肖慶一，孫博偉，王玉寶

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401)

0 引 言

路面工程中常用的熱拌瀝青混合料HMA將瀝青和礦料于160～180 ℃的高溫下進行拌和，高溫條件會消耗大量的能源，在攤鋪過程中會排二氧化碳，二氧化硫等有害氣體，形成了不良的作業(yè)環(huán)境[1]。溫拌瀝青混合料WMA，它能在降低10～50 ℃條件下進行拌和與施工[2-3]，具有降低能耗，減少碳排放等優(yōu)點，同時又能保證較好的壓實特性。SMA混合料作為一種性能優(yōu)良的道路建筑材料，具有很好的的低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性、耐久性、以及優(yōu)良的表面特征，在我國路面建設(shè)中被廣泛使用。一般SMA混合料均需加入少量纖維穩(wěn)定劑用以提高混合料的性能，但是纖維的加入會造成一定的弊端，纖維多具有孔洞，易吸水腐爛，耐熱耐磨性差[4]。此外纖維具有較大吸油性，吸附大量瀝青以及加筋作用，影響施工和易性，若拌合不均會導致泛油等危害。針對以上問題，筆者引用一種以aspha-min溫拌劑代替纖維穩(wěn)定劑的新型溫拌無纖維SMA混合料作為研究對象。

混合料在施工碾壓和使用中各項體積參數(shù)變化和穩(wěn)定性稱之為壓實特性，它反映了混合料碾壓的難易程度[5]。在施工階段，機械設(shè)備反復(fù)揉搓碾壓，混合料進一步壓密，空隙率減小，具有良好壓實特性的混合料更易于壓實，體積參數(shù)也滿足規(guī)范。旋轉(zhuǎn)壓實儀對試件采用揉搓碾壓成型方法取代了馬歇爾擊實的方法，更接近實際過程。筆者將借助旋轉(zhuǎn)壓實儀，通過測定壓實能量指數(shù)CEI、交通密度指數(shù)TDI以及密實度斜率k來評價溫拌無纖維SMA的壓實特性[6-8]。

1 瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線及其評價指標

旋轉(zhuǎn)壓實過程中，旋轉(zhuǎn)壓實儀可輸出試件高度隨壓實次數(shù)變化的曲線圖，根據(jù)此曲線圖算出每一壓實次數(shù)下對應(yīng)的密實度比，得到旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線。旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線反映的是試件的密實度比(壓實密度與最大理論密度的比值) 隨壓實次數(shù)的變化情況[9]。由于旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線反映出壓實過程中密實度的變化情況，并且與瀝青混合料的可壓實性有很好的相關(guān)性，因此可利用旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線(以下簡稱為壓實曲線)分析瀝青混合料的可壓實性，圖1為瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線圖。

圖1 旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線Fig. 1 Rotating compaction densification curve

1.1 壓實能量指數(shù)CEI

壓實能量指數(shù)是指將混合料壓實到一定程度時攤鋪機和壓路機所做的功。通常要求路面竣工時的密實度比達到93%，由Nini(壓實次數(shù)為8次)至密實度比93%之間的壓實曲線反映了混合料在碾壓過程中的壓實特性。如圖2陰影所示，將此段壓實曲線所圍成的面積表示為壓實能量指數(shù)CEI，通常對擬合回歸的壓實曲線上的Nini和Ndes(密實度為93%時的壓實次數(shù))所圍成的區(qū)域進行積分得到壓實能量指數(shù)CEI，該值越大，表明壓實混合料需要做越多的功。

1.2 交通密實指數(shù)TDI

交通密實指數(shù)是指在道路開放交通后，車輛反復(fù)荷載作用下，混合料進一步壓密，達到極限密實狀態(tài)下所做的功。表示為由密實度比93%到密實度比96%范圍內(nèi)的壓實曲線面積，如圖2陰影部分所示。其大小可以由擬合回歸曲線上Ndes至Nmax(密實度為96%時的壓實次數(shù))所圍成的區(qū)域進行積分得到。TDI越大，則表示為開放交通后，路面的抗車轍，抗變形能力越好。

圖2 能量指數(shù)Fig. 2 Energy index

1.3 Nini和Ndes在半對數(shù)坐標上的密實度斜率k

密實度斜率是評估混合料壓實特性的一個重要指標，通常認為壓實曲線平均斜率代表了在此范圍內(nèi)混合料的可壓實性?；旌狭系膲簩嵡€可以擬合為一個指數(shù)曲線，方程表示為

γ=aNb

(1)

式中：a、b均為回歸參數(shù)。對方程求導，就可以得到曲線上任意一個點的斜率，反映相應(yīng)壓實次數(shù)下的壓實速率大小。若是采用半對數(shù)坐標，則Nini和Ndes之間壓實曲線基本上呈一直線，SHRP采用了更加簡化的方法來表示Nini和Ndes之間的平均斜率：

(2)

k值越大(斜率越大，曲線越陡)，則壓實速率越大，混合料越容易壓實。相反，k值越小(斜率越小，曲線越平緩)，則說明混合料在壓密過程中的內(nèi)摩阻力越大，不易壓實。在混合料尚未達到要求的密實度比時，k值越大越好。

2 實驗研究方案

筆者使用的設(shè)備是意大利CONTROLS ICT旋轉(zhuǎn)壓實儀。實驗時，將預(yù)熱后的混合料倒入模具并放入控制室內(nèi)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)角為1.25°，對試件加以600 kPa的豎直加載壓力，以30 r/min的速率旋轉(zhuǎn)。試件在豎向壓力和水平剪力的作用下，壓密形成骨架結(jié)構(gòu)，從而模擬荷載對道路的壓實作用。筆者對相同配比(SMA-13)和瀝青用量(5.5%)條件下普通熱拌SMA混合料(有纖維，不加溫拌劑)和溫拌無纖維SMA混合料(無纖維，加入溫拌劑)進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗，SBS改性瀝青作為結(jié)合料(各項指標如表1)，所用級配各檔集料的篩分通過率如表2。之后對溫拌無纖維SMA在不同溫度和油石比條件下進行試驗，根據(jù)計算得到的密實度比，繪制壓實曲線，計算CEI,TDI和k值并分析。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標Table 1 SBS modified asphalt technical index

表2 試驗用級配各檔集料的篩分通過率Table 2 Screening pass rate of the tested gradation of aggregates

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 不同類型混合料的旋轉(zhuǎn)壓實特性分析

分別用溫拌無纖維SMA、普通熱拌有纖維SMA制備的混合料進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗，根據(jù)壓實過程中試件高度隨壓實次數(shù)的變化情況，計算得到任意壓實次數(shù)的試件壓實度比，繪制如圖3所示的兩種混合料的旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線。

圖3 兩種混合料旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線Fig. 3 Rotating compaction densification curves of two kinds of mixtures

將壓實曲線以式(1)的形式擬合成冪函數(shù)曲線，其中a,b為回歸參數(shù)，對這兩類混合料的壓實曲線進行擬合。對擬合曲線進行積分計算壓實能量指數(shù)CEI與交通密實指數(shù)TDI并繪制成柱狀圖4，計算結(jié)果如表3。

圖4 兩種混合料的CEI和TDIFig. 4 CEI and TDI of two kinds of mixtures

混合料類型ab溫拌無纖維SMA混合料79．0490．043普通熱拌SMA混合料79．9290．041

由圖4看出，溫拌無纖維SMA的CEI和TDI相比于普通熱拌SMA混合料，差值均在4%以內(nèi)，總體來說差別并不顯著，而溫拌無纖維SMA混合料在經(jīng)濟和環(huán)境影響方面更勝一籌。

筆者主要分析瀝青混合料在施工過程中的壓實特性，因此對Nini和Ndes之間的壓實曲線的橫坐標采用半對數(shù)坐標，得到圖5所示曲線，近似為一條直線。

圖5 兩種混合料在半對數(shù)坐標Nini和Ndes之間的壓實曲線Fig. 5 Compaction curves of two kinds of mixtures insemi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

利用公式(2)計算半對數(shù)坐標下的平均斜率k，計算結(jié)果如表4。

表4 兩種混合料中Nini和Ndes之間半對數(shù)坐標下的平均斜率kTable 4 The average slope k of two kinds of in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes

由結(jié)果看出：相比普通熱拌SMA試件的成型溫度降低30 ℃，CEI、TDI和平均斜率k幾乎相同，表明兩者均具有較好的壓實性能。

3.2 成型溫度對溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實特性的影響

對溫拌無纖維SMA混合料分別在120、140、160 ℃溫度下進行壓實試驗，計算并繪制出3種不同溫度下溫拌無纖維SMA的旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線如圖6。

圖6 不同溫度條件下溫拌無纖維SMA的旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線Fig. 6 Rotational compaction densification curves of mixtureswarm mixed non-fiber SMA at different temperatures

將圖6中3個不同溫度條件下的壓實曲線以公式(1)形式擬合成冪函數(shù)曲線，擬合結(jié)果見表5。

表5 不同溫度條件下混合料壓實曲線擬合后的回歸參數(shù)Table 5 Regression parameters after fitting the compaction curves ofmixtures at different temperatures

對擬合得到回歸曲線進行積分，求得壓實過程中的CEI和TDI，計算結(jié)果用直方圖7。

圖7 不同溫度下混合料的CEI和TDIFig. 7 CEI and TDI of mixtures at different temperatures

對Nini和Ndex之間的壓實曲線橫坐標采用半對數(shù)坐標形式，近似為1條直線，如圖8。

圖8 不同溫度條件下混合料在半對數(shù)坐標Nini和Ndes之間的壓實曲線Fig. 8 Compaction curves of mixtures in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes at different temperatures

用式(2)計算得到半對數(shù)坐標下的平均斜率k，對不同溫度下的混合料平均斜率k進行對比，見表6。

表6 不同溫度下混合料在Nini和Ndes之間半對數(shù)坐標下的平均斜率kTable 6 The average slope k of mixtures in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes at different temperatures

通過試驗可知：成型溫度升高，壓實能量指數(shù)CEI和交通密實指數(shù)TDI明顯降低，而且旋轉(zhuǎn)壓實曲線斜率k顯著增大，說明溫度對溫拌無纖維SMA混合料的壓實特性有著很大的影響，當溫度以恒定間隔(20 ℃)提高時，混合料的壓實能量指數(shù)CEI與交通密實指數(shù)TDI減小約為原來溫度的1/2，另一方面，通過實驗發(fā)現(xiàn)當溫度超過140 ℃之后，壓實速率不再大幅度增加，而是相對趨于平衡。

3.3 油石比對溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實特性的影響

瀝青結(jié)合料在SMA中主要是起到了潤滑的作用，為了定量的研究在不同瀝青用量條件下溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實特性，在試驗中采用3組不同的油石比作為觀察，分別為5.2%、5.5%、5.8%，在其余條件相同的情況下進行試驗作對比，根據(jù)試驗結(jié)果繪制壓實曲線，如圖9。

圖9 不同油石比條件下溫拌無纖維SMA的壓實曲線Fig. 9 Compaction curve of warm mixed non-fiber SMA withdifferent bitumen aggregate ratio

將圖9中不同油石比下的壓實曲線以公式(1)形式擬合成冪函數(shù)曲線，擬合結(jié)果見表7。

表7 不同油石比條件下混合料密實曲線擬合后的回歸參數(shù)Table 7 Regression parameters after fitting the densification curves ofmixtures with different bitumen aggregate ratio

對回歸曲線積分求得CEI和TDI(圖10)，半對數(shù)坐標系下壓實曲線如圖11。

圖10 不同油石比下混合料的CEI與TDIFig. 10 CEI and TDI of mixtures with different bitumen aggregate ratio

圖11 不同油石比的混合料在半對數(shù)坐標Nini 和Ndes之間的壓實曲線Fig. 11 Compaction curves of mixtures with different bitumenaggregate ratio in semi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

利用公式(2)計算不同油石比下的平均斜率k，結(jié)果如表8。

表8 不同油石比的混合料在Nini和Ndes之間半對數(shù)坐標下的平均斜率kTable 8 The average slope k of mixtures with different bitumenaggregate ratio in semi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

可以看出，隨著油石比的增大，溫拌無纖維SMA混合料的CEI逐漸減小，斜率k逐漸變大，說明溫拌無纖維SMA被壓實的速率越來越大，這就表明在施工過程中混合料和易性更優(yōu)。與此同時TDI數(shù)值降低也就意味著在開放交通后，路面的抗車轍能力相應(yīng)的減弱。這是由于瀝青與細集料一起形成瀝青瑪蹄脂在混合料中有著潤滑的效果，瀝青的不斷增加，瀝青瑪蹄脂也逐漸變多，且潤滑性越強，從而更容易壓實。

4 結(jié) 論

利用旋轉(zhuǎn)壓實儀對普通熱拌SMA和無纖維溫拌SMA進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗，通過不斷記錄壓實過程中試件高度變化，繪制出旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線，通過壓實能量指數(shù)CEI，交通密實指數(shù)TDI以及在半對數(shù)坐標上的平均斜率k來評價溫拌無纖維SMA混合料的旋轉(zhuǎn)壓實特性，由試驗表明：

1)通過對普通熱拌SMA和溫拌無纖維SMA旋轉(zhuǎn)壓實試驗，發(fā)現(xiàn)溫拌無纖維SMA相比于普通熱拌SMA各指標相差無幾，在降低30 ℃溫度下，溫拌無纖維SMA完全能夠保證瀝青路面有普通熱拌SMA一樣良好的壓實效果。

2)在不同成型溫度下對溫拌無纖維SMA進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗可以看出，隨著成型溫度的升高，混合料的CEI和TDI均減小約50%，而Nini和Ndes之間的平均斜率k增加4.9和1.7。表明成型溫度對混合料的壓實特性有著顯著影響，但當溫度超過140 ℃后，對壓實速率影響不再顯著。

3)油石比的增加有助于提高溫拌無纖維SMA的壓實性能，當油石比達到5.8%時只有壓實速率還在以近10%速率增長，CEI與TDI基本維持在恒定水平，綜合考慮，當油石比增加到5.8%后壓實能力基本穩(wěn)定，油石比繼續(xù)增加只會提高成本，嚴重時產(chǎn)生析漏，意義不大。

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