基于纖維摻量的溫拌SMA-13瀝青混合料技術(shù)研究

李 儀，郭 晗，徐敏賢，葉正祥，鄭磊煒，杜榮東

(中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 蘇州 215131)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路的交通量也迅速增加。由于瀝青路面具有低噪聲、高舒適性、易養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此在路面工程中得到了廣泛運(yùn)用。但瀝青路面也存在一些缺點(diǎn)，比如施工時(shí)溫度過(guò)高以及排放有害氣體等問(wèn)題，這不僅造成了能源的大量消耗，還嚴(yán)重影響了施工人員的身體健康[1-2]。在上述問(wèn)題的背景下，近年來(lái)溫拌瀝青混合料技術(shù)成為了學(xué)者研究的熱門方向。與熱拌技術(shù)相比，溫拌技術(shù)不僅具有與熱拌瀝青混合料的優(yōu)良的路用性能，還能降低瀝青混合料拌合攤鋪時(shí)的溫度，這樣可以大大降低施工時(shí)對(duì)環(huán)境的不利影響，也降低了對(duì)能源的消耗，同時(shí)也有利于施工人員的身體健康，具有極大的實(shí)用意義。因此本文研究開(kāi)發(fā)出一種高性能且降溫效果好的溫拌SMA-13瀝青混合料[3-6]。因此本實(shí)驗(yàn)研究的目的是：通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的方法，研究三種溫拌劑及三種纖維摻量對(duì)SMA-13瀝青混合料降溫效果的影響，然后對(duì)各類型瀝青混合料進(jìn)行了高溫車轍實(shí)驗(yàn)、抗水毀能力實(shí)驗(yàn)、低溫小梁彎曲實(shí)驗(yàn)，最后確定最佳的溫拌方式。

2 原材料

2.1 集料

本實(shí)驗(yàn)選用的集料為玄武巖。粗、細(xì)集料各檔粒徑的范圍為:10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，0 mm～3 mm，選用的礦粉由石灰石磨制而成，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，表2。

表1 粗、細(xì)集料性能指標(biāo)

表2 礦粉性質(zhì)指標(biāo)

2.2 SBS改性瀝青

本文所采用的瀝青是SBS改性瀝青。本各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 瀝青性能指標(biāo)

2.3 纖維

本實(shí)驗(yàn)所采用的添加劑為木質(zhì)素纖維。其技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 木質(zhì)纖維技術(shù)指標(biāo)

2.4 溫拌劑

本文采用的溫拌劑分別是Evotherm M1溫拌劑(以下簡(jiǎn)稱M1)，Sasobit溫拌劑(以下簡(jiǎn)稱Sa)，Redise LQ-1102C溫拌劑(以下簡(jiǎn)稱1102),其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5，表6。

表5 溫拌劑M1，1102性能指標(biāo)

表6 溫拌劑Sa性質(zhì)指標(biāo)

3 溫拌SMA-13瀝青混合料的體積性能

3.1 確定礦料級(jí)配

為了研究不同溫拌劑和纖維摻量對(duì)SMA-13瀝青混合料的影響，根據(jù)以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此本實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法對(duì)SMA-13瀝青混合料最佳瀝青含量的設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)參考了一定量Superpave最基本的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸載次數(shù)選擇初始、設(shè)計(jì)與最大旋轉(zhuǎn)次數(shù)。本實(shí)驗(yàn)參考表7的應(yīng)用典型道路的要求，確定采用中等至重交通道路所要求的壓實(shí)參數(shù)，即N初始=8次，N設(shè)計(jì)=100次，N最大=160次。

表7 Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用的級(jí)配為SMA-13，集料規(guī)格分別為10 mm～15 mm，5 mm～10 mm,0 mm～3 mm，其與礦粉的比例分別為29∶48∶12∶11,合成級(jí)配見(jiàn)表8。

表8 SMA-13合成級(jí)配

本實(shí)驗(yàn)以最佳級(jí)配為基礎(chǔ)，選用4種瀝青用量分別為5.37%，5.67%，5.97%，6.27%成型混合料試件，其中纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%，在180 ℃的條件下拌合制得瀝青混合料，然后在170 ℃的條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，壓實(shí)次數(shù)設(shè)定為N設(shè)計(jì)=100。測(cè)試木質(zhì)纖維成型試件的各項(xiàng)體積指標(biāo)。

以空隙率為4.0%為控制指標(biāo)，通過(guò)圖1得到最佳瀝青用量為5.77%，同時(shí)混合料的VFA和VMA均能滿足要求。

3.2 最佳壓實(shí)溫度的確定

在最佳瀝青含量基礎(chǔ)下，為了確定三種溫拌劑、三種木質(zhì)纖維摻量的最佳壓實(shí)溫度，三種木質(zhì)纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%，0.15%，0%。首先制備溫拌瀝青，然后在三個(gè)拌合溫度條件下制備各種瀝青混合料，三種拌合溫度分別為180 ℃，165 ℃,150 ℃，最后在拌合溫度-10 ℃的條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，通過(guò)水中重法測(cè)定和計(jì)算體積參數(shù)。根據(jù)混合料的體積參數(shù)規(guī)范要求確定拌合溫度，本實(shí)驗(yàn)以混合料空隙率為4.0%時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓實(shí)溫度作為最佳壓實(shí)溫度。三種纖維摻量空隙率和拌合溫度線性關(guān)系見(jiàn)圖2，空隙率和拌合溫度的線性回歸方程及最佳拌合溫度見(jiàn)表9。

表9 空隙率和拌合溫度的線性回歸方程及最佳拌合溫度

由圖2和表9可以得出:

1)在0.3%木質(zhì)纖維摻量的條件下，向SBS改性瀝青中添加溫拌劑Sa，1102，M1后，混合料試件空隙率與拌合溫度的線性相關(guān)性都比較好。以4.0%作為目標(biāo)空隙率，可以通過(guò)線性回歸方程得出，1102-SBS的目標(biāo)拌合溫度為169 ℃，降溫幅度為11 ℃；M1-SBS的目標(biāo)拌合溫度為166 ℃，降溫幅度為14 ℃;Sa-SBS的目標(biāo)拌合溫度為171 ℃，降溫幅度為9 ℃。

2)在木質(zhì)纖維摻量降到0.15%后，向SBS改性瀝青中添加溫拌劑Sa，1102，M1后，混合料試件空隙率與拌合溫度的線性相關(guān)性都比較好。以4.0%作為目標(biāo)空隙率，可以通過(guò)線性回歸方程得出，1102-SBS的目標(biāo)拌合溫度為153 ℃，降溫幅度為27 ℃；M1-SBS后的目標(biāo)拌合溫度為149 ℃，降溫幅度為31 ℃;Sa-SBS的目標(biāo)拌合溫度為159 ℃，降溫幅度為21 ℃。

3)當(dāng)混合料無(wú)纖維時(shí)，向SBS改性瀝青中添加溫拌劑Sa，1102，M1后，混合料試件空隙率與拌合溫度的線性相關(guān)性都比較好。以4.0%作為目標(biāo)空隙率，可以通過(guò)線性回歸方程得出，1102-SBS的目標(biāo)拌合溫度為134 ℃，降溫幅度為46 ℃；M1-SBS后的目標(biāo)拌合溫度為132 ℃，降溫幅度為48 ℃;Sa-SBS的目標(biāo)拌合溫度為141 ℃，降溫幅度為39 ℃。

謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)：

在規(guī)范中，熱拌SMA瀝青混合料的試驗(yàn)溫度為拌合溫度+5 ℃進(jìn)行，即185 ℃。由于本試驗(yàn)以溫拌瀝青SMA-13混合料為研究對(duì)象，因此混合料的試驗(yàn)溫度應(yīng)參照各瀝青混合料的拌合、攤鋪溫度來(lái)執(zhí)行，因此謝倫堡析漏損失率試驗(yàn)條件改為各拌合溫度+5 ℃進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 析漏結(jié)果

由表10的數(shù)據(jù)可知:

4 溫拌SMA-13瀝青混合料的路用性能

4.1 車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)規(guī)范對(duì)在各溫拌瀝青混合料所對(duì)應(yīng)壓實(shí)溫度條件下成型的車轍板進(jìn)行車轍實(shí)驗(yàn)。各瀝青混合料實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)據(jù)

通過(guò)表11可以看出:

1)比較同一種纖維的各種阻燃瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度，動(dòng)穩(wěn)定度的大小依次為:Sa>SBS≈M1≈1102，溫拌劑Sa可以顯著提高混合料的高溫抗車轍能力，這是因?yàn)闇匕鑴㏒a可以均勻分布在瀝青中，形成網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青混合料的抗車轍能力；

2)比較不同纖維摻量的各溫拌阻燃瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，0.3%摻量的木質(zhì)1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS的動(dòng)穩(wěn)定度比0.15%摻量木質(zhì)混合料的分別高5.7%，7.4%，9.4%，0.15%摻量的木質(zhì)1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS的動(dòng)穩(wěn)定度比0摻量木質(zhì)混合料的分別高59.2%，50.5%，65.0%，說(shuō)明了纖維摻量越高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性就越好。在瀝青混合料中，纖維的加入減小了自由瀝青膜的厚度，降低瀝青混合料中瀝青的流動(dòng)性，因此纖維摻量越大，降低了瀝青在瀝青混合料中的流動(dòng)性，混合料的抗車轍性能就越好。

4.2 溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料抗水毀能力

根據(jù)規(guī)范對(duì)在各溫拌阻燃瀝青混合料所對(duì)應(yīng)壓實(shí)溫度條件下成型的馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂實(shí)驗(yàn)。各瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比見(jiàn)表12。

表12 凍融劈裂數(shù)據(jù)

通過(guò)表12可以看出:

1)比較同一種纖維的各種阻燃瀝青的凍融劈裂強(qiáng)度比，凍融劈裂強(qiáng)度比的大小依次為:M1>1102>Sa≈SBS，說(shuō)明了溫拌劑Sa對(duì)瀝青混合料的抗水毀能力影響不大,這是因?yàn)闉r青混合料中的瀝青薄膜可以在溫拌劑1102，M1的幫助下驅(qū)離并取代石料表面的殘留水分，并且?guī)椭鸀r青薄膜與石料表面形成牢固的化學(xué)作用力，提高瀝青混合料的抗水毀能力。

2)0.3%摻量的木質(zhì)1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別比0.15%摻量的木質(zhì)混合料的要高5.0%，4.4%，3.9%，0.15%摻量的木質(zhì)1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別比0摻量的木質(zhì)混合料的要高6.7%，7.1%，5.9%。說(shuō)明了纖維的摻量越多，混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比就越大。這是因?yàn)槟举|(zhì)纖維自身在瀝青混合料中起到的加筋作用，可以與瀝青之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提升瀝青混合料的抗水毀能力，同時(shí)纖維摻量越多，結(jié)構(gòu)瀝青含量也就越多，混合料中自由瀝青的含量也就越少，從而增加混合料的瀝青膜厚度，混合料中瀝青膜厚度的增加對(duì)阻礙水分剝離混合料有積極作用。

4.3 溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料低溫性能

低溫小梁彎曲試驗(yàn)是一種評(píng)價(jià)低溫抗裂性能試驗(yàn)重要方法,根據(jù)規(guī)范對(duì)在各溫拌瀝青混合料所對(duì)應(yīng)壓實(shí)溫度條件下成型的小梁試件進(jìn)行低溫性能實(shí)驗(yàn)。各種瀝青混合料實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。

由表13可知:

表13 低溫性能數(shù)據(jù)

1)在同一種纖維及摻量條件下，比較熱拌及三種溫拌瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，極限彎拉應(yīng)變，其大小為:1102≈M1≈SBS>Sa，這是因?yàn)闇匕鑴㏒a降低瀝青混合料的低溫性能，因?yàn)闇匕鑴㏒a本質(zhì)上是一種石蠟，瀝青混合料長(zhǎng)時(shí)間置于低溫環(huán)境中，溶解在瀝青中的蠟分子會(huì)與一小部分被它吸附的瀝青一起析出，使得瀝青變得又脆又硬，因此溫拌劑Sa降低了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2)比較三種纖維摻量的溫拌瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，極限彎拉應(yīng)變的大小，0.3%>0.15%>0%，其中，摻量0.3%的1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的極限彎拉應(yīng)變比0.15%摻量的混合料分別高6.3%，6.9%，6.2%，摻量0.15%的1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的極限彎拉應(yīng)變比無(wú)纖維的分別高1.7%，4.6%，6.0%；產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋豪w維在瀝青混合料中起著加筋與橋接的作用，纖維摻量越高，瀝青與集料的黏附能力就越強(qiáng)，混合料的極限抗彎拉能力也就越強(qiáng)，瀝青混合料的低溫抗裂性能也就越好。

5 結(jié)論

1)通過(guò)高溫車轍實(shí)驗(yàn)、凍融劈裂實(shí)驗(yàn)、低溫彎曲破壞實(shí)驗(yàn)表明，溫拌劑Sasobit可以提升瀝青混合料的高溫性能，對(duì)抗水毀能力影響很小，但是顯著降低了混合料的低溫性能。溫拌劑1102與M1能大幅度的提升瀝青混合料的抗水毀能力，對(duì)高溫性能及低溫性能的影響不大。

2)從各項(xiàng)路用性能結(jié)果來(lái)看，當(dāng)纖維摻量為0.3%和0.15%時(shí)，兩種纖維的各類型瀝青混合料的路用性能均能滿足規(guī)范要求。瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能均隨著纖維量的減少而降低。

3)與熱拌瀝青混合料相比，采用溫拌劑M1、摻量為0.15%的木質(zhì)纖維的瀝青混合料，其降溫幅度可達(dá)31 ℃。該瀝青混合料不僅能滿足路用性能的各項(xiàng)規(guī)范要求，還具有節(jié)省成本、良好的施工性能和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。