旱區(qū)的要求（＞80%）。由于表面活性劑DAT含有85%的水分，在混合料的拌和過程中產(chǎn)生大量的水蒸氣，而且殘留的水分形成水膜也影響了混合料的水穩(wěn)定性。在該項(xiàng)試驗(yàn)中可明顯發(fā)現(xiàn)，隨著拌和溫度的升高，DAT溫拌劑的水分蒸發(fā)量也隨之增大，使得集料與瀝青能夠更好地粘結(jié)在一起，溫拌瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比逐漸增長(zhǎng)，即水穩(wěn)定性能隨著拌和溫度的升高而提升。拌和溫度在122℃以上時(shí)添加DAT的SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性即可滿足規(guī)范技術(shù)要求。

3 溫拌瀝青混合料壓實(shí)性能研究

本文采用維實(shí)維克DAT溫拌技術(shù)，利用SGC研究溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性，根據(jù)壓實(shí)曲線計(jì)算溫拌瀝青混合料的壓實(shí)能指數(shù)CEI和密實(shí)能指數(shù)TDI，并與熱拌瀝青混合料壓實(shí)能指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)溫拌瀝青混合料在施工階段和施工后使用階段的壓實(shí)性能。CEI值和TDI值分別反映了混合料在攤鋪碾壓階段和使用階段的壓實(shí)特性。

采用SMA-13級(jí)配，油石比為6.2%，溫拌瀝青混合料拌和溫度為150℃，熱拌瀝青混合料拌和溫度為185℃。溫拌瀝青混合料試件與熱拌瀝青混合料試件的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線見圖4所示。

圖4 溫拌瀝青混合料試件與熱拌瀝青混合料試件旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線圖

公式回歸結(jié)果見表4所列。

評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表5所列及圖5所示。

表4 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線擬合函數(shù)及相關(guān)系數(shù)值匯總表

表5 各試件旋轉(zhuǎn)壓實(shí)能量計(jì)算結(jié)果匯總表

圖5 溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料能量指數(shù)柱狀圖

CEI越小，表明瀝青混合料在攤鋪階段越容易壓實(shí)。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，溫拌瀝青混合料在初始施工階段較熱拌瀝青混合料更容易壓實(shí)。而在使用階段，溫拌瀝青混合料的TDI值較熱拌瀝青混合料的TDI值低，表明在使用階段，溫拌瀝青混合料的抗密實(shí)能力較低，不是非常穩(wěn)定，沒有達(dá)到與熱拌瀝青混合料相同的壓實(shí)性能。此結(jié)果還需要配以車轍等相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步綜合分析評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于SBS改性瀝青，SMA-13瀝青混合料，當(dāng)拌和溫度降低至150℃時(shí)，溫拌瀝青混合料試件的空隙率與熱拌瀝青混合料試件的空隙率是一致的，相對(duì)于熱拌瀝青混合料溫度降低約30℃。

（2）隨著拌和溫度的升高，溫拌瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比逐漸增大，即水穩(wěn)定性明顯提高。拌和溫度在122℃以上時(shí)添加DAT的SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性即可滿足規(guī)范技術(shù)要求，拌和溫度提高后抗水損害效果更佳。

（3）根據(jù)壓實(shí)能指數(shù)CEI計(jì)算結(jié)果，溫拌瀝青混合料在初始施工階段較熱拌瀝青混合料更容易壓實(shí)。而在使用階段，溫拌瀝青混合料的密實(shí)能指數(shù)TDI較熱拌瀝青混合料的TDI值低，表明在使用階段，溫拌瀝青混合料的抗密實(shí)能力可能較熱拌混合料差，可能會(huì)引起車轍等病害。

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