溫拌無纖維SMA混合料壓實(shí)特性研究

肖慶一，孫博偉，王玉寶

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

路面工程中常用的熱拌瀝青混合料HMA將瀝青和礦料于160～180 ℃的高溫下進(jìn)行拌和，高溫條件會(huì)消耗大量的能源，在攤鋪過程中會(huì)排二氧化碳，二氧化硫等有害氣體，形成了不良的作業(yè)環(huán)境[1]。溫拌瀝青混合料WMA，它能在降低10～50 ℃條件下進(jìn)行拌和與施工[2-3]，具有降低能耗，減少碳排放等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能保證較好的壓實(shí)特性。SMA混合料作為一種性能優(yōu)良的道路建筑材料，具有很好的的低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性、耐久性、以及優(yōu)良的表面特征，在我國(guó)路面建設(shè)中被廣泛使用。一般SMA混合料均需加入少量纖維穩(wěn)定劑用以提高混合料的性能，但是纖維的加入會(huì)造成一定的弊端，纖維多具有孔洞，易吸水腐爛，耐熱耐磨性差[4]。此外纖維具有較大吸油性，吸附大量瀝青以及加筋作用，影響施工和易性，若拌合不均會(huì)導(dǎo)致泛油等危害。針對(duì)以上問題，筆者引用一種以aspha-min溫拌劑代替纖維穩(wěn)定劑的新型溫拌無纖維SMA混合料作為研究對(duì)象。

混合料在施工碾壓和使用中各項(xiàng)體積參數(shù)變化和穩(wěn)定性稱之為壓實(shí)特性，它反映了混合料碾壓的難易程度[5]。在施工階段，機(jī)械設(shè)備反復(fù)揉搓碾壓，混合料進(jìn)一步壓密，空隙率減小，具有良好壓實(shí)特性的混合料更易于壓實(shí)，體積參數(shù)也滿足規(guī)范。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀對(duì)試件采用揉搓碾壓成型方法取代了馬歇爾擊實(shí)的方法，更接近實(shí)際過程。筆者將借助旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，通過測(cè)定壓實(shí)能量指數(shù)CEI、交通密度指數(shù)TDI以及密實(shí)度斜率k來評(píng)價(jià)溫拌無纖維SMA的壓實(shí)特性[6-8]。

1 瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀可輸出試件高度隨壓實(shí)次數(shù)變化的曲線圖，根據(jù)此曲線圖算出每一壓實(shí)次數(shù)下對(duì)應(yīng)的密實(shí)度比，得到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線反映的是試件的密實(shí)度比(壓實(shí)密度與最大理論密度的比值) 隨壓實(shí)次數(shù)的變化情況[9]。由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線反映出壓實(shí)過程中密實(shí)度的變化情況，并且與瀝青混合料的可壓實(shí)性有很好的相關(guān)性，因此可利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線(以下簡(jiǎn)稱為壓實(shí)曲線)分析瀝青混合料的可壓實(shí)性，圖1為瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線圖。

圖1 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線Fig. 1 Rotating compaction densification curve

1.1 壓實(shí)能量指數(shù)CEI

壓實(shí)能量指數(shù)是指將混合料壓實(shí)到一定程度時(shí)攤鋪機(jī)和壓路機(jī)所做的功。通常要求路面竣工時(shí)的密實(shí)度比達(dá)到93%，由Nini(壓實(shí)次數(shù)為8次)至密實(shí)度比93%之間的壓實(shí)曲線反映了混合料在碾壓過程中的壓實(shí)特性。如圖2陰影所示，將此段壓實(shí)曲線所圍成的面積表示為壓實(shí)能量指數(shù)CEI，通常對(duì)擬合回歸的壓實(shí)曲線上的Nini和Ndes(密實(shí)度為93%時(shí)的壓實(shí)次數(shù))所圍成的區(qū)域進(jìn)行積分得到壓實(shí)能量指數(shù)CEI，該值越大，表明壓實(shí)混合料需要做越多的功。

1.2 交通密實(shí)指數(shù)TDI

交通密實(shí)指數(shù)是指在道路開放交通后，車輛反復(fù)荷載作用下，混合料進(jìn)一步壓密，達(dá)到極限密實(shí)狀態(tài)下所做的功。表示為由密實(shí)度比93%到密實(shí)度比96%范圍內(nèi)的壓實(shí)曲線面積，如圖2陰影部分所示。其大小可以由擬合回歸曲線上Ndes至Nmax(密實(shí)度為96%時(shí)的壓實(shí)次數(shù))所圍成的區(qū)域進(jìn)行積分得到。TDI越大，則表示為開放交通后，路面的抗車轍，抗變形能力越好。

圖2 能量指數(shù)Fig. 2 Energy index

1.3 Nini和Ndes在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的密實(shí)度斜率k

密實(shí)度斜率是評(píng)估混合料壓實(shí)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，通常認(rèn)為壓實(shí)曲線平均斜率代表了在此范圍內(nèi)混合料的可壓實(shí)性?；旌狭系膲簩?shí)曲線可以擬合為一個(gè)指數(shù)曲線，方程表示為

γ=aNb

(1)

式中：a、b均為回歸參數(shù)。對(duì)方程求導(dǎo)，就可以得到曲線上任意一個(gè)點(diǎn)的斜率，反映相應(yīng)壓實(shí)次數(shù)下的壓實(shí)速率大小。若是采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)，則Nini和Ndes之間壓實(shí)曲線基本上呈一直線，SHRP采用了更加簡(jiǎn)化的方法來表示Nini和Ndes之間的平均斜率：

(2)

k值越大(斜率越大，曲線越陡)，則壓實(shí)速率越大，混合料越容易壓實(shí)。相反，k值越小(斜率越小，曲線越平緩)，則說明混合料在壓密過程中的內(nèi)摩阻力越大，不易壓實(shí)。在混合料尚未達(dá)到要求的密實(shí)度比時(shí)，k值越大越好。

2 實(shí)驗(yàn)研究方案

筆者使用的設(shè)備是意大利CONTROLS ICT旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將預(yù)熱后的混合料倒入模具并放入控制室內(nèi)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)角為1.25°，對(duì)試件加以600 kPa的豎直加載壓力，以30 r/min的速率旋轉(zhuǎn)。試件在豎向壓力和水平剪力的作用下，壓密形成骨架結(jié)構(gòu)，從而模擬荷載對(duì)道路的壓實(shí)作用。筆者對(duì)相同配比(SMA-13)和瀝青用量(5.5%)條件下普通熱拌SMA混合料(有纖維，不加溫拌劑)和溫拌無纖維SMA混合料(無纖維，加入溫拌劑)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，SBS改性瀝青作為結(jié)合料(各項(xiàng)指標(biāo)如表1)，所用級(jí)配各檔集料的篩分通過率如表2。之后對(duì)溫拌無纖維SMA在不同溫度和油石比條件下進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算得到的密實(shí)度比，繪制壓實(shí)曲線，計(jì)算CEI,TDI和k值并分析。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 SBS modified asphalt technical index

表2 試驗(yàn)用級(jí)配各檔集料的篩分通過率Table 2 Screening pass rate of the tested gradation of aggregates

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同類型混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性分析

分別用溫拌無纖維SMA、普通熱拌有纖維SMA制備的混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，根據(jù)壓實(shí)過程中試件高度隨壓實(shí)次數(shù)的變化情況，計(jì)算得到任意壓實(shí)次數(shù)的試件壓實(shí)度比，繪制如圖3所示的兩種混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線。

圖3 兩種混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線Fig. 3 Rotating compaction densification curves of two kinds of mixtures

將壓實(shí)曲線以式(1)的形式擬合成冪函數(shù)曲線，其中a,b為回歸參數(shù)，對(duì)這兩類混合料的壓實(shí)曲線進(jìn)行擬合。對(duì)擬合曲線進(jìn)行積分計(jì)算壓實(shí)能量指數(shù)CEI與交通密實(shí)指數(shù)TDI并繪制成柱狀圖4，計(jì)算結(jié)果如表3。

圖4 兩種混合料的CEI和TDIFig. 4 CEI and TDI of two kinds of mixtures

混合料類型ab溫拌無纖維SMA混合料79．0490．043普通熱拌SMA混合料79．9290．041

由圖4看出，溫拌無纖維SMA的CEI和TDI相比于普通熱拌SMA混合料，差值均在4%以內(nèi)，總體來說差別并不顯著，而溫拌無纖維SMA混合料在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響方面更勝一籌。

筆者主要分析瀝青混合料在施工過程中的壓實(shí)特性，因此對(duì)Nini和Ndes之間的壓實(shí)曲線的橫坐標(biāo)采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)，得到圖5所示曲線，近似為一條直線。

圖5 兩種混合料在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)Nini和Ndes之間的壓實(shí)曲線Fig. 5 Compaction curves of two kinds of mixtures insemi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

利用公式(2)計(jì)算半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的平均斜率k，計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 兩種混合料中Nini和Ndes之間半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的平均斜率kTable 4 The average slope k of two kinds of in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes

由結(jié)果看出：相比普通熱拌SMA試件的成型溫度降低30 ℃，CEI、TDI和平均斜率k幾乎相同，表明兩者均具有較好的壓實(shí)性能。

3.2 成型溫度對(duì)溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性的影響

對(duì)溫拌無纖維SMA混合料分別在120、140、160 ℃溫度下進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，計(jì)算并繪制出3種不同溫度下溫拌無纖維SMA的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線如圖6。

圖6 不同溫度條件下溫拌無纖維SMA的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線Fig. 6 Rotational compaction densification curves of mixtureswarm mixed non-fiber SMA at different temperatures

將圖6中3個(gè)不同溫度條件下的壓實(shí)曲線以公式(1)形式擬合成冪函數(shù)曲線，擬合結(jié)果見表5。

表5 不同溫度條件下混合料壓實(shí)曲線擬合后的回歸參數(shù)Table 5 Regression parameters after fitting the compaction curves ofmixtures at different temperatures

對(duì)擬合得到回歸曲線進(jìn)行積分，求得壓實(shí)過程中的CEI和TDI，計(jì)算結(jié)果用直方圖7。

圖7 不同溫度下混合料的CEI和TDIFig. 7 CEI and TDI of mixtures at different temperatures

對(duì)Nini和Ndex之間的壓實(shí)曲線橫坐標(biāo)采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)形式，近似為1條直線，如圖8。

圖8 不同溫度條件下混合料在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)Nini和Ndes之間的壓實(shí)曲線Fig. 8 Compaction curves of mixtures in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes at different temperatures

用式(2)計(jì)算得到半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的平均斜率k，對(duì)不同溫度下的混合料平均斜率k進(jìn)行對(duì)比，見表6。

表6 不同溫度下混合料在Nini和Ndes之間半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的平均斜率kTable 6 The average slope k of mixtures in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes at different temperatures

通過試驗(yàn)可知：成型溫度升高，壓實(shí)能量指數(shù)CEI和交通密實(shí)指數(shù)TDI明顯降低，而且旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線斜率k顯著增大，說明溫度對(duì)溫拌無纖維SMA混合料的壓實(shí)特性有著很大的影響，當(dāng)溫度以恒定間隔(20 ℃)提高時(shí)，混合料的壓實(shí)能量指數(shù)CEI與交通密實(shí)指數(shù)TDI減小約為原來溫度的1/2，另一方面，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過140 ℃之后，壓實(shí)速率不再大幅度增加，而是相對(duì)趨于平衡。

3.3 油石比對(duì)溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性的影響

瀝青結(jié)合料在SMA中主要是起到了潤(rùn)滑的作用，為了定量的研究在不同瀝青用量條件下溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性，在試驗(yàn)中采用3組不同的油石比作為觀察，分別為5.2%、5.5%、5.8%，在其余條件相同的情況下進(jìn)行試驗(yàn)作對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制壓實(shí)曲線，如圖9。

圖9 不同油石比條件下溫拌無纖維SMA的壓實(shí)曲線Fig. 9 Compaction curve of warm mixed non-fiber SMA withdifferent bitumen aggregate ratio

將圖9中不同油石比下的壓實(shí)曲線以公式(1)形式擬合成冪函數(shù)曲線，擬合結(jié)果見表7。

表7 不同油石比條件下混合料密實(shí)曲線擬合后的回歸參數(shù)Table 7 Regression parameters after fitting the densification curves ofmixtures with different bitumen aggregate ratio

對(duì)回歸曲線積分求得CEI和TDI(圖10)，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下壓實(shí)曲線如圖11。

圖10 不同油石比下混合料的CEI與TDIFig. 10 CEI and TDI of mixtures with different bitumen aggregate ratio

圖11 不同油石比的混合料在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)Nini 和Ndes之間的壓實(shí)曲線Fig. 11 Compaction curves of mixtures with different bitumenaggregate ratio in semi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

利用公式(2)計(jì)算不同油石比下的平均斜率k，結(jié)果如表8。

表8 不同油石比的混合料在Nini和Ndes之間半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的平均斜率kTable 8 The average slope k of mixtures with different bitumenaggregate ratio in semi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

可以看出，隨著油石比的增大，溫拌無纖維SMA混合料的CEI逐漸減小，斜率k逐漸變大，說明溫拌無纖維SMA被壓實(shí)的速率越來越大，這就表明在施工過程中混合料和易性更優(yōu)。與此同時(shí)TDI數(shù)值降低也就意味著在開放交通后，路面的抗車轍能力相應(yīng)的減弱。這是由于瀝青與細(xì)集料一起形成瀝青瑪蹄脂在混合料中有著潤(rùn)滑的效果，瀝青的不斷增加，瀝青瑪蹄脂也逐漸變多，且潤(rùn)滑性越強(qiáng)，從而更容易壓實(shí)。

4 結(jié) 論

利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀對(duì)普通熱拌SMA和無纖維溫拌SMA進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，通過不斷記錄壓實(shí)過程中試件高度變化，繪制出旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線，通過壓實(shí)能量指數(shù)CEI，交通密實(shí)指數(shù)TDI以及在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的平均斜率k來評(píng)價(jià)溫拌無纖維SMA混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性，由試驗(yàn)表明：

1)通過對(duì)普通熱拌SMA和溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫拌無纖維SMA相比于普通熱拌SMA各指標(biāo)相差無幾，在降低30 ℃溫度下，溫拌無纖維SMA完全能夠保證瀝青路面有普通熱拌SMA一樣良好的壓實(shí)效果。

2)在不同成型溫度下對(duì)溫拌無纖維SMA進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)可以看出，隨著成型溫度的升高，混合料的CEI和TDI均減小約50%，而Nini和Ndes之間的平均斜率k增加4.9和1.7。表明成型溫度對(duì)混合料的壓實(shí)特性有著顯著影響，但當(dāng)溫度超過140 ℃后，對(duì)壓實(shí)速率影響不再顯著。

3)油石比的增加有助于提高溫拌無纖維SMA的壓實(shí)性能，當(dāng)油石比達(dá)到5.8%時(shí)只有壓實(shí)速率還在以近10%速率增長(zhǎng)，CEI與TDI基本維持在恒定水平，綜合考慮，當(dāng)油石比增加到5.8%后壓實(shí)能力基本穩(wěn)定，油石比繼續(xù)增加只會(huì)提高成本，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生析漏，意義不大。

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