温拌改性沥青混合料的路用性能分析
2022-06-29周辉
周辉
摘 要：文章通过开展车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂强度试验，依次对比了6种温拌改性沥青混合料的车辙稳定度、低温抗弯拉强度、水稳定性能等路用性能指标。试验结果表明，不同类型的沥青混合料，其路用性能存在明显差异，应根据公路施工需要合理选择恰当类型的温拌改性沥青混合料，以达到最佳施工效果。
关键词：温拌改性沥青混合料;车辙试验;低温弯曲试验;水稳定性
中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）04-0054-03
0 引言
沥青混凝土路面广泛应用于高速公路、市政道路、机场跑道等各种场所，在路面铺筑时，选择何种沥青混合料对施工成本、铺筑效率、路面质量等会产生直接影响。普通的热拌沥青混合料（HMA），是将沥青加热至150℃左右，矿料加热至180℃左右，将两者充分拌匀后再进行铺筑。除了消耗较高的能源外，还会释放出刺鼻的有毒气体，污染环境并危害施工人员的健康。温拌改性沥青混合料由于拌和温度、压实温度较低，相比于常规的热拌热铺沥青混合料具有环保效益好、作业效率高、生产能耗低、使用寿命长等一系列优点，因此实际应用效果更好。在这一背景下，探究WMA路用性能对选择合适材料、提高路面施工质量有积极帮助。
1 温拌改性沥青混合料的高温稳定性分析
1.1 车辙试验
在高温环境下，沥青材料会软化，这时选择沥青混合料铺筑而成的路面，也会出现强度降低的情况。当有大吨位货车驶过时，很容易在路面留下车辙。在分析温拌改性沥青混合料高温稳定性时，可选择的方法有径向加载试验、三轴压缩试验、车辙试验等。本文以车辙试验为例，其原理是将温拌改性沥青混合料升高至不同温度，然后在当前温度下使用车轮在混合料表面进行反复碾压，对比不同沥青混合料抵抗塑性流动变形的能力[1]。其中，利用试块变形幅度与车轮通过次数之间的关系，可以计算出试块稳定度。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），车辙试验中使用温拌改性沥青混合料制作规格为300 mm×300 mm×60 mm的标准试件，然后试验温度设定为80℃，试验车轮的接地压强为0.6 MPa。选择E0、EA3、EC3、S0、SA3、SC3共6种不同类型的沥青混合料，测定其车辙动稳定度。
1.2 不同沥青混合料的车辙稳定度
6种温拌改性沥青混合料的车辙试验结果如表1所示。
结合表1数据可知，本次车辙试验中动稳定度在3087-6833次/mm之间。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2017）的相关要求，改性沥青混合料的动稳定度>2800次/mm，故本次试验中所用6种温拌改性沥青混合料的动稳定度均满足要求。其中，掺入了A降粘剂的S改性沥青动稳定度最高，达到了6833次/mm，故铺设沥青混凝土路面时，要想提高路面的高温稳定性，可以优先考虑使用SA3型温拌改性沥青混合料[2]。
2 温拌改性沥青混合料的低温抗裂性能分析
2.1 低温弯曲试验
使用沥青混合料铺筑的路面，在冬季低温天气下容易因为收缩而出现开裂的情况。温拌改性沥青混合料具有更强的应力松弛特性，在因为低温发生收缩以后，随着温度的重新回升，低温拉应力逐渐消解，此时路面沥青材料又会重新恢复正常，从而使路面具备了更强的低温抗裂性能。由于沥青混合料配合比不同，因此低温抗裂能力也有差异，为了验证不同类型温拌改性沥青混合料的低温抗裂性能，开展试验进行验证。常用的试验方法加载破坏试验、直接拉伸试验、应力松弛试验等。本文选择低温弯曲试验进行验证，试验原理是在-10℃的低温环境下，测定试件的抗彎拉强度、弯拉应变和弯拉劲度模量。其中，抗弯拉强度越高，弯拉应变越大，弯拉劲度模量越小，表明低温抗裂性能越好。本试验中根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）相关规定，制作规格为40 mm×20 mm×180 mm的棱柱体试件，加载速率设定为60 mm/min，测量6种沥青混合料在低温环境下的抗弯拉强度[3]。
2.2 不同沥青混合料的低温抗弯拉强度
6种沥青混合料的低温试验结果如表2所示。
结合表2数据可知，在-10℃的低温环境下，未掺入降粘剂的E改性沥青（EO）和S改性沥青（S0），抗弯拉强度分别为8.3 MPa和8.7 MPa，高于掺入了A和C降粘剂的沥青混合料。说明降粘剂的使用，对沥青混合料的低温抗弯拉强度有负面影响。同样的，在弯拉应变一项指标中，两种未掺入降粘剂的改性沥青，弯拉应变值分别为2 720.9 με和2 727.4 με，也高于其他4种掺入降粘剂的沥青混合料。在弯拉劲度模量一项指标中，使用降粘剂C、掺入量为3%的沥青混合料（SC3），弯拉劲度模量最低，为2 888.9 kPa。综合对比来看，要想提高沥青路面的低温抗弯拉强度，选择SC3型温拌改性沥青混合料可以取得理想效果[4]。
3 温拌改性沥青混合料的水稳定性能分析
3.1 浸水马歇尔试验和冻融劈裂强度试验
水损害是导致沥青路面出现脱粒、坑槽的主要原因之一。在容易出现积水的低洼路段，或者车流量较大、超载货车数量较多的路段，出现水损害的几率较高。在这些特殊路段施工时，应选择温拌改性沥青混合料提高路面的水稳定性。评价水稳定性的方法有多种，例如浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、浸水车辙试验等。本文分别进行了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，具体方法为：
①浸水马歇尔试验。制作马歇尔试验，正反两面分别击实60次。然后将试件均分成A、B2组。其中A组试件置于60℃的温水中，恒温浸泡30 min;B组试件置于60℃温水中，恒温浸泡48 h。到达时间后，将试件取出测定马歇尔稳定度，A组记为MS0，B组记为MS1。利用如下公式求得残留稳定度（MS）：
MS=MS1/MS0×100% ①
6种沥青混合料的马歇尔稳定度和残留稳定度如表3所示。
②冻融劈裂试验。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（（JTG E20—2011））的有关规定进行冻融劈裂试验。制作马歇尔试件后，正反两面各击实60次，然后将其均分成A、B两组。将A组试件置于30℃的温水中浸泡2 h，取出测量试件的劈裂强度，记为PT1;将B组试件置于98.5 KPa的真空条件下，维持15 min。之后将试件取出，置于30℃的水中静置30 min。到时间后，取出试件放于塑料袋中，封口并放于-20℃的冰箱中，静置12 h。到时间后，取出置于60℃的温水中恒温浸泡24 h，再放到30℃的水中浸泡2 h。最后取出测量试件的劈裂强度，记为PT2。由劈裂强度（PT）计算出劈裂抗拉强度（RT），两者之间关系为：
RT =6.287×10-3PT /h ②
上式中h为试件在水中浸泡的总时间。再根据劈裂抗拉强度计算出冻融劈裂抗拉强度比（TSR），计算公式为：
TSR= RT2 / RT1×100% ③
3.2 不同沥青混合料的水稳定性
不同沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比如图1所示。
结合图1可知，6种沥青混合料的残留稳定度，在91.1%～95.8%之间;冻融劈裂抗拉强度比在86.3%-97.2%之间。而《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2017）中设定的最小值为80%，故本次试验中沥青混合料的水稳定性达到标准要求。仅从水稳定性上来看，使用C粘结剂、掺入量为3%的温拌改性沥青混合料（SC3）的效果最好，EC3次之。但是EC3的压实温度为120℃，低于SC3的135℃。因此综合来看，EC3是更好的选择[5]。
4 温拌改性沥青混合料的拌和与压实温度分析
采用马歇尔击实试验，选择不掺加降粘剂的EO沥青混合料，以10℃为变化幅度，分别设计了150℃、160℃、170℃和180℃四个温度等级，测量4个不同压实温度下，E0沥青混合料的空隙率、毛体积密度与压实温度的关系，结果如图2所示。
如图2所示，随着压实温度的增大，沥青混合料的空隙率呈先增大后减小变化，其中压实温度为170℃时，空隙率達到最低，其值为2.90%;随着压实温度的增大，沥青混合料的毛体积密度呈先增大后减小变化，其中压实温度为170℃时，毛体积密度达到最大，此时毛体积密度为2.51 g/cm3。根据图2可知，压实温度为170℃时沥青混合料的空隙率、毛体积密度均达到最佳状态，即表明此时沥青混合料的耐磨性、稳定性等路用性能较好。
5 结语
温拌改性沥青混合料具有高温稳定性、低温抗裂性等诸多优良的路用性能，在公路工程中使用该材料时，应根据现场情况选择合适类型的沥青混合料，并灵活调控压实温度，才能保证材料路用性能达到最优化。本文针对不同温拌改性沥青混合料进行了高温车辙稳定度、低温抗弯拉强度、水稳定性能等路用性能试验，旨为温拌改性沥青混合料的设计提供参考。
参考文献
[1] 王逸庶，毛云峰.掺入温拌剂后SBS改性沥青混合料路用性能分析[J].中国公路，2019（11）：2-4.
[2] 李伟.温拌抗车辙复合改性SMA沥青混凝土路面施工技术研究与应用[J].建筑·建材·装饰，2019（21）：84-85.
[3] 李微，赵亮，张洋，等.环保型阻燃温拌沥青混合料在隧道路面中的应用技术研究[J].吉林交通科技，2019（1）：8-10.
[4] 陈伟，时孝鹏.软硬沥青复配温拌改性沥青混合料路用性能研究[J].施工技术，2020（S01）：1 327-1 329.
[5] 王伟明，凌宏杰，吴旷怀.新型温拌复合改性橡胶沥青及其路用性能[J].公路，2019，64（3）：230-234.
