溫拌改性瀝青混合料的路用性能分析

周輝

摘 要：文章通過(guò)開展車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，依次對(duì)比了6種溫拌改性瀝青混合料的車轍穩(wěn)定度、低溫抗彎拉強(qiáng)度、水穩(wěn)定性能等路用性能指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同類型的瀝青混合料，其路用性能存在明顯差異，應(yīng)根據(jù)公路施工需要合理選擇恰當(dāng)類型的溫拌改性瀝青混合料，以達(dá)到最佳施工效果。

關(guān)鍵詞：溫拌改性瀝青混合料;車轍試驗(yàn);低溫彎曲試驗(yàn);水穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U416.217? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2022）04-0054-03

0 引言

瀝青混凝土路面廣泛應(yīng)用于高速公路、市政道路、機(jī)場(chǎng)跑道等各種場(chǎng)所，在路面鋪筑時(shí)，選擇何種瀝青混合料對(duì)施工成本、鋪筑效率、路面質(zhì)量等會(huì)產(chǎn)生直接影響。普通的熱拌瀝青混合料（HMA），是將瀝青加熱至150℃左右，礦料加熱至180℃左右，將兩者充分拌勻后再進(jìn)行鋪筑。除了消耗較高的能源外，還會(huì)釋放出刺鼻的有毒氣體，污染環(huán)境并危害施工人員的健康。溫拌改性瀝青混合料由于拌和溫度、壓實(shí)溫度較低，相比于常規(guī)的熱拌熱鋪瀝青混合料具有環(huán)保效益好、作業(yè)效率高、生產(chǎn)能耗低、使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此實(shí)際應(yīng)用效果更好。在這一背景下，探究WMA路用性能對(duì)選擇合適材料、提高路面施工質(zhì)量有積極幫助。

1 溫拌改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性分析

1.1 車轍試驗(yàn)

在高溫環(huán)境下，瀝青材料會(huì)軟化，這時(shí)選擇瀝青混合料鋪筑而成的路面，也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度降低的情況。當(dāng)有大噸位貨車駛過(guò)時(shí)，很容易在路面留下車轍。在分析溫拌改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性時(shí)，可選擇的方法有徑向加載試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)等。本文以車轍試驗(yàn)為例，其原理是將溫拌改性瀝青混合料升高至不同溫度，然后在當(dāng)前溫度下使用車輪在混合料表面進(jìn)行反復(fù)碾壓，對(duì)比不同瀝青混合料抵抗塑性流動(dòng)變形的能力[1]。其中，利用試塊變形幅度與車輪通過(guò)次數(shù)之間的關(guān)系，可以計(jì)算出試塊穩(wěn)定度。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），車轍試驗(yàn)中使用溫拌改性瀝青混合料制作規(guī)格為300 mm×300 mm×60 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，然后試驗(yàn)溫度設(shè)定為80℃，試驗(yàn)車輪的接地壓強(qiáng)為0.6 MPa。選擇E0、EA3、EC3、S0、SA3、SC3共6種不同類型的瀝青混合料，測(cè)定其車轍動(dòng)穩(wěn)定度。

1.2 不同瀝青混合料的車轍穩(wěn)定度

6種溫拌改性瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可知，本次車轍試驗(yàn)中動(dòng)穩(wěn)定度在3087-6833次/mm之間。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2017）的相關(guān)要求，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度>2800次/mm，故本次試驗(yàn)中所用6種溫拌改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足要求。其中，摻入了A降粘劑的S改性瀝青動(dòng)穩(wěn)定度最高，達(dá)到了6833次/mm，故鋪設(shè)瀝青混凝土路面時(shí)，要想提高路面的高溫穩(wěn)定性，可以優(yōu)先考慮使用SA3型溫拌改性瀝青混合料[2]。

2 溫拌改性瀝青混合料的低溫抗裂性能分析

2.1 低溫彎曲試驗(yàn)

使用瀝青混合料鋪筑的路面，在冬季低溫天氣下容易因?yàn)槭湛s而出現(xiàn)開裂的情況。溫拌改性瀝青混合料具有更強(qiáng)的應(yīng)力松弛特性，在因?yàn)榈蜏匕l(fā)生收縮以后，隨著溫度的重新回升，低溫拉應(yīng)力逐漸消解，此時(shí)路面瀝青材料又會(huì)重新恢復(fù)正常，從而使路面具備了更強(qiáng)的低溫抗裂性能。由于瀝青混合料配合比不同，因此低溫抗裂能力也有差異，為了驗(yàn)證不同類型溫拌改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，開展試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。常用的試驗(yàn)方法加載破壞試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)等。本文選擇低溫彎曲試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)原理是在-10℃的低溫環(huán)境下，測(cè)定試件的抗彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和彎拉勁度模量。其中，抗彎拉強(qiáng)度越高，彎拉應(yīng)變?cè)酱螅瑥澙瓌哦饶Ａ吭叫。砻鞯蜏乜沽研阅茉胶谩１驹囼?yàn)中根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）相關(guān)規(guī)定，制作規(guī)格為40 mm×20 mm×180 mm的棱柱體試件，加載速率設(shè)定為60 mm/min，測(cè)量6種瀝青混合料在低溫環(huán)境下的抗彎拉強(qiáng)度[3]。

2.2 不同瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度

6種瀝青混合料的低溫試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，在-10℃的低溫環(huán)境下，未摻入降粘劑的E改性瀝青（EO）和S改性瀝青（S0），抗彎拉強(qiáng)度分別為8.3 MPa和8.7 MPa，高于摻入了A和C降粘劑的瀝青混合料。說(shuō)明降粘劑的使用，對(duì)瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度有負(fù)面影響。同樣的，在彎拉應(yīng)變一項(xiàng)指標(biāo)中，兩種未摻入降粘劑的改性瀝青，彎拉應(yīng)變值分別為2 720.9 με和2 727.4 με，也高于其他4種摻入降粘劑的瀝青混合料。在彎拉勁度模量一項(xiàng)指標(biāo)中，使用降粘劑C、摻入量為3%的瀝青混合料（SC3），彎拉勁度模量最低，為2 888.9 kPa。綜合對(duì)比來(lái)看，要想提高瀝青路面的低溫抗彎拉強(qiáng)度，選擇SC3型溫拌改性瀝青混合料可以取得理想效果[4]。

3 溫拌改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能分析

3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

水損害是導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)脫粒、坑槽的主要原因之一。在容易出現(xiàn)積水的低洼路段，或者車流量較大、超載貨車數(shù)量較多的路段，出現(xiàn)水損害的幾率較高。在這些特殊路段施工時(shí)，應(yīng)選擇溫拌改性瀝青混合料提高路面的水穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性的方法有多種，例如浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)等。本文分別進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，具體方法為：

①浸水馬歇爾試驗(yàn)。制作馬歇爾試驗(yàn)，正反兩面分別擊實(shí)60次。然后將試件均分成A、B2組。其中A組試件置于60℃的溫水中，恒溫浸泡30 min;B組試件置于60℃溫水中，恒溫浸泡48 h。到達(dá)時(shí)間后，將試件取出測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度，A組記為MS0，B組記為MS1。利用如下公式求得殘留穩(wěn)定度（MS）：

MS=MS1/MS0×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?①

6種瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度如表3所示。

②凍融劈裂試驗(yàn)。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（（JTG E20—2011））的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。制作馬歇爾試件后，正反兩面各擊實(shí)60次，然后將其均分成A、B兩組。將A組試件置于30℃的溫水中浸泡2 h，取出測(cè)量試件的劈裂強(qiáng)度，記為PT1;將B組試件置于98.5 KPa的真空條件下，維持15 min。之后將試件取出，置于30℃的水中靜置30 min。到時(shí)間后，取出試件放于塑料袋中，封口并放于-20℃的冰箱中，靜置12 h。到時(shí)間后，取出置于60℃的溫水中恒溫浸泡24 h，再放到30℃的水中浸泡2 h。最后取出測(cè)量試件的劈裂強(qiáng)度，記為PT2。由劈裂強(qiáng)度（PT）計(jì)算出劈裂抗拉強(qiáng)度（RT），兩者之間關(guān)系為：

RT =6.287×10-3PT /h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ②

上式中h為試件在水中浸泡的總時(shí)間。再根據(jù)劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算出凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比（TSR），計(jì)算公式為：

TSR= RT2 / RT1×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?③

3.2 不同瀝青混合料的水穩(wěn)定性

不同瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比如圖1所示。

結(jié)合圖1可知，6種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，在91.1%～95.8%之間;凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比在86.3%-97.2%之間。而《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2017）中設(shè)定的最小值為80%，故本次試驗(yàn)中瀝青混合料的水穩(wěn)定性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。僅從水穩(wěn)定性上來(lái)看，使用C粘結(jié)劑、摻入量為3%的溫拌改性瀝青混合料（SC3）的效果最好，EC3次之。但是EC3的壓實(shí)溫度為120℃，低于SC3的135℃。因此綜合來(lái)看，EC3是更好的選擇[5]。

4 溫拌改性瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度分析

采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，選擇不摻加降粘劑的EO瀝青混合料，以10℃為變化幅度，分別設(shè)計(jì)了150℃、160℃、170℃和180℃四個(gè)溫度等級(jí)，測(cè)量4個(gè)不同壓實(shí)溫度下，E0瀝青混合料的空隙率、毛體積密度與壓實(shí)溫度的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，隨著壓實(shí)溫度的增大，瀝青混合料的空隙率呈先增大后減小變化，其中壓實(shí)溫度為170℃時(shí)，空隙率達(dá)到最低，其值為2.90%;隨著壓實(shí)溫度的增大，瀝青混合料的毛體積密度呈先增大后減小變化，其中壓實(shí)溫度為170℃時(shí)，毛體積密度達(dá)到最大，此時(shí)毛體積密度為2.51 g/cm3。根據(jù)圖2可知，壓實(shí)溫度為170℃時(shí)瀝青混合料的空隙率、毛體積密度均達(dá)到最佳狀態(tài)，即表明此時(shí)瀝青混合料的耐磨性、穩(wěn)定性等路用性能較好。

5 結(jié)語(yǔ)

溫拌改性瀝青混合料具有高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等諸多優(yōu)良的路用性能，在公路工程中使用該材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇合適類型的瀝青混合料，并靈活調(diào)控壓實(shí)溫度，才能保證材料路用性能達(dá)到最優(yōu)化。本文針對(duì)不同溫拌改性瀝青混合料進(jìn)行了高溫車轍穩(wěn)定度、低溫抗彎拉強(qiáng)度、水穩(wěn)定性能等路用性能試驗(yàn)，旨為溫拌改性瀝青混合料的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 王逸庶，毛云峰.摻入溫拌劑后SBS改性瀝青混合料路用性能分析[J].中國(guó)公路，2019（11）：2-4.

[2] 李偉.溫拌抗車轍復(fù)合改性SMA瀝青混凝土路面施工技術(shù)研究與應(yīng)用[J].建筑·建材·裝飾，2019（21）：84-85.

[3] 李微，趙亮，張洋，等.環(huán)保型阻燃溫拌瀝青混合料在隧道路面中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].吉林交通科技，2019（1）：8-10.

[4] 陳偉，時(shí)孝鵬.軟硬瀝青復(fù)配溫拌改性瀝青混合料路用性能研究[J].施工技術(shù)，2020（S01）：1 327-1 329.

[5] 王偉明，凌宏杰，吳曠懷.新型溫拌復(fù)合改性橡膠瀝青及其路用性能[J].公路，2019，64（3）：230-234.