温拌沥青混合料压实特性影响因素研究

2019-12-17南秋彩

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年12期

南秋彩

(黄河交通学院，河南焦作 454950)

我国高速公路大多采用沥青混合料铺装，在其施工过程中会造成严重的环境污染，与我国资源节约型和环境友好型社会发展战略相悖。为实现绿色公路建设理念，学界提出了温拌沥青混合料技术，其施工温度相对较低，大大减少了施工中的能源消耗和沥青烟排放，且延长了施工季节，因而近年来逐渐在我国引起关注并推广使用[1-7]。在温拌沥青路面施工中，混合料压实质量好坏直接影响其使用寿命，因而对温拌沥青混合料压实特性进行研究有重要意义。

延西利等[8]研究了温拌沥青混合料的压实特性，发现其压实难易系数较热拌沥青混合料降低13.5%～18.5%。胡帮艳等[9]研究了压实方法对温拌沥青混合料压实规律的影响，发现旋转压实和马歇尔击实下温拌沥青混合料的宏细观体积指标随压实次数增加变化规律基本一致，但旋转压实更容易使其密实。杨彦海等[10]研究了压实温度对温拌沥青混合料压实特性的影响，发现当压实温度低于130 ℃时，随着压实温度升高，可压实性增加速率较快；在130～160 ℃时，增长速率明显放缓；当超过160 ℃后可压实性基本不变。上述研究表明：现有研究较少涉及温拌剂掺量、集料棱角性和级配等对温拌沥青混合料压实特性的影响。故笔者基于沥青混合料旋转压实试验中密实曲线参数对此进行研究，对进一步掌握温拌沥青混合料压实特性有积极意义。

1 原材料

1.1 沥青

本试验采用90#基质沥青，其主要技术指标如表1。

表1 基质沥青主要技术指标Table 1 Main technical indexes of base asphalt

(续表1)

指标试验结果规范要求RTFOT后质量变化/%0.51≤±0.80针入度比/%61≥57

1.2 温拌剂

温拌剂采用Sasobit温拌剂，外观为白色粉末，其主要技术指标如表2。

表2 温拌剂主要技术指标Table 2 Main technical indexes of warm mixing agent

1.3 集料

本试验采用4种不同产地玄武岩粗集料，细集料则均为同一玄武岩，主要技术指标均满足规范要求。对4种集料4.75 mm以上颗粒松装间隙率进行测试，结果如表3。

表3 4种集料松装空隙率Table 3 The loosening porosity rate of 4 kinds of aggregates

1.4 级配

本试验采用AC-13-1、AC-13-2、AC-16-1、AC-16-2、AC-20-1和AC-20-2共6种级配，如表4。

表4 6种集料级配Table 4 6 kinds of aggregate gradations

2 沥青混合料旋转压实特性参数

沥青混合料旋转压实方法在压实过程中能提供反映混合料密实特性的曲线，如图1。

图1 旋转压实密实曲线Fig. 1 Rotary compacted compactness curve

可采用压实能量指数CEI、交通密实指数TDI、斜率K1、K2表征沥青混合料压实特性。CEI代表施工中沥青混合料由松散状态经摊铺机和压路机压实至92%密实度所需的压实功，采用密实曲线上92%以下部分围成面积表示，CEI越小，表明压实过程中沥青混合料可压实性越好。TDI代表开放交通后沥青混合料经行车荷载由92%密实度压实至98%密实度所需的压实功，采用密实曲线上92%～98%部分围成面积表示，TDI越大，表明开放交通后沥青混合料抗变形能力越好。

K1代表半对数坐标纸上密实曲线由初始压实次数Nini(文中取8次)压实至设计压实次数Ndes(文中取100次)曲线对应的平均斜率，可由式(1)计算。K1越大，表明沥青混合料压实过程中每压实一次密度上升的速率越快。

(1)

式中：γdes、γini分别为对应于Nini、Ndes的沥青混合料密实度，%；Nini、Ndes分别为沥青混合料初始压实次数和设计压实次数。

K2为直角坐标纸上密实曲线由设计压实次数Ndes压实至最大压实次数Nmax(文中取160次)曲线对应的平均斜率。K2越大，表明沥青混合料开放交通后行车荷载每作用一次密实度的上升速率越快，对应沥青混合料抗变形能力越差。

3 温拌剂掺量压实特性影响

为研究温拌剂掺量对沥青混合料压实特性影响，笔者制备Sasobit掺量分别为0%、1%、2%、3%、4%的沥青，进而采用玄武岩1集料和AC-13-1级配拌制沥青混合料进行旋转压实试验。同时为消除压实温度的影响，参照文献[11]的研究成果，压实温度统一为120 ℃。

不同温拌剂掺量下沥青混合料的CEI和K1计算结果分别如图2。由图2可知：掺入Sasobit后沥青混合料CEI降低，K1升高，表明温拌剂可有效改善沥青混合料可压实性，并提高压实速率。同时，随着Sasobit掺量提高，CEI逐渐降低，K1逐渐升高，此时沥青混合料可压实性进一步增强，压实速率加快；但Sasobit掺量超过3%后CEI下降速率和K1升高速率均有减缓趋势，表明此时继续增加温拌剂掺量对沥青混合料可压实性和压碎速率的改善幅度降低。这是因为在高温压实过程中，Sasobit熔化对沥青起润滑作用，沥青黏度降低，沥青混合料施工和易性变好。

图2 温拌剂掺量对CEI和K1影响Fig. 2 Effect of mixing amount of warm mixing agent on CEI and K1

不同温拌剂掺量下沥青混合料的TDI和K2计算结果分别如图3。由图3可知：掺入Sasobit后沥青混合料TDI升高，K2降低，表明温拌剂可提高沥青混合料抗变形能力。同时，随着Sasobit掺量提高，TDI基本呈线性增加，K2基本呈线性降低，此时沥青混合料抗变形能力进一步增强。这是因为沥青混合料温度降低至Sasobit滴熔点115 ℃以下时，其在沥青中以固态存在[12]，沥青黏度增强。

图3 温拌剂掺量对TDI和K2影响Fig. 3 Effect of mixing amount of warm mixing agent on TDI and K2

4 集料棱角性压实特性影响

为研究集料棱角性对温拌沥青混合料压实特性的影响，笔者以松装间歇率量化集料棱角性特征，其中松装间隙率越大，表明集料棱角性越好。以Sasobit掺量为3%制备温拌沥青，进而采用AC-13-1级配和表3中的4种玄武岩粗集料分别拌制沥青混合料进行旋转压实试验。

不同松装间隙率集料制备温拌沥青混合料的CEI和K1计算结果分别如图4。由图4可知：随着松装间隙率增加，CEI逐渐增加，K1逐渐降低，其中松装间隙率由43.1%增加至45.7%时，CEI增加22.6%，K1降低9.5%；表明此时温拌沥青混合料可压实性变差，压实速率降低。这是因为集料松装间隙率增加时表明其棱角性较好，集料相互嵌挤形成的内摩擦力增大，故所需压实功更大。

图2 松装间隙率对CEI和K1影响Fig. 4 Effect of loosening porosity rate on CEI and K1

不同松装间隙率集料制备温拌沥青混合料的TDI和K2计算结果分别如图5。由图5可知：随着松装间隙率增加，TDI逐渐增加，K2逐渐降低，其中松装间隙率由43.1%增加至45.7%时，TDI增加9.3%，K2降低23.1%；表明此时温拌沥青混合料开放交通后的抗变形能力增强。因此，通过选用棱角性较好集料能提高沥青路面抗变形能力。

图5 松装间隙率对TDI和K2影响Fig. 5 Effect of loosening porosity rate on TDI and K2

5 级配对压实特性影响

为研究级配对温拌沥青混合料压实特性影响，笔者制备了Sasobit掺量为3%的温拌沥青，进而采用玄武岩1集料和表4中的6种级配分别拌制温拌沥青混合料进行旋转压实试验。

不同级配温拌沥青混合料的CEI和K1计算结果分别如图6。由图6可知：对6种级配，整体上AC-20级配CEI最大，K1最小，而AC-13配CEI最小，K1最大，表明级配公称最大粒径增加时其可压实性变差，压实速率降低，这是因为其级配中粗集料增多，压实过程中集料间摩阻力增大所致；级配公称最大粒径相同时，AC-13-2、AC-16-2和AC-20-2级配的CEI分别较对应的AC-13-1、AC-16-1和AC-20-1级配更高，K1则较其更低，这是由于AC-13-2、AC-16-2和AC-20-2级配相对更靠近级配下限，级配中粗集料相对较多，而AC-13-1、AC-16-1和AC-20-1级配更靠近级配终值，沥青混合料更容易形成悬浮密实结构，在压实作用下集料间嵌挤作用相对较少，混合料更易被压实，因而可发现对于公称粒径相同级配，级配偏细时其可压实性更好。

图6 级配对CEI和K1影响Fig. 6 Effect of gradation on CEI and K1

不同级配温拌沥青混合料TDI和K2计算结果分别如图7。由图7可知：对6种级配，TDI和K2与级配最大公称粒径和级配粗细未显示明显关系，对AC-13和AC-16级配，更靠近级配下限的AC-13-2和AC-16-2的TDI高于对应的AC-13-1和AC-16-1，K2则分别较其更低，但对于AC-20级配的AC-20-1和AC-20-2，TDI和K2变化规律与AC-13和AC-16级配正好相反。上述分析表明：级配公称最大粒径大小或粗细不直接影响沥青混合料开放交通后的抗变形能力，更应注重级配的整体优化设计才可对提高其抗变形能力。