李寶玉

(陜西高速公路工程咨詢有限公司， 陜西 西安 710064)

目前，公路建設(shè)瀝青路面普遍使用具有良好路用性能的熱拌瀝青混合料HMA(Hot Mixture Asphalt)。HMA的生產(chǎn)過(guò)程為：將瀝青從常溫加熱到140℃左右，礦料從常溫加熱到160℃～180℃，然后將瀝青和礦料在160℃高溫下進(jìn)行拌合，拌合后溫度不低于150℃，攤鋪和碾壓時(shí)的溫度不低于120℃[1]。隨著“綠色”理念的不斷加深，熱拌瀝青混合料也暴露出許多自身不可調(diào)和的缺點(diǎn)[2]，主要體現(xiàn)為： ① 高溫加速瀝青老化過(guò)程，對(duì)瀝青結(jié)合料性能造成顯著降低；② 不利于“綠色”工程，釋放的SO2等氣體對(duì)人類和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

溫拌瀝青混合料WMA(Warm Mixture Asphalt)能有效降低熱拌瀝青混合料的不利影響。WMA是通過(guò)一定的技術(shù)措施，降低瀝青黏度，使瀝青在相對(duì)較低的溫度下全面覆蓋礦料，與礦料進(jìn)行充分結(jié)合，形成穩(wěn)定均勻的結(jié)合料，并不降低其混合料的性能。目前，WMA的拌合溫度一般可以保持在100℃～120℃，攤鋪和碾壓時(shí)的溫度保持在80℃～90℃，比HMA溫度降低了30℃左右，且與HMA具有相同的路用性能[2，3]。因此，溫拌瀝青混合料因其降低生產(chǎn)能耗、減少?gòu)U氣和粉塵排放等優(yōu)點(diǎn)而成為一項(xiàng)十分具有應(yīng)用前景的新興技術(shù)。本文采用發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)泡沫瀝青，使用溫拌技術(shù)制備WMA。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)WMA的路用性能進(jìn)行測(cè)試，并與傳統(tǒng)的熱拌AC-13混合料進(jìn)行對(duì)比，分析泡沫WMA性能優(yōu)劣。

1 原材料

1.1 集料及填料

制備混合料的集料不僅要有一定的強(qiáng)度與合適的形狀，同時(shí)還需要有良好的粘附性和耐磨性。本研究就近取材選用壓碎值、棱角性較高、表面紋理較好而針片狀含量較低的滿城石灰?guī)r作為混合料的礦質(zhì)集料。石灰?guī)r具有一定的耐磨性，能夠增加路面的抗滑性，且屬于堿性集料，與瀝青能較好的粘結(jié)，提高混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)采用粗集料、細(xì)集料和填料均為石灰?guī)r，且根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，其常規(guī)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 瀝青結(jié)合料

WMA與HMA制備均采用克拉瑪依生產(chǎn)的70#基質(zhì)石油瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 70#瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)項(xiàng)目針入度(25 ℃, 5 s,100 g)/0.1 mm延度(5 cm/min, 10 ℃)/cm軟化點(diǎn)/(℃)密度(15 ℃)/(g·cm-3)溶解度/%旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗(yàn)質(zhì)量損失/%針入度比/%延度(10 ℃)/cm試驗(yàn)值69.592.448.40.97398.6-0.15772.320.1規(guī)范值60～80≥20.0≥46.0實(shí)測(cè)≤99.0≤±1.000≤61.0≥6.0

2 WMA及HMA配合比設(shè)計(jì)研究

2.1 泡沫瀝青制備

試驗(yàn)選用克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青，發(fā)泡用水采用潔凈蒸餾水。最佳發(fā)泡條件的確定主要影響因素是瀝青加熱溫度和發(fā)泡用水量，評(píng)價(jià)指標(biāo)為膨脹率和半衰期。為了確定最佳發(fā)泡條件，對(duì)所選70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)分析。試驗(yàn)存在一定的變異性，因此每一條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)以確保參數(shù)的準(zhǔn)確性。發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 基質(zhì)瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果發(fā)泡溫度/℃用水量/%膨脹率半衰期/s1.08.9610.241451.510.2438.542.013.2226.691.012.1431.511551.514.1722.472.015.3819.081.012.9525.171651.514.5719.382.016.1212.99

為對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將膨脹率與半衰期指標(biāo)結(jié)果繪制在圖1～3中。由圖可知： 溫度一定時(shí)，膨脹率隨著含水量增大而增大，半衰期隨著含水量增大而減小；含水量一定時(shí)，膨脹率隨著溫度升高而增大，半衰期隨著溫度的升高而減小。膨脹率的增大提高了泡沫瀝青與集料粘附性，半衰期的減小降低了泡沫瀝青穩(wěn)定性，減小了分散性，從而降低裹附能力。綜合指標(biāo)確定155℃下，1.0%用水量為最佳發(fā)泡條件。

2.2 WMA與HMA制備

混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)既要滿足混合料的高溫抗車轍能力，又要兼顧低溫抗裂和抗水損性能的要求。根據(jù)規(guī)范[1]對(duì)密級(jí)配瀝青混合料AC-13要求的級(jí)配范圍，形成良好的S型級(jí)配曲線，本次熱拌瀝青混合料的合成級(jí)配曲線如圖4所示。

圖1 基質(zhì)瀝青145 ℃下發(fā)泡指標(biāo)參數(shù)

圖2 基質(zhì)瀝青155 ℃下發(fā)泡指標(biāo)參數(shù)

圖3 基質(zhì)瀝青165 ℃下發(fā)泡指標(biāo)參數(shù)

圖4 AC-13瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線

根據(jù)規(guī)范[1]附錄B中熱拌瀝青混合料馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法確定本次熱拌AC-13瀝青混合料的最佳油石比，同時(shí)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中規(guī)定的相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行操作，最終確定AC-13的最佳瀝青用量為4.8%。WMA采用與HMA相同的合成級(jí)配進(jìn)行對(duì)比，瀝青用量同樣為4.8%。

3 WMA與HMA路用性能試驗(yàn)

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料是由粗集料、砂漿、空隙組成的三相體復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中砂漿是由瀝青結(jié)合料和細(xì)集料組成的一種典型粘彈性材料。高溫性能是瀝青混合料的重要性能，夏季路面溫度可高達(dá)75℃，高溫下粘性性質(zhì)顯著，流動(dòng)性大。在車輛荷載作用下瀝青混合料承受車輛荷載和剪切作用，極易發(fā)生車轍，從而進(jìn)一步降低路面使用質(zhì)量，影響行車安全。本研究以動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)分析2種混合料的高溫性能。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，泡沫WHA的高溫性能較HMA下降了60.2%，但仍然滿足規(guī)范要求≥800次/mm。這主要是因?yàn)榕菽瓰r青中有水存在，水降低了瀝青與集料的粘附性，從而導(dǎo)致二者間的粘結(jié)力下降。當(dāng)溫度升高后，熱穩(wěn)定性就會(huì)顯著降低。

表3 WMA與HMA高溫性能對(duì)比混合料類型動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)HMA2 253WMA897

3.2 低溫穩(wěn)定性

冬季氣溫降低，瀝青路面多發(fā)低溫開(kāi)裂病害。瀝青混合料內(nèi)部由于溫度下降導(dǎo)致溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，一般情況下，瀝青混合料具有應(yīng)力松弛的能力，因此當(dāng)溫度緩慢變化時(shí)，瀝青混合料不會(huì)輕易產(chǎn)生低溫開(kāi)裂；但當(dāng)氣溫出現(xiàn)急劇變化或面層材料的松弛性能不好時(shí)，瀝青結(jié)合料的脆性顯著，使得內(nèi)部溫度應(yīng)力來(lái)不及松弛就超過(guò)了抗拉強(qiáng)度極限，路面因此出現(xiàn)低溫開(kāi)裂[4]。低溫開(kāi)裂不僅破壞了路面的承載能力，還進(jìn)一步將大氣降水通過(guò)裂縫引入路面帶入基層，產(chǎn)生更嚴(yán)重的病害。目前我國(guó)規(guī)范要求使用彎曲蠕變?cè)囼?yàn)來(lái)評(píng)價(jià)混合料的低溫性能，因此對(duì)泡沫WHA和HMA均進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 WMA與HMA最大破壞應(yīng)變性能對(duì)比混合料類型最大破壞應(yīng)變/μεHMA2 074WMA2 249

由表4可知，泡沫WHA的最大彎拉應(yīng)變對(duì)比HMA提高了8.4%，表明泡沫WHA的低溫性能優(yōu)于HMA。這主要是因?yàn)閃MA技術(shù)降低了拌和所需的溫度，減小了瀝青老化帶來(lái)的不利影響，從而提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。但瀝青發(fā)泡摻入微量的水分，在低溫條件下，殘留的微量水分會(huì)體積膨脹，導(dǎo)致瀝青產(chǎn)生低溫開(kāi)裂，因此對(duì)混合料的低溫性能并不利。因此試驗(yàn)研究證明泡沫瀝青對(duì)路用性能的正面影響大于負(fù)面影響，泡沫WHA具有較好的低溫性能。

3.3 水穩(wěn)定性

瀝青路面常見(jiàn)病害除了車轍變形和低溫開(kāi)裂以外，瀝青混合料的水損害也是常見(jiàn)破壞之一，并且水損害的影響會(huì)隨著水作用的時(shí)間增長(zhǎng)而增大。水的作用使瀝青膠結(jié)料本身粘聚力下降、瀝青膠結(jié)料與集料表面的粘結(jié)力降低，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)性破壞，路面使用性能降低，嚴(yán)重影響路面質(zhì)量和使用壽命。路面早期破壞主要就是由水的作用產(chǎn)生，礦料間的粘結(jié)力受水的作用出現(xiàn)下降，致使在車輪碾壓作用石料被帶走混合料松散剝落，最終導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑槽；路面在使用過(guò)程中，長(zhǎng)期與大氣中的水分或降雨雨水接觸，而瀝青混合料存在空隙，水因此滲入路面結(jié)構(gòu)，外部車輛荷載和溫度引起的熱脹冷縮作用使得路面內(nèi)部的水動(dòng)力沖刷瀝青混合料，導(dǎo)致混合料粘結(jié)力下降，并隨之出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

對(duì)泡沫WMA的水穩(wěn)性研究非常重要，因?yàn)闉r青加入水進(jìn)行發(fā)泡再拌制混合料，導(dǎo)致混合料中內(nèi)部含有少量的水，其內(nèi)部水對(duì)混合料性能影響作用需要通過(guò)水穩(wěn)定性試驗(yàn)來(lái)分析。目前國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要相關(guān)試驗(yàn)方法有浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)、浸水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)等。本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)與國(guó)外普遍采用的漢堡車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)泡沫WMA的水穩(wěn)定性能。

3.3.1浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)

該試驗(yàn)用來(lái)檢驗(yàn)瀝青混合料受水侵蝕時(shí)的抗剝落能力。分別對(duì)HMA與泡沫WMA根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 WMA與HMA水穩(wěn)定性能對(duì)比混合料類型殘留穩(wěn)定度比/%HMA97.22WMA97.52

由試驗(yàn)結(jié)果可知，二者的殘留穩(wěn)定度基本相同，且泡沫WMA的殘留穩(wěn)定度高于HMA殘留穩(wěn)定度0.3%。可以看出泡沫WMA在降低拌合溫度的前提下，并沒(méi)有降低水穩(wěn)定性，且與HMA的水穩(wěn)定性能基本相同，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。

3.3.2漢堡車轍試驗(yàn)

德國(guó)以此試驗(yàn)作為規(guī)范要求，用來(lái)評(píng)估一些交通量較大的行車道路的車轍和抗剝落性能。使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150mm、高度(62±2)mm的圓柱形試件，并將2個(gè)試件均切去小弓形后組合成1組試件，以適應(yīng)試驗(yàn)?zāi)＞撸瑵h堡車轍試驗(yàn)的溫度范圍為25℃～70℃，常用溫度為45℃或50℃[5]。將47mm寬的鋼輪施加705N荷載在試件上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度約為52次/min，當(dāng)鋼輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)達(dá)到20000次或試件產(chǎn)生20mm的變形時(shí)，試驗(yàn)停止，試驗(yàn)得到的指標(biāo)主要以剝落點(diǎn)作為水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖5為車轍試驗(yàn)中車轍深度隨著碾壓次數(shù)增加而增大的情況。

圖5 漢堡車轍試驗(yàn)曲線圖

根據(jù)圖5可知，泡沫WMA在50℃水浴下進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，在12076次碾壓時(shí)開(kāi)始發(fā)生剝落，而HMA在14075次碾壓時(shí)發(fā)生剝落，因此泡沫WMA的水穩(wěn)定性相對(duì)較低，這主要是由于水的存在降低了泡沫瀝青與集料的粘附性能。漢堡車轍在水浴條件下不僅可以評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性，也可以評(píng)價(jià)混合料的高溫性能[6]，試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)印證了高溫性能試驗(yàn)中WMA性能較HMA差的結(jié)論。

綜合分析浸水馬歇爾與漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，泡沫WMA的水穩(wěn)定性能相比HMA并未出現(xiàn)明顯降低，且二者都滿足規(guī)范要求，因此泡沫WMA的抗水損能力能保證瀝青路面使用要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)確定了最佳發(fā)泡條件。按照規(guī)范要求確定了級(jí)配相同的熱拌瀝青混合料與溫拌瀝青混合料最佳瀝青用量，并在此條件下制備混合料路用性能對(duì)比研究。將2種混合料分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫小梁試驗(yàn)、浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)，以普通熱拌瀝青混合料為基礎(chǔ)，研究泡沫溫拌瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能，得出如下結(jié)論：

1) 高溫穩(wěn)定性能方面：泡沫瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比普通熱拌瀝青混合料降低了60.2%，但二者均滿足規(guī)范要求(≥800次/mm)。這主要是因?yàn)榕菽瓰r青中有水的存在降低了集料與結(jié)合料之間的粘附性，沒(méi)有形成強(qiáng)度，從而在高溫下抵抗荷載作用降低，容易產(chǎn)生車轍。漢堡車轍試驗(yàn)佐證了車轍試驗(yàn)的結(jié)果。

2) 低溫穩(wěn)定性能方面：溫拌瀝青混合料的低溫性能比普通熱拌瀝青混合料提高了8.4%。由于拌合溫度比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料溫度下降約30 ℃，溫拌瀝青混合料顯著降低了瀝青結(jié)合料的老化程度，從而保證瀝青結(jié)合料保持其本身的松弛能力，能較好的抵抗低溫下的破壞。

3) 水穩(wěn)定性方面：溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性基本與普通熱拌瀝青混合料性能接近，并未出現(xiàn)顯著降低。