溫拌瀝青混合料拌和壓實(shí)溫度確定方法*

王 春 郝培文 阮 妨

(長安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 西安 710064) (西安西北民航項(xiàng)目管理有限公司2) 西安 710075)

0 引 言

溫拌瀝青混合料(WMA)與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料(HMA)相比，其最顯著的技術(shù)特點(diǎn)就是可以改善混合料的施工和易性，降低其生產(chǎn)施工溫度.然而，如何通過瀝青混合料和易性大小的定量評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確地確定適宜WMA的拌和與壓實(shí)溫度，國內(nèi)外至今都沒有形成統(tǒng)一的測(cè)試儀器、測(cè)試方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).到目前為止，已有研究仍主要通過瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、瀝青混合料的馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，以及旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)(SGC)等技術(shù)手段，以試驗(yàn)測(cè)定的瀝青黏度、瀝青混合料試件的毛體積密度或空隙率等指標(biāo)及其隨溫度的變化關(guān)系，來間接評(píng)價(jià)瀝青混合料的和易性，從而確定WMA的拌和與壓實(shí)溫度[1-5].然而這些方法中，瀝青黏度試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青還比較準(zhǔn)確，但是對(duì)于改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果往往與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)差異較大；而馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)和SGC試驗(yàn)都是基于瀝青混合料試件體積特性來評(píng)價(jià)混合料和易性的，雖然評(píng)價(jià)結(jié)果比瀝青黏度試驗(yàn)更接近實(shí)際情況，但是仍不夠全面，且評(píng)價(jià)過程復(fù)雜，耗時(shí)較多，因此，三種試驗(yàn)方法都不能真實(shí)準(zhǔn)確的反映瀝青混合料和易性.NCHRP 9-43項(xiàng)目在研究中采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、NCHRP 9-39方法、潤滑性試驗(yàn)三種瀝青試驗(yàn)以及和易性試驗(yàn)、馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)、SGC試驗(yàn)三種混合料試驗(yàn)對(duì)不同WMA的和易性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明并不是每種試驗(yàn)方法都能確定一個(gè)合理的拌和與壓實(shí)溫度范圍[6-10].近年來國內(nèi)也有研究者通過和易性試驗(yàn)來直接評(píng)價(jià)WMA的和易性并確定其拌和壓實(shí)溫度，但沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀器和統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法，已有設(shè)備大多較為復(fù)雜，且造價(jià)較高，也不利于推廣應(yīng)用.

本研究借助一種簡易的和易性測(cè)試裝置，通過測(cè)試WMA和易性，并與馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)方法對(duì)比，提出一種基于和易性試驗(yàn)來確定WMA拌和與壓實(shí)溫度的方法.

1 原材料試驗(yàn)及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料技術(shù)指標(biāo)

采用角閃巖集料、石灰?guī)r礦粉、SBS改性瀝青，選取了Aspha-min、Sasobit、Evotherm DAT三種典型溫拌劑，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1～3.

表1 集料密度

表2 瀝青指標(biāo)

表3 溫拌劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

本文采用AC-13級(jí)配，級(jí)配曲線見圖1.

圖1 AC-13合成級(jí)配曲線

1.3 拌和壓實(shí)溫度

由于現(xiàn)行規(guī)范中的粘溫曲線并不適于確定HMA(本文皆指改性瀝青混合料)的拌和與壓實(shí)溫度，因此本文采用Saal公式通過計(jì)算瀝青的等粘溫度來確定其拌和壓實(shí)溫度.Saal公式為

lg·lg (η×103)=a-b·lg (273+t)

(1)

式中：η為黏度，Pa·s；t為溫度，℃.

按照Saal公式，適宜HMA拌和與壓實(shí)溫度的瀝青黏度為：拌和溫度對(duì)應(yīng)黏度η=0.275 Pa·s；壓實(shí)溫度對(duì)應(yīng)黏度η=0.550 Pa·s

本文通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)(T0625)測(cè)得SBS改性瀝青在不同溫度(120，130，140，150，160 ℃)時(shí)的黏度，再由式(1)進(jìn)行擬合，得到曲線,見圖2.

圖2 SBS改性瀝青黏度與溫度Saal公式擬合曲線

由適宜改性瀝青拌和壓實(shí)溫度的瀝青黏度及圖2擬合得到Saal公式，計(jì)算得到HMA適宜的拌和壓實(shí)溫度為：拌和溫度183.3 ℃；壓實(shí)溫度162.6 ℃.

按此黏度確定的HMA的生產(chǎn)施工溫度與實(shí)際情況比較吻合.因此，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將HMA的最佳拌和與壓實(shí)溫度取為180，160 ℃.

1.4 最佳油石比

按照以上確定的拌和壓實(shí)溫度，通過馬歇爾試驗(yàn)確定HMA最佳油石比見表4.三種WMA與HMA采用相同油石比.

表4 AC-13 HMA最佳油石比

2 馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)方法

馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)具體試驗(yàn)流程見圖3.

圖3 馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)(等毛體積密度法)試驗(yàn)流程

采用馬歇爾試驗(yàn)方法分別成型不同溫度下的三種WMA試件，并由表干法測(cè)定其毛體積密度，見圖4，其與擊實(shí)溫度的擬合公式見表5.

圖4 WMA密度(ρ)-擊實(shí)溫度(t)曲線

表5 WMA密度溫度曲線回歸參數(shù)

由圖4和表5按“等毛體積密度”原則，將HMA試件密度代入WMA密度-溫度回歸公式，即可計(jì)算得到WMA的壓實(shí)溫度見表6.

由表6可知，三種WMA的壓實(shí)溫度相比HMA

表6 馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)確定的WMA壓實(shí)溫度 ℃

均降低較多，其中添加Aspha-min、DAT的WMA降低了24 ℃，而添加Sasobit的WMA也降低了19 ℃，這與已有研究成果以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一致.

3 和易性試驗(yàn)方法

本文采用一種簡易的和易性測(cè)試裝置，對(duì)以上WMA與HMA和易性進(jìn)行測(cè)試，并通過測(cè)得的扭矩來確定WMA的拌和與壓實(shí)溫度.

具體的和易性測(cè)試方法如下.

1) 按照和易性測(cè)試溫度拌制15 kg混合料.

2) 將拌制好的混合料平鋪于鐵盤中，并置于烘箱中加熱至略高于待測(cè)溫度(5～10 ℃).

3) 將恒溫后的混合料取出裝入和易性測(cè)試儀的保溫料桶中，裝料時(shí)應(yīng)從蓋板兩側(cè)開口處輪流倒入，料裝完后用鐵鏟撥平表面，測(cè)量并記錄混合料內(nèi)部溫度.

4) 啟動(dòng)扭矩扳手，并將其調(diào)至峰值模式，然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)開始測(cè)量，轉(zhuǎn)速控制在(r/3)/s，保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng).

5) 每轉(zhuǎn)完成后，記錄扭矩扳手采集到的當(dāng)圈最大轉(zhuǎn)矩值，記為WTi，N·m.

6) 每圈測(cè)完后清零進(jìn)行下一次測(cè)量，每個(gè)溫度下至少測(cè)3～5次，然后取平均值作為這一溫度時(shí)的轉(zhuǎn)矩值WT.

同一混合料應(yīng)從低溫到高溫進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試，每個(gè)溫度測(cè)完后應(yīng)將混合料取出置于烘箱中加熱至下一個(gè)待測(cè)溫度.

由和易性試驗(yàn)測(cè)得不同溫度下各WMA的和易性，見圖5，其與溫度的擬合公式見表7.

圖5 瀝青混合料和易性測(cè)試結(jié)果

當(dāng)HMA的最佳拌和壓實(shí)溫度取180 ℃、160 ℃時(shí)，按圖5和表7即可計(jì)算得到HMA拌和壓由表9可知，三種WMA的拌和壓實(shí)溫度相比HMA均有較大幅度的下降，其中降幅最大的Aspha-min降低了22 ℃，添加Sasobit和DAT的也分別降低了18和19 ℃，試驗(yàn)結(jié)果與馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)非常一致，Aspha-min和Sasobit只相差了1～2 ℃，而DAT的降溫幅度變化較多，這是由于其在和易性測(cè)試時(shí)一直使用同一批混合料反復(fù)加熱，以致其中由溫拌劑引入的起潤滑作用的水分減少造成的.

表7 瀝青混合料和易性測(cè)試結(jié)果回歸參數(shù)

實(shí)溫度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值(見表8)，然后按等轉(zhuǎn)矩原則將HMA拌和壓實(shí)轉(zhuǎn)矩值分別代入WMA的轉(zhuǎn)矩溫度方程，即可分別計(jì)算得到三種WMA的最佳拌和壓實(shí)溫度見表9.

表8 等轉(zhuǎn)矩法計(jì)算得到的拌和與壓實(shí)轉(zhuǎn)矩

表9 等轉(zhuǎn)矩法計(jì)算得到的拌和與壓實(shí)溫度 ℃

以上試驗(yàn)結(jié)果說明采用和易性試驗(yàn)確定WMA的拌和壓實(shí)溫度是合理可行的.綜合考慮以上兩種試驗(yàn)方法確定的各WMA的拌和壓實(shí)溫度，最終推薦適宜不同WMA的拌和壓實(shí)溫度見表10.

表10 WMA適宜的拌和與壓實(shí)溫度 ℃

4 結(jié) 論

1) 馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)方法確實(shí)可以用來確定WMA的拌和壓實(shí)溫度，但是確定方法較為復(fù)雜，所需時(shí)間較長.

2) 基于一種簡易的瀝青混合料和易性測(cè)試儀，提出了可用于WMA拌和壓實(shí)溫度確定的和易性試驗(yàn)方法，且試驗(yàn)過程較為簡單，試驗(yàn)結(jié)果合理可靠.

3) 綜合兩種方法，推薦了三種WMA適宜的拌和壓實(shí)溫度.

4) 采取和易性試驗(yàn)確定瀝青混合料拌和壓實(shí)溫度時(shí)，為減小試驗(yàn)誤差，應(yīng)每個(gè)測(cè)試溫度分別拌制混合料.

5) 應(yīng)進(jìn)行更多混合料和易性試驗(yàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析確定一個(gè)適用于瀝青混合料拌和壓實(shí)溫度的轉(zhuǎn)矩范圍標(biāo)準(zhǔn)，從而可以像“粘溫曲線”一樣，簡單快速確定WMA混合料拌和壓實(shí)溫度.