南 秋 彩

(黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950)

我國高速公路大多采用瀝青混合料鋪裝，在其施工過程中會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，與我國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略相悖。為實(shí)現(xiàn)綠色公路建設(shè)理念，學(xué)界提出了溫拌瀝青混合料技術(shù)，其施工溫度相對(duì)較低，大大減少了施工中的能源消耗和瀝青煙排放，且延長了施工季節(jié)，因而近年來逐漸在我國引起關(guān)注并推廣使用[1-7]。在溫拌瀝青路面施工中，混合料壓實(shí)質(zhì)量好壞直接影響其使用壽命，因而對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性進(jìn)行研究有重要意義。

延西利等[8]研究了溫拌瀝青混合料的壓實(shí)特性，發(fā)現(xiàn)其壓實(shí)難易系數(shù)較熱拌瀝青混合料降低13.5%～18.5%。胡幫艷等[9]研究了壓實(shí)方法對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和馬歇爾擊實(shí)下溫拌瀝青混合料的宏細(xì)觀體積指標(biāo)隨壓實(shí)次數(shù)增加變化規(guī)律基本一致，但旋轉(zhuǎn)壓實(shí)更容易使其密實(shí)。楊彥海等[10]研究了壓實(shí)溫度對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓實(shí)溫度低于130 ℃時(shí)，隨著壓實(shí)溫度升高，可壓實(shí)性增加速率較快；在130～160 ℃時(shí)，增長速率明顯放緩；當(dāng)超過160 ℃后可壓實(shí)性基本不變。上述研究表明：現(xiàn)有研究較少涉及溫拌劑摻量、集料棱角性和級(jí)配等對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性的影響。故筆者基于瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)中密實(shí)曲線參數(shù)對(duì)此進(jìn)行研究，對(duì)進(jìn)一步掌握溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性有積極意義。

1 原材料

1.1 瀝 青

本試驗(yàn)采用90#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of base asphalt

(續(xù)表1)

指 標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果規(guī)范要求RTFOT后質(zhì)量變化/%0.51≤±0.80針入度比/%61≥57

1.2 溫拌劑

溫拌劑采用Sasobit溫拌劑，外觀為白色粉末，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 溫拌劑主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of warm mixing agent

1.3 集 料

本試驗(yàn)采用4種不同產(chǎn)地玄武巖粗集料，細(xì)集料則均為同一玄武巖，主要技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。對(duì)4種集料4.75 mm以上顆粒松裝間隙率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3。

表3 4種集料松裝空隙率Table 3 The loosening porosity rate of 4 kinds of aggregates

1.4 級(jí) 配

本試驗(yàn)采用AC-13-1、AC-13-2、AC-16-1、AC-16-2、AC-20-1和AC-20-2共6種級(jí)配，如表4。

表4 6種集料級(jí)配Table 4 6 kinds of aggregate gradations

2 瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)特性參數(shù)

瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法在壓實(shí)過程中能提供反映混合料密實(shí)特性的曲線，如圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線Fig. 1 Rotary compacted compactness curve

可采用壓實(shí)能量指數(shù)CEI、交通密實(shí)指數(shù)TDI、斜率K1、K2表征瀝青混合料壓實(shí)特性。CEI代表施工中瀝青混合料由松散狀態(tài)經(jīng)攤鋪機(jī)和壓路機(jī)壓實(shí)至92%密實(shí)度所需的壓實(shí)功，采用密實(shí)曲線上92%以下部分圍成面積表示，CEI越小，表明壓實(shí)過程中瀝青混合料可壓實(shí)性越好。TDI代表開放交通后瀝青混合料經(jīng)行車荷載由92%密實(shí)度壓實(shí)至98%密實(shí)度所需的壓實(shí)功，采用密實(shí)曲線上92%～98%部分圍成面積表示，TDI越大，表明開放交通后瀝青混合料抗變形能力越好。

K1代表半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上密實(shí)曲線由初始?jí)簩?shí)次數(shù)Nini(文中取8次)壓實(shí)至設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)Ndes(文中取100次)曲線對(duì)應(yīng)的平均斜率，可由式(1)計(jì)算。K1越大，表明瀝青混合料壓實(shí)過程中每壓實(shí)一次密度上升的速率越快。

(1)

式中：γdes、γini分別為對(duì)應(yīng)于Nini、Ndes的瀝青混合料密實(shí)度，%；Nini、Ndes分別為瀝青混合料初始?jí)簩?shí)次數(shù)和設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)。

K2為直角坐標(biāo)紙上密實(shí)曲線由設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)Ndes壓實(shí)至最大壓實(shí)次數(shù)Nmax(文中取160次)曲線對(duì)應(yīng)的平均斜率。K2越大，表明瀝青混合料開放交通后行車荷載每作用一次密實(shí)度的上升速率越快，對(duì)應(yīng)瀝青混合料抗變形能力越差。

3 溫拌劑摻量壓實(shí)特性影響

為研究溫拌劑摻量對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性影響，筆者制備Sasobit摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%的瀝青，進(jìn)而采用玄武巖1集料和AC-13-1級(jí)配拌制瀝青混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)。同時(shí)為消除壓實(shí)溫度的影響，參照文獻(xiàn)[11]的研究成果，壓實(shí)溫度統(tǒng)一為120 ℃。

不同溫拌劑摻量下瀝青混合料的CEI和K1計(jì)算結(jié)果分別如圖2。由圖2可知：摻入Sasobit后瀝青混合料CEI降低，K1升高，表明溫拌劑可有效改善瀝青混合料可壓實(shí)性，并提高壓實(shí)速率。同時(shí)，隨著Sasobit摻量提高，CEI逐漸降低，K1逐漸升高，此時(shí)瀝青混合料可壓實(shí)性進(jìn)一步增強(qiáng)，壓實(shí)速率加快；但Sasobit摻量超過3%后CEI下降速率和K1升高速率均有減緩趨勢(shì)，表明此時(shí)繼續(xù)增加溫拌劑摻量對(duì)瀝青混合料可壓實(shí)性和壓碎速率的改善幅度降低。這是因?yàn)樵诟邷貕簩?shí)過程中，Sasobit熔化對(duì)瀝青起潤滑作用，瀝青黏度降低，瀝青混合料施工和易性變好。

圖2 溫拌劑摻量對(duì)CEI和K1影響Fig. 2 Effect of mixing amount of warm mixing agent on CEI and K1

不同溫拌劑摻量下瀝青混合料的TDI和K2計(jì)算結(jié)果分別如圖3。由圖3可知：摻入Sasobit后瀝青混合料TDI升高，K2降低，表明溫拌劑可提高瀝青混合料抗變形能力。同時(shí)，隨著Sasobit摻量提高，TDI基本呈線性增加，K2基本呈線性降低，此時(shí)瀝青混合料抗變形能力進(jìn)一步增強(qiáng)。這是因?yàn)闉r青混合料溫度降低至Sasobit滴熔點(diǎn)115 ℃以下時(shí)，其在瀝青中以固態(tài)存在[12]，瀝青黏度增強(qiáng)。

圖3 溫拌劑摻量對(duì)TDI和K2影響Fig. 3 Effect of mixing amount of warm mixing agent on TDI and K2

4 集料棱角性壓實(shí)特性影響

為研究集料棱角性對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性的影響，筆者以松裝間歇率量化集料棱角性特征，其中松裝間隙率越大，表明集料棱角性越好。以Sasobit摻量為3%制備溫拌瀝青，進(jìn)而采用AC-13-1級(jí)配和表3中的4種玄武巖粗集料分別拌制瀝青混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)。

不同松裝間隙率集料制備溫拌瀝青混合料的CEI和K1計(jì)算結(jié)果分別如圖4。由圖4可知：隨著松裝間隙率增加，CEI逐漸增加，K1逐漸降低，其中松裝間隙率由43.1%增加至45.7%時(shí)，CEI增加22.6%，K1降低9.5%；表明此時(shí)溫拌瀝青混合料可壓實(shí)性變差，壓實(shí)速率降低。這是因?yàn)榧纤裳b間隙率增加時(shí)表明其棱角性較好，集料相互嵌擠形成的內(nèi)摩擦力增大，故所需壓實(shí)功更大。

圖2 松裝間隙率對(duì)CEI和K1影響Fig. 4 Effect of loosening porosity rate on CEI and K1

不同松裝間隙率集料制備溫拌瀝青混合料的TDI和K2計(jì)算結(jié)果分別如圖5。由圖5可知：隨著松裝間隙率增加，TDI逐漸增加，K2逐漸降低，其中松裝間隙率由43.1%增加至45.7%時(shí)，TDI增加9.3%，K2降低23.1%；表明此時(shí)溫拌瀝青混合料開放交通后的抗變形能力增強(qiáng)。因此，通過選用棱角性較好集料能提高瀝青路面抗變形能力。

圖5 松裝間隙率對(duì)TDI和K2影響Fig. 5 Effect of loosening porosity rate on TDI and K2

5 級(jí)配對(duì)壓實(shí)特性影響

為研究級(jí)配對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)特性影響，筆者制備了Sasobit摻量為3%的溫拌瀝青，進(jìn)而采用玄武巖1集料和表4中的6種級(jí)配分別拌制溫拌瀝青混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)。

不同級(jí)配溫拌瀝青混合料的CEI和K1計(jì)算結(jié)果分別如圖6。由圖6可知：對(duì)6種級(jí)配，整體上AC-20級(jí)配CEI最大，K1最小，而AC-13配CEI最小，K1最大，表明級(jí)配公稱最大粒徑增加時(shí)其可壓實(shí)性變差，壓實(shí)速率降低，這是因?yàn)槠浼?jí)配中粗集料增多，壓實(shí)過程中集料間摩阻力增大所致；級(jí)配公稱最大粒徑相同時(shí)，AC-13-2、AC-16-2和AC-20-2級(jí)配的CEI分別較對(duì)應(yīng)的AC-13-1、AC-16-1和AC-20-1級(jí)配更高，K1則較其更低，這是由于AC-13-2、AC-16-2和AC-20-2級(jí)配相對(duì)更靠近級(jí)配下限，級(jí)配中粗集料相對(duì)較多，而AC-13-1、AC-16-1和AC-20-1級(jí)配更靠近級(jí)配終值，瀝青混合料更容易形成懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，在壓實(shí)作用下集料間嵌擠作用相對(duì)較少，混合料更易被壓實(shí)，因而可發(fā)現(xiàn)對(duì)于公稱粒徑相同級(jí)配，級(jí)配偏細(xì)時(shí)其可壓實(shí)性更好。

圖6 級(jí)配對(duì)CEI和K1影響Fig. 6 Effect of gradation on CEI and K1

不同級(jí)配溫拌瀝青混合料TDI和K2計(jì)算結(jié)果分別如圖7。由圖7可知：對(duì)6種級(jí)配，TDI和K2與級(jí)配最大公稱粒徑和級(jí)配粗細(xì)未顯示明顯關(guān)系，對(duì)AC-13和AC-16級(jí)配，更靠近級(jí)配下限的AC-13-2和AC-16-2的TDI高于對(duì)應(yīng)的AC-13-1和AC-16-1，K2則分別較其更低，但對(duì)于AC-20級(jí)配的AC-20-1和AC-20-2，TDI和K2變化規(guī)律與AC-13和AC-16級(jí)配正好相反。上述分析表明：級(jí)配公稱最大粒徑大小或粗細(xì)不直接影響瀝青混合料開放交通后的抗變形能力，更應(yīng)注重級(jí)配的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)才可對(duì)提高其抗變形能力。

圖7 級(jí)配對(duì)TDI和K2影響Fig. 7 Effect of gradation on TDI and K2

6 結(jié) 論

1)Sasobit溫拌劑能改善施工中瀝青混合料的可壓實(shí)性及開放交通后的抗變形能力，且隨溫拌劑摻量增加其改善效果增強(qiáng)，但Sasobit摻量超過3%后繼續(xù)增加其摻量對(duì)可壓實(shí)性改善幅度降低。

2)隨著集料松裝間隙率增加，集料棱角性逐漸變好，此時(shí)其制備的瀝青混合料可壓實(shí)性變差，但開放交通后的抗變形能力變好。

3)級(jí)配公稱最大粒徑增加或級(jí)配變粗時(shí)制備的瀝青混合料可壓實(shí)性變差，但開放交通后的抗變形能力與級(jí)配公稱最大粒徑和級(jí)配粗細(xì)無明顯關(guān)系，對(duì)抗變形能力改善更應(yīng)注重級(jí)配的整體優(yōu)化。