溫拌與熱拌SMA瀝青混合料路用性能的對比研究

滿耐

摘要：從壓實性能、高溫性能、低溫性能、疲勞性能、水穩定性能、剪切性能及老化性能等方面對熱拌和溫拌SMA瀝青混合料進行路用性能對比分析。結果表明：在降低施工溫度節能環保的情況下，熱拌和溫拌SMA瀝青混合料的路用性能相當。

關鍵詞：溫拌SMA瀝青混合料;壓實性能;疲勞性能;剪切性能;老化性能

傳統熱拌瀝青混合料（Hot mix asphalt，縮寫HMA），降溫速率快，難以保證瀝青混合料的壓實，施工質量難以保障。

溫拌（Warm mix asphalt，縮寫WMA）技術具有節能環保、適宜低溫施工等優點，且施工方法與熱拌瀝青混合料基本一致，獲得了世界各國的廣泛關注。溫拌瀝青的各項技術性能也在逐漸提高，國內外的相關研究成果均表明：WMA整體性能優于普通瀝青混合料，高溫性能尤為明顯。

考慮到熱拌（HMA）SMA瀝青混合料瀝青膠結料含量高、粘度大，低溫季節施工難度大，而WMA不僅具有良好的保溫性能，且具有良好的施工和易性，能保證SMA瀝青混合料的充分壓實，有效防止生產過程中瀝青的老化，提高瀝青混合料耐久性;WMA還具有節約能源、造價相對較低的特點。

為此筆者開展溫拌SMA-13瀝青混合料（WMASMA-13）路用性能的評價分析，其中根據已有研究成果，選用摻加3%SAK（固體有機溫拌劑）具有良好的路用性能。

1 溫拌SMA瀝青混合料的配合比設計

目前國內外尚無針對WMA的設計方法，WMA采用與HMA相一致的配合比，然后對WMA進行體積性質驗證，其中HMA的成型溫度為160℃，WMA的成型溫度為140℃，最終確定的SMA-13的級配設計結果見表1。

2 壓實性能

通過分析瀝青混合料旋轉壓實曲線的特征，借助HUSSIAN UBZHIA等人提出的能量指數概念，對溫拌SMA瀝青混合料的壓實性能進行分析。施工過程中的壓實能量指數CEI（Construction Energy Index）是指混合料在鋪筑過程中，使其壓實到一指定的密實度時，攤鋪機和壓路機所做的功。密實能量指數TDI為路面在密實度為93%水平下開放交通，由密實度93%～98%時交通荷載對瀝青混合料的壓密作用。

根據混合料旋轉壓實曲線，分別計算SMA-13的CEI值和TDI值，見表2，并繪制混合料在不同溫度下的CEI值和TDI值關系曲線，見圖1。

由圖1可知：

（1）隨著溫度的降低，CEI值和TDI值逐漸增大，但CEI值增長的幅度比TDI值增長幅度要小。

（2）WMASMA-13的CEI值在129、149℃時比同級配的HMA要小，超過125℃時，WMA的CEI值要小于HMA的CEI值，說明WMASMA-13在低于正常施工溫度10～25℃時可改善混合料的壓實性能，表明在達到相同壓實度93%，WMA可以減少壓實功。對于SBS改性瀝青，溫度很高或降低過多，并不能達到最佳壓實效果，原因是SBS改性瀝青粘度很高，在較高或較低的溫度下即使添加溫拌改性劑也達不到所需的空隙率。

（3）對于TDI值，WMA都要大于同級配的HMA，說明WMA在交通荷載下可以更好地抵抗壓密的能力，即抵抗永久變形的能力，充分說明WMA抗車轍性能良好。

（4）可初步確定WMASMA-13在壓實溫度為130～140℃下達到最佳壓實性能。

3 高溫性能

瀝青混合料抗車轍性能是瀝青混合料高溫性能的重要指標，采用60℃車轍試驗，以動穩定度（次/mm）來表示，試驗結果列于表3。

由表3可以看出，WMA的動穩定度均滿足規范要求，且與熱拌SMA的動穩定度相差不大。

4 低溫性能

試驗起始溫度為20℃，溫度下降速率-30℃/h，試件尺寸為220mm×40mm×40mm（試件成型溫度均為60℃），試件類型有SMA-13、WMASMA-13，試驗結果如表4和圖2所示。

由表4和圖2可知，WMASMA-13破斷強度略有降低，破斷溫度和轉折點溫度略有提高，溫度曲線斜率略降低。表明WMASMA-13的低溫性能略有降低，但降低幅度不大。

5 疲勞性能

采用UTM試驗機進行間接拉伸（劈裂疲勞）試驗，采用應力控制的試驗方法對WMA和HMA兩種瀝青混合料的疲勞性能進行對比分析。控制應力加載模式是在重復加載過程中保持試件所受的應力不變，重復加載使得試件內產生疲勞損傷而出現微觀裂縫，混合料的勁度模量會在重復加載的過程中逐漸降低，因而，導致試件內產生的拉應變隨著作用次數的增加而增大。通常都以試件出現斷裂定義為疲勞破壞，而Van Dijk和Bonnuare等以拉應變增大到初始應變的2倍（即勁度模量下降為初始勁度模量的一半）時的狀態定義為疲勞破壞。

馬歇爾試件成型溫度分別采用140℃和160℃。首先進行15℃的劈裂強度試驗，然后進行疲勞試驗，試驗結果見表5～7。

由試驗結果可以看出，隨著應力比的增大，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸減小;相同應力比時，兩種瀝青混合料的疲勞壽命存在較大差異，具體分析如下：

（1）熱拌瀝青混合料在應力比0.35的荷載作用17280次后，試件未破壞（由于試驗條件所限，荷載作用17280次后即停止試驗）;WMA在該應力比荷載作用10176次后，試件破壞。

（2）在應力比0.40的荷載作用下，兩種瀝青混合料的疲勞壽命具有明顯差別，HMA的疲勞性能優于WMA。

（3）而在應力比0.45的荷載作用下，兩種瀝青混合料的疲勞性能差別較小。

（4）疲勞試驗結果表明：當荷載較小時，HMA的疲勞性能優于WMA;而當荷載增大到一定程度時，兩種瀝青混合料的疲勞性能基本相當。

6 水穩定性能

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價混合料的水穩定性，HMA和WMA的成型溫度分別為160℃和140℃，試驗結果均滿足規范要求，且結果相差較小。

7 剪切性能

該試驗是在試件上通過一個鋼壓頭進行加壓，壓頭的直徑r小于試件的直徑R，利用r/R來表示兩個物體直徑的比值。首先可以將路面模型簡化為一定尺寸的圓柱體，其上施加一定的荷載，當r/R比值足夠小，則其受力狀態應與路面的較為一致;因此，采用單軸貫入試驗方法評價瀝青混合料的抗剪強度是合理的，一方面其受力模式與路面一致;另一方面其試驗方法易操作，設備簡單，適合工程應用。

貫入試驗條件為：1）加載速率：1mm/min;2）試驗溫度：試件在60℃條件下保溫6h，然后在60℃控溫箱里進行試驗;3）壓頭尺寸：28.5mm;4）加載波形：直線波;5）試件直徑×高度=100mm×100mm。

按照上述試驗方法，在60℃溫度條件下，分別對SMA-13、WMASMA-13兩種瀝青混合料，進行無側限抗壓與單軸貫入試驗，每組試件3～6個，試驗結果見表8。

由表8可以看出，WMASMA-13內摩擦角減小，粘聚力增加，抗剪強度略有減小。表明WMASMA-13抗剪性能略有降低。

8 老化性能

參照文獻[6]中T0734熱拌瀝青混合料老化試驗方法，為有效對比兩種混合料的老化性能，采用相同的老化溫度[（135±1）℃]和老化時間（4h±5min）對兩種瀝青混合料熱拌SMA-13、WMASMA-13進行短期老化，然后做劈裂試驗，并與未老化的瀝青混合料進行對比分析。老化前后兩種瀝青混合料的劈裂試驗結果見表9。

從表9可以看出，老化前WMA劈裂強度比HMA提高，主要是由于加入溫拌劑后瀝青的粘度增大，混合料的粘聚力提高，故劈裂強度提高;老化后兩種瀝青混合料的劈裂強度較老化前均提高，其主要原因仍是老化后瀝青的粘度增大。試驗結果也表明：摻加溫拌劑后并未使瀝青混合料的抗老化性能降低。

9 結論

（1）采用密實度能量指數CEI和TDI研究溫拌瀝青混合料的壓實性能，結果表明：WMASMA-13在130～140℃達到最佳壓實效果，且壓實溫度和壓實次數對混合料的壓實性能具有顯著的影響。

（2）WMASMA-13與HMA高溫性能相差不大，而低溫性能略有降低。

（3）疲勞試驗結果表明：當荷載較小時，HMA的疲勞性能優于WMA;而當荷載增大到一定程度時，兩種瀝青混合料的疲勞性能基本相當。

（4）通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗可知：WMA水穩定性能與HMA相比略有降低，但均滿足規范的相關技術要求。

（5）WMASMA-13與HMA的抗剪性能相當。

（6）通過對老化前后兩種瀝青混合料（SMA-13、WMASMA-13）劈裂強度的對比分析，得出老化后瀝青混合料的劈裂強度均有提高。試驗結果也表明：摻加溫拌劑后并未使瀝青混合料的抗老化性能降低。

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