溫拌瀝青混合料壓實特性影響因素研究

南 秋 彩

(黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950)

我國高速公路大多采用瀝青混合料鋪裝，在其施工過程中會造成嚴重的環(huán)境污染，與我國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會發(fā)展戰(zhàn)略相悖。為實現(xiàn)綠色公路建設(shè)理念，學(xué)界提出了溫拌瀝青混合料技術(shù)，其施工溫度相對較低，大大減少了施工中的能源消耗和瀝青煙排放，且延長了施工季節(jié)，因而近年來逐漸在我國引起關(guān)注并推廣使用[1-7]。在溫拌瀝青路面施工中，混合料壓實質(zhì)量好壞直接影響其使用壽命，因而對溫拌瀝青混合料壓實特性進行研究有重要意義。

延西利等[8]研究了溫拌瀝青混合料的壓實特性，發(fā)現(xiàn)其壓實難易系數(shù)較熱拌瀝青混合料降低13.5%～18.5%。胡幫艷等[9]研究了壓實方法對溫拌瀝青混合料壓實規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)壓實和馬歇爾擊實下溫拌瀝青混合料的宏細觀體積指標隨壓實次數(shù)增加變化規(guī)律基本一致，但旋轉(zhuǎn)壓實更容易使其密實。楊彥海等[10]研究了壓實溫度對溫拌瀝青混合料壓實特性的影響，發(fā)現(xiàn)當壓實溫度低于130 ℃時，隨著壓實溫度升高，可壓實性增加速率較快；在130～160 ℃時，增長速率明顯放緩；當超過160 ℃后可壓實性基本不變。上述研究表明：現(xiàn)有研究較少涉及溫拌劑摻量、集料棱角性和級配等對溫拌瀝青混合料壓實特性的影響。故筆者基于瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實試驗中密實曲線參數(shù)對此進行研究，對進一步掌握溫拌瀝青混合料壓實特性有積極意義。

1 原材料

1.1 瀝 青

本試驗采用90#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標如表1。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indexes of base asphalt

(續(xù)表1)

指 標試驗結(jié)果規(guī)范要求RTFOT后質(zhì)量變化/%0.51≤±0.80針入度比/%61≥57

1.2 溫拌劑

溫拌劑采用Sasobit溫拌劑，外觀為白色粉末，其主要技術(shù)指標如表2。

表2 溫拌劑主要技術(shù)指標Table 2 Main technical indexes of warm mixing agent

1.3 集 料

本試驗采用4種不同產(chǎn)地玄武巖粗集料，細集料則均為同一玄武巖，主要技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。對4種集料4.75 mm以上顆粒松裝間隙率進行測試，結(jié)果如表3。

表3 4種集料松裝空隙率Table 3 The loosening porosity rate of 4 kinds of aggregates

1.4 級 配

本試驗采用AC-13-1、AC-13-2、AC-16-1、AC-16-2、AC-20-1和AC-20-2共6種級配，如表4。

表4 6種集料級配Table 4 6 kinds of aggregate gradations

2 瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實特性參數(shù)

瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實方法在壓實過程中能提供反映混合料密實特性的曲線，如圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線Fig. 1 Rotary compacted compactness curve

可采用壓實能量指數(shù)CEI、交通密實指數(shù)TDI、斜率K1、K2表征瀝青混合料壓實特性。CEI代表施工中瀝青混合料由松散狀態(tài)經(jīng)攤鋪機和壓路機壓實至92%密實度所需的壓實功，采用密實曲線上92%以下部分圍成面積表示，CEI越小，表明壓實過程中瀝青混合料可壓實性越好。TDI代表開放交通后瀝青混合料經(jīng)行車荷載由92%密實度壓實至98%密實度所需的壓實功，采用密實曲線上92%～98%部分圍成面積表示，TDI越大，表明開放交通后瀝青混合料抗變形能力越好。

K1代表半對數(shù)坐標紙上密實曲線由初始壓實次數(shù)Nini(文中取8次)壓實至設(shè)計壓實次數(shù)Ndes(文中取100次)曲線對應(yīng)的平均斜率，可由式(1)計算。K1越大，表明瀝青混合料壓實過程中每壓實一次密度上升的速率越快。

(1)

式中：γdes、γini分別為對應(yīng)于Nini、Ndes的瀝青混合料密實度，%；Nini、Ndes分別為瀝青混合料初始壓實次數(shù)和設(shè)計壓實次數(shù)。

K2為直角坐標紙上密實曲線由設(shè)計壓實次數(shù)Ndes壓實至最大壓實次數(shù)Nmax(文中取160次)曲線對應(yīng)的平均斜率。K2越大，表明瀝青混合料開放交通后行車荷載每作用一次密實度的上升速率越快，對應(yīng)瀝青混合料抗變形能力越差。

3 溫拌劑摻量壓實特性影響

為研究溫拌劑摻量對瀝青混合料壓實特性影響，筆者制備Sasobit摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%的瀝青，進而采用玄武巖1集料和AC-13-1級配拌制瀝青混合料進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗。同時為消除壓實溫度的影響，參照文獻[11]的研究成果，壓實溫度統(tǒng)一為120 ℃。

不同溫拌劑摻量下瀝青混合料的CEI和K1計算結(jié)果分別如圖2。由圖2可知：摻入Sasobit后瀝青混合料CEI降低，K1升高，表明溫拌劑可有效改善瀝青混合料可壓實性，并提高壓實速率。同時，隨著Sasobit摻量提高，CEI逐漸降低，K1逐漸升高，此時瀝青混合料可壓實性進一步增強，壓實速率加快；但Sasobit摻量超過3%后CEI下降速率和K1升高速率均有減緩趨勢，表明此時繼續(xù)增加溫拌劑摻量對瀝青混合料可壓實性和壓碎速率的改善幅度降低。這是因為在高溫壓實過程中，Sasobit熔化對瀝青起潤滑作用，瀝青黏度降低，瀝青混合料施工和易性變好。

圖2 溫拌劑摻量對CEI和K1影響Fig. 2 Effect of mixing amount of warm mixing agent on CEI and K1

不同溫拌劑摻量下瀝青混合料的TDI和K2計算結(jié)果分別如圖3。由圖3可知：摻入Sasobit后瀝青混合料TDI升高，K2降低，表明溫拌劑可提高瀝青混合料抗變形能力。同時，隨著Sasobit摻量提高，TDI基本呈線性增加，K2基本呈線性降低，此時瀝青混合料抗變形能力進一步增強。這是因為瀝青混合料溫度降低至Sasobit滴熔點115 ℃以下時，其在瀝青中以固態(tài)存在[12]，瀝青黏度增強。

圖3 溫拌劑摻量對TDI和K2影響Fig. 3 Effect of mixing amount of warm mixing agent on TDI and K2

4 集料棱角性壓實特性影響

為研究集料棱角性對溫拌瀝青混合料壓實特性的影響，筆者以松裝間歇率量化集料棱角性特征，其中松裝間隙率越大，表明集料棱角性越好。以Sasobit摻量為3%制備溫拌瀝青，進而采用AC-13-1級配和表3中的4種玄武巖粗集料分別拌制瀝青混合料進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗。

不同松裝間隙率集料制備溫拌瀝青混合料的CEI和K1計算結(jié)果分別如圖4。由圖4可知：隨著松裝間隙率增加，CEI逐漸增加，K1逐漸降低，其中松裝間隙率由43.1%增加至45.7%時，CEI增加22.6%，K1降低9.5%；表明此時溫拌瀝青混合料可壓實性變差，壓實速率降低。這是因為集料松裝間隙率增加時表明其棱角性較好，集料相互嵌擠形成的內(nèi)摩擦力增大，故所需壓實功更大。

圖2 松裝間隙率對CEI和K1影響Fig. 4 Effect of loosening porosity rate on CEI and K1

不同松裝間隙率集料制備溫拌瀝青混合料的TDI和K2計算結(jié)果分別如圖5。由圖5可知：隨著松裝間隙率增加，TDI逐漸增加，K2逐漸降低，其中松裝間隙率由43.1%增加至45.7%時，TDI增加9.3%，K2降低23.1%；表明此時溫拌瀝青混合料開放交通后的抗變形能力增強。因此，通過選用棱角性較好集料能提高瀝青路面抗變形能力。

圖5 松裝間隙率對TDI和K2影響Fig. 5 Effect of loosening porosity rate on TDI and K2

5 級配對壓實特性影響

為研究級配對溫拌瀝青混合料壓實特性影響，筆者制備了Sasobit摻量為3%的溫拌瀝青，進而采用玄武巖1集料和表4中的6種級配分別拌制溫拌瀝青混合料進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗。

不同級配溫拌瀝青混合料的CEI和K1計算結(jié)果分別如圖6。由圖6可知：對6種級配，整體上AC-20級配CEI最大，K1最小，而AC-13配CEI最小，K1最大，表明級配公稱最大粒徑增加時其可壓實性變差，壓實速率降低，這是因為其級配中粗集料增多，壓實過程中集料間摩阻力增大所致；級配公稱最大粒徑相同時，AC-13-2、AC-16-2和AC-20-2級配的CEI分別較對應(yīng)的AC-13-1、AC-16-1和AC-20-1級配更高，K1則較其更低，這是由于AC-13-2、AC-16-2和AC-20-2級配相對更靠近級配下限，級配中粗集料相對較多，而AC-13-1、AC-16-1和AC-20-1級配更靠近級配終值，瀝青混合料更容易形成懸浮密實結(jié)構(gòu)，在壓實作用下集料間嵌擠作用相對較少，混合料更易被壓實，因而可發(fā)現(xiàn)對于公稱粒徑相同級配，級配偏細時其可壓實性更好。

圖6 級配對CEI和K1影響Fig. 6 Effect of gradation on CEI and K1

不同級配溫拌瀝青混合料TDI和K2計算結(jié)果分別如圖7。由圖7可知：對6種級配，TDI和K2與級配最大公稱粒徑和級配粗細未顯示明顯關(guān)系，對AC-13和AC-16級配，更靠近級配下限的AC-13-2和AC-16-2的TDI高于對應(yīng)的AC-13-1和AC-16-1，K2則分別較其更低，但對于AC-20級配的AC-20-1和AC-20-2，TDI和K2變化規(guī)律與AC-13和AC-16級配正好相反。上述分析表明：級配公稱最大粒徑大小或粗細不直接影響瀝青混合料開放交通后的抗變形能力，更應(yīng)注重級配的整體優(yōu)化設(shè)計才可對提高其抗變形能力。

圖7 級配對TDI和K2影響Fig. 7 Effect of gradation on TDI and K2

6 結(jié) 論

1)Sasobit溫拌劑能改善施工中瀝青混合料的可壓實性及開放交通后的抗變形能力，且隨溫拌劑摻量增加其改善效果增強，但Sasobit摻量超過3%后繼續(xù)增加其摻量對可壓實性改善幅度降低。

2)隨著集料松裝間隙率增加，集料棱角性逐漸變好，此時其制備的瀝青混合料可壓實性變差，但開放交通后的抗變形能力變好。

3)級配公稱最大粒徑增加或級配變粗時制備的瀝青混合料可壓實性變差，但開放交通后的抗變形能力與級配公稱最大粒徑和級配粗細無明顯關(guān)系，對抗變形能力改善更應(yīng)注重級配的整體優(yōu)化。