溫拌瀝青混合料壓實特性的研究

張仁洪 ，李 俊 ，李 交

（1.蘇州市千燈鎮建管所,江蘇蘇州 215323；2.上海浦東路橋建設股份有限公司工程技術研究所,上海市 201203）

0 前言

眾所周知，溫拌瀝青混合料（WMA）的拌合施工溫度比熱拌瀝青混合料降低20℃～40℃。在滿足低溫環境施工的同時，大大降低了混合料生產施工過程中產生的煙霧和有害氣體（包括COX、SOX、NOX等）。在生產施工過程中減少了碳的排放量，意味著增加了碳的利用率，相當于減少了碳的消耗，節能又環保，是全球倡導的未來道路發展方向。本文將通過室內試驗對比探討溫拌瀝青混合料的壓實特性。

普通熱拌瀝青路面的碾壓方式一般以鋼輪振碾為主，膠輪碾壓為輔，然而此碾壓方式在溫拌瀝青路面碾壓時未必會具有最佳效果。瀝青路面碾壓時，鋼輪振動壓實近似于室內馬歇爾壓實工藝，而膠輪壓實則近似于揉搓行為的壓實工藝。本文通過Superpave旋轉壓實法與馬歇爾擊實法分別制作溫、熱拌瀝青混合料，分析混合料在兩種不同壓實工藝下的體積參數與指標變化及其變化機理，探討溫拌瀝青混合料的壓實特性。

1 兩種混合料設計方法

混合料的設計方法主要有兩種：一種是馬歇爾設計法，是由美國密西西比州公路局工程師布魯斯.G.馬歇爾提出,是目前國內外瀝青混合料設計的主要方法，我國于20世紀70年代引進馬歇爾設計法并沿用至今。

另一種是Superpave混合料設計法，該方法是美國SHARP計劃的主要成果，采用Superpave旋轉壓實儀SGC(Superpave Gyratory Compactor)完成。旋轉壓實能較好地模擬混合料的野外壓實,而且用旋轉壓實儀評價混合料時,不僅可以評價壓實過程中某一點的壓實情況,還可以評價瀝青混合料在整個服務期間的密實特征。如圖1所示,SGC的壓實基本原理是:試件在一個控制室中緩慢地壓實,試件運動的軸線如同一圓錐,它的頂點與試件頂部重合。旋轉底座將試模定位于1.25°的旋轉壓實角,以30 r/min的恒定速率旋轉，見表1。壓力加載頭對試件實施600 kPa的豎直壓力。這樣在混合料倒入試模中后同時受到豎向壓力與水平剪力的作用,使集料顆粒定向形成骨架,這種過程模擬了荷載對道路搓揉壓實作用,用這種儀器成型試件的體積特性、物理特性和現場鉆芯取樣的結果相關性很好。

圖1 SGC壓實示意圖

表1 SGC旋轉壓實儀參數

探討具有不同壓實功的兩種壓實方法對溫拌、熱拌瀝青混合料的密度、空隙率、馬歇爾穩定度以及凍融劈裂強度等指標的影響。研究過程中，為防止旋轉壓實過壓情況出現，將不會嚴格參照Superpave要求的125圈進行壓實，具體的SGC旋轉壓實測試方法在下面會有探討。

2 材料與級配

參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中混合料設計規范，選定AC-13級配制作瀝青混合料試件，具體材料指標如下。

2.1 集料

本次試驗采用石灰石礦料，石料各檔范圍為5～13 mm，3～5 mm，0～3 mm，填料為石灰石礦粉。

2.2 溫拌劑

由于研究內容涉及到溫拌瀝青混合料，本次溫拌添加劑采用上海浦東路橋建設股份有限公司自主研發的溫拌劑LB。該溫拌劑是一種由有機溫拌添加劑OMD、廢舊塑料再生蠟ROW和無機穩定劑ISD組成的復合型溫拌劑，直接投入到瀝青中攪拌即可。其物理指標見表2。

表2 有機溫拌劑LB物理指標

2.3 瀝青結合料

普通熱拌混合料采用SBS改性瀝青，其性能指標見表3。

表3 本研究熱拌改性瀝青指標測試結果

溫拌改性瀝青需提前制備，制備方法為將溫拌劑加入到160℃SBS改性瀝青中機械攪拌25 min，其性能指標見表4。

表4 本研究溫拌改性瀝青指標測試結果

2.4 級配

采用AC-13密級配混合料類型，其級配范圍及曲線見表5和圖2。

表5 AC-13混合料級配

圖2 合成級配曲線

2.5 最佳瀝青用量

根據已定級配選擇5組瀝青用量，分別測試空隙率，見圖3，以目標空隙率3.8%確定最佳瀝青用量為4.0%。

圖3 不同瀝青用量對空隙率的影響

3 試件成型

普通熱拌改性瀝青混合料試件參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）制作，室內拌和溫度180℃，壓實溫度控制在160℃成型。對于溫拌改性瀝青混合料，拌和溫度為160℃，壓實溫度為130℃，溫拌改性瀝青需提前制備，加入拌缸前應先攪拌以防溫拌劑或SBS離析，瀝青溫度控制在160℃上下。

3.1 馬歇爾成型

參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）制作標準試件，試件尺寸為101.5 mm×63.5 mm，共制作3組瀝青混合料，分別是普通熱拌瀝青混合料、LB溫拌瀝青混合料和無溫拌劑的溫拌瀝青混合料。制樣過程中，遵循單一影響因子原則，即避開壓實成型方案以外的干擾因素，比如試件重量等。具體為：制作熱拌瀝青混合料試件，取成型試件高度為63.5 mm時的試件重量m為制樣過程中試樣重量控制的統一標準，即當制作剩余所有瀝青混合料時，試件稱取重量均控制為m成型。

3.2 旋轉壓實成型

選用直徑100 mm模具，以馬歇爾成型時沉淀的重量m為標準制作試件，方案與馬歇爾成型時一樣。在壓實圈數的選擇上，Superpave要求的旋轉圈數為125圈，但經過試驗測試，當旋轉壓實圈數達到125圈時，3種瀝青混合料的空隙率已經非常接近，屬過度壓密，見表6、表7。

表6 125圈時3種混合料試件高度

表7 125圈時3種混合料試件密度與空隙率

從表6可以看出，當旋轉壓實圈數達到125圈時，3種混合料試件的高度連續8圈無變化，說明3種混合料均幾乎完全被壓密；而從表7試件密度和空隙率來看，在125圈時，3種混合料的密度和空隙率已經非常接近，即便是未添加溫拌劑的溫拌瀝青混合料也已被壓密實，顯然3種混合料均已過壓。

那么，為防止混合料過壓，空隙率過于接近導致試驗結果失去對比意義，因此本研究沒有參照Superpave要求的125圈進行壓實。而是以試件高度無明顯變化時的圈數為準，具體圈數設定方法為：熱拌第一個試樣出現連續2組4個相同試件高度時，最后一個數值所在的旋轉圈數即為設定的壓實圈數q，同樣遵循控制參數統一原則，將此圈數固定，剩余其他所有的試件壓實圈數均為q，根據室內實際試驗結果，確定旋轉壓實圈數q為70圈，見表8。

表8 壓實圈數的確定

從壓實高度上的差異可以區分3種混合料的壓實效果，表8數據證明了本研究采用的旋轉圈數確定方法可行。

4 試驗結果及分析

對馬歇爾擊實和旋轉壓實成型分別制作的3組混合料進行體積指標測定和性能檢測，結果如表9、表10所示。

表9 馬歇爾成型瀝青混合料體積參數與馬歇爾指標

表10 旋轉壓實成型瀝青混合料體積參數與馬歇爾指標

4.1 體積參數與馬歇爾指標

從表9可以看出，在馬歇爾成型中，相同壓實功，相同重量下，160℃拌和、130℃成型（簡稱160℃，130℃）的LB溫拌瀝青混合料的體積參數以及空隙率非常接近（180℃，160℃）成型的熱拌瀝青混合料，表明該溫拌劑能夠有效地降低20℃～30℃的拌和成型溫度，其混合料在低于熱拌瀝青混合料生產施工溫度達20℃～30℃的環境下，依然可以達到明顯的壓實效果，其指標參數與熱拌瀝青混合料并無明顯差別；而無溫拌劑添加的溫拌瀝青混合料，試件的實際密度明顯偏小，空隙率明顯偏高，包括馬歇爾穩定度的明顯衰減都正好證明了該溫拌劑的添加效果。

結合表9、表10的數據，可以看出，在旋轉壓實圈數控制在70圈，試件重量為1 250 g的條件下，3種混合料的空隙率都有所降低，SGC的旋轉揉搓壓實能夠更好地提高混合料的壓實度；其中溫拌瀝青混合料降低幅度尤其明顯，熱拌瀝青混合料空隙率降低0.62%，而LB溫拌瀝青混合料空隙率降低1.29%，無溫拌劑的溫拌瀝青混合料的空隙率降低幅度達到了1.11%，均遠超熱拌瀝青混合料，顯然溫拌瀝青混合料更適合揉搓壓實方式。這是由于熱拌瀝青混合料溫度較高，在揉搓的時候混合料更容易發生擠壓推移，這樣反復的推移會抵消掉一部分來自旋轉壓實的壓實功作用，而溫拌瀝青混合料由于溫度較低，推移現象減輕，對壓實功的作用抵消不明顯。

另外，相比馬歇爾成型，旋轉壓實成型對3種混合料的馬歇爾穩定度都有相應提升，不過提升幅度不明顯；LB溫拌瀝青混合料馬歇爾穩定度與熱拌瀝青混合料相當，遠遠超過未加溫拌劑的溫拌瀝青混合料，證明了該溫拌劑的溫拌改性效果。

4.2 其他性能對比

由于馬歇爾擊實儀和SGC旋轉壓實儀無法成型混合料高溫車轍板試件，所以本文無法對兩種壓實方法下混合料的高溫性能進行對比。下面是混合料水穩定性的試驗，包括殘留穩定度和凍融劈裂強度比，結果見表11。

由表11可知：

（1）LB溫拌瀝青混合料殘留穩定度和TSR，無論是馬氏擊實還是旋轉成型，都要高過熱拌瀝青混合料和未添加溫拌劑的溫拌瀝青混合料對應指標。說明該溫拌劑在降低20℃～30℃施工溫度的情況下，依然能夠保證混合料水穩定性能。

（2）對于3種瀝青混合料，旋轉壓實成型的混合料殘留穩定度與凍融劈裂強度比TSR都有明顯的提升，這說明荷載壓實比馬歇爾沖擊壓實更能夠提升混合料的水穩定性。

表11 殘留穩定度與凍融劈裂強度比

（3）通過旋轉壓實成型與馬氏擊實成型對比，溫拌瀝青混合料的殘留穩定度與TSR提升幅度更明顯，這說明了溫拌瀝青混合料更適合旋轉荷載揉搓；而沖擊荷載和揉搓荷載對熱拌瀝青混合料的壓實效果相當，變化不大。

5 結論

橫向對比：馬歇爾擊實屬于沖擊荷載壓實，SGC旋轉壓實屬于荷載揉搓壓實。采用馬歇爾擊實成型時，LB溫拌瀝青混合料空隙率和馬歇爾穩定度都與熱拌瀝青混合料相差不大；而采用旋轉壓實成型時，前者的空隙率小于后者，壓實度更高；而在水穩定性能方面前者也具有更優的性能。再對比未添加溫拌劑的溫拌瀝青混合料性能數據，體現了LB復合溫拌劑良好的降溫改性效果。

縱向對比：比較馬歇爾擊實法和旋轉壓實法3種混合料的相關數據，通過旋轉壓實成型的混合料性能數據都較馬歇爾壓實成型數據有所提升。其中，熱拌瀝青混合料對兩種成型方法敏感度較低，各項指標提升幅度不大；溫拌瀝青混合料則敏感度更高，旋轉壓實效果更好，相比沖擊壓實，顯然更適合荷載揉搓壓實。

溫拌瀝青路面碾壓時，在無法回避鋼輪碾壓的情況下，適當增加膠輪碾壓在整個壓實工藝中的比例，會達到更好的壓實效果。

[1]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[2]JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[3]陳宏坡，曲松.瀝青混合料旋轉壓實與馬歇爾擊實試件體積特性差異的初步試驗研究 [J].城市道橋與防洪，2008年（6）：134-136.

[4]段華衛，趙文.采用旋轉壓實法進行SMA設計的研究現狀[J].交通標準化，2009（6）上半月：130-133.

[5]袁迎捷，胡長順.旋轉壓實原理與參數設置研究[J].廣西交通科技，2003，28（2）：20-23.