有機(jī)溫拌瀝青混合料施工溫度分析

郭 科，冀冠宇

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青混合料溫拌技術(shù)是指通過一定措施降低瀝青在施工狀態(tài)下的黏度，進(jìn)而達(dá)到降低混合料施工溫度的目的，并且混合料的性能與質(zhì)量滿足要求。相比普通熱拌瀝青混合料，溫拌瀝青混合料能在降低施工溫度同時(shí)極大地減少能源的消耗，并降低溫室氣體、有毒氣體及粉塵等排放[1-3]，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。有機(jī)溫拌瀝青混合料是指根據(jù)添加劑自身的物理性能，在相同溫度時(shí)達(dá)到降低瀝青黏度的效果，通常添加劑的主要成分為蠟狀物，如Sasobit-LM、Asphaltan 等蠟類[4]。

瀝青混合料拌和與壓實(shí)溫度是瀝青路面施工中的重要參數(shù)，施工溫度過高或過低都對混合料施工特性及形成路面的質(zhì)量有重要影響。當(dāng)前對于添加外摻劑后的瀝青混合料施工溫度確定仍主要依靠黏溫曲線及經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)果并不能滿足施工要求[5-6]，本文將針對有機(jī)溫拌劑來研究溫拌瀝青混合料施工溫度的合理確定方法及其對混合料性能的影響分析。

1 原材料

1.1 有機(jī)溫拌劑

文中試驗(yàn)選用Sasobit-LM有機(jī)溫拌劑，為工程中常用Sasobit降黏劑的一種類型。產(chǎn)品是煤在液化過程中提煉得到的物質(zhì)，組成上屬于一種硬蠟，根據(jù)Sasobit-LM溫拌劑對瀝青性質(zhì)的影響及在工程中的應(yīng)用，試驗(yàn)中選定摻量為3.0%。其物理指標(biāo)見表1。

表1 Sasobit-LM的指標(biāo)測試結(jié)果

1.2 瀝青及礦料

試驗(yàn)采用的瀝青為某廠家提供的90號基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青，礦料采用玄武巖石料。通過對瀝青及石料的基本指標(biāo)進(jìn)行測試，檢測結(jié)果符合施工規(guī)范。文中試驗(yàn)采用路面常用的AC-16型瀝青混合料，其各篩孔的通過率取級配范圍中值。通過試驗(yàn)確定混合料的最佳油石比為4.6%，對級配與瀝青用量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證滿足要求。

2 黏溫曲線確定瀝青混合料施工溫度

當(dāng)前工程中通常利用黏溫曲線來確定基質(zhì)瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度，即在瀝青黏溫曲線上對應(yīng)適宜黏度處的溫度作為實(shí)際工程的施工溫度，改性瀝青混合料比相對應(yīng)施工中的基質(zhì)瀝青溫度增加10℃～20℃。文中結(jié)合溫拌劑對瀝青黏度的影響，測試不同溫度下瀝青黏度值并繪制黏溫曲線，結(jié)果見表2，對測得的瀝青黏度值進(jìn)行數(shù)學(xué)分析見表3。

表2 瀝青在不同溫度下的黏度 Pa·s

表3 瀝青黏度與溫度的線性分析

根據(jù)表3線性回歸方程（1）～方程（4），當(dāng)瀝青黏度值達(dá)到適合于混合料攤鋪與壓實(shí)黏度（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s時(shí)，相應(yīng)確定的施工溫度見表4。

表4 黏溫曲線確定的瀝青混合料施工溫度 ℃

根據(jù)表4結(jié)果，摻3.0%Sasobit-LM后90號基質(zhì)瀝青的施工溫度可以降低18℃，SBS瀝青的施工溫度可以降低20℃。根據(jù)工程中Sasobit-LM溫拌劑可以將施工溫度降低25℃左右，與表4中確定的施工溫度結(jié)果不符。SBS改性瀝青在應(yīng)用中的拌和溫度約為175℃，遠(yuǎn)低于由表4確定的改性瀝青混合料拌和溫度，瀝青較長時(shí)間處于高溫下也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重老化而使性能變差。

將外摻劑加入瀝青后所形成的膠結(jié)料改變了基質(zhì)瀝青原有的性能，其黏度特性的變化較明顯，因此試驗(yàn)中測得的瀝青黏度與溫度關(guān)系不能完全反映瀝青在實(shí)際施工中的特性[7]。有機(jī)溫拌劑的主要成分通常為類蠟物質(zhì)，路面在拌和與碾壓中存在潤滑作用，使混合料在相同條件下更易于移動(dòng)與壓實(shí)，進(jìn)而降低壓實(shí)功率和施工溫度。由等黏溫度通過理論分析來確定混合料施工溫度與實(shí)際存在差距，結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為黏溫曲線不適合用于確定瀝青添加外摻劑后的施工溫度[8-9]。

3 混合料體積指標(biāo)確定施工溫度

3.1 馬歇爾擊實(shí)法確定施工溫度

在不同溫度下以標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)法成型混合料試件并測試體積指標(biāo)，根據(jù)添加有機(jī)溫拌劑后混合料的空隙率和毛體積密度變化與90號基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行對比，來確定試件達(dá)到相同空隙率和毛體積密度時(shí)的拌和溫度。結(jié)合瀝青混合料在室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際施工中溫度確定結(jié)果，試驗(yàn)中混合料的壓實(shí)成型溫度比相應(yīng)拌和溫度低10℃[10]。摻加溫拌劑后，相應(yīng)不同溫度下混合料的體積指標(biāo)結(jié)果見表5～表7和圖1～圖3。

表5 3%Sasobit-LM摻入90號基質(zhì)瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（馬歇爾擊實(shí)法）

圖1 3%Sasobit-LM摻入90號基質(zhì)瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（馬歇爾擊實(shí)法）

表6 SBS改性瀝青成型試件的體積指標(biāo)（馬歇爾擊實(shí)法）

表7 3%Sasobit-LM摻入SBS改性瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（馬歇爾擊實(shí)法）

圖2 SBS改性瀝青成型試件的體積指標(biāo)（馬歇爾擊實(shí)法）

圖3 3%Sasobit-LM摻入SBS改性瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（馬歇爾擊實(shí)法）

根據(jù)90號基質(zhì)瀝青黏溫曲線結(jié)果，將基質(zhì)瀝青的拌和與壓實(shí)溫度確定為153℃和143℃，試驗(yàn)測得馬歇爾試件空隙率為3.76，毛體積密度為2.419。添加溫拌劑后，試件體積指標(biāo)達(dá)到相同結(jié)果所確定的施工溫度見表8。

表8 馬歇爾擊實(shí)法確定的施工溫度 ℃

分析表8，基質(zhì)瀝青中摻3.0%Sasobit-LM后施工溫度可以降低22℃，SBS瀝青的施工溫度可以降低20℃。與瀝青黏溫曲線確定結(jié)果相比，添加有機(jī)溫拌劑后由馬歇爾擊實(shí)法確定的施工溫度降溫效果更大，且與溫拌劑應(yīng)用結(jié)果更為接近。

3.2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定施工溫度

馬歇爾擊實(shí)法成型試件的沖擊作用方式與道路施工中的路面壓實(shí)方式不同[11]，文中采用和實(shí)際作用更為接近的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件來確定混合料的施工溫度，摻加溫拌劑后，相應(yīng)不同溫度下混合料的體積指標(biāo)結(jié)果見表9～表11、圖4～圖6。

表9 3%Sasobit-LM摻入90號基質(zhì)瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法）

表10 SBS改性瀝青成型試件的體積指標(biāo)（施轉(zhuǎn)壓實(shí)法）

表11 3%Sasobit-LM摻入SBS改性瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（施轉(zhuǎn)壓實(shí)法）

圖4 3%Sasobit-LM摻入90號基質(zhì)瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法）

圖5 SBS改性瀝青成型試件的體積指標(biāo)（施轉(zhuǎn)壓實(shí)法）

圖6 3%Sasobit-LM摻入SBS改性瀝青中成型試件的體積指標(biāo)（施轉(zhuǎn)壓實(shí)法）

對比兩種成型方法所得試件的體積指標(biāo)變化，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件的指標(biāo)結(jié)果對溫度敏感性更低。在90號基質(zhì)瀝青拌和與壓實(shí)溫度為153℃和143℃時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件對應(yīng)的空隙率為3.57，毛體積密度為2.426。添加Sasobit-LM后，試件體積指標(biāo)達(dá)到相同指標(biāo)結(jié)果確定的施工溫度見表12。

表12 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定的施工溫度 ℃

根據(jù)表12，基質(zhì)瀝青中摻3.0%Sasobit-LM可降低施工溫度25℃，SBS瀝青的施工溫度可以降低20℃，同時(shí)SBS改性瀝青的施工溫度確定結(jié)果比馬歇爾擊實(shí)法有所下降。由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件過程對溫度變化的敏感度低，且本身的揉搓作用方式與實(shí)際道路施工相近[12]，因此，文中認(rèn)為由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定添加溫拌劑后瀝青的施工溫度比馬歇爾擊實(shí)法要更合理。

4 和易性試驗(yàn)確定瀝青混合料施工溫度

和易性試驗(yàn)是指一定量的混合料在試驗(yàn)拌和過程中，通過對拌鍋里葉片攪拌時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定且連續(xù)的扭矩值進(jìn)行分析，來判斷與評價(jià)混合料在特定溫度下的流動(dòng)性及工作性能，從而進(jìn)一步判斷瀝青混合料是否適合施工[13]。本文利用瀝青混合料的和易性試驗(yàn)，在扭矩相同時(shí)即可理解為其混合料顆粒流動(dòng)狀態(tài)接近，排除混合料的用量、配合比等因素影響，即可以理解為在該溫度下不同瀝青的黏度特性相同，可進(jìn)一步確定相應(yīng)混合料的施工溫度。本文試驗(yàn)中儀器攪拌速率為35 Hz，瀝青混合料用量統(tǒng)一設(shè)定為14 kg，瀝青混合料在不同溫度的和易性試驗(yàn)測試結(jié)果見表13與表14。

表13 不同溫度下瀝青混合料扭矩值 N·m

表14 瀝青混合料扭矩值與溫度的回歸分析

由表14可知，瀝青中添加3.0%Sasobit-LM后混合料的扭矩結(jié)果下降，這表明有機(jī)溫拌劑對混合料工作性能有顯著影響。將表4中黏溫曲線確定的90號基質(zhì)瀝青拌和與壓實(shí)溫度反代入表14的式（5）中，得到在本文的瀝青混合料試驗(yàn)中，對應(yīng)混合料拌和時(shí)的扭矩值為（2.90±0.02）N·m，相對應(yīng)混合料壓實(shí)成型的扭矩值為（3.03±0.023）N·m。將上述由和易性試驗(yàn)確定的適合于施工扭矩值代入表14中，得到的溫度結(jié)果見表15。

表15 瀝青混合料和易性試驗(yàn)確定的施工溫度 ℃

分析表15中結(jié)果，3.0%Sasobit-LM使90號基質(zhì)瀝青的施工溫度降低了近25℃，SBS改性瀝青的施工溫度降低20℃左右，施工溫度的確定結(jié)果與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法相近。在和易性試驗(yàn)中，設(shè)定溫度下混合料的工作特點(diǎn)與實(shí)際施工狀態(tài)相近，結(jié)合Sasobit-LM溫拌劑的應(yīng)用情況[14]，文中認(rèn)為瀝青混合料和易性試驗(yàn)確定的施工溫度結(jié)果合理。由于在混合料和易性試驗(yàn)中，礦料級配、瀝青添加量、試驗(yàn)環(huán)境等變化都會(huì)影響扭矩結(jié)果，因而在工程應(yīng)用中應(yīng)先分析基質(zhì)瀝青的扭矩結(jié)果變化，在此基礎(chǔ)上來確定改性瀝青混合料的施工溫度。

5 結(jié)語

a）對比4種施工溫度確定方法，由瀝青黏溫曲線確定添加有機(jī)溫拌劑后混合料的施工溫度最高，且與實(shí)際工程不相符。測試在不同溫度下馬歇爾擊實(shí)法成型試件的體積指標(biāo)變化來確定施工溫度也與實(shí)際存在一定偏差。

b）相比馬歇爾擊實(shí)法，由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件的體積指標(biāo)對溫度變化敏感性更低。混合料中添加溫拌劑后，由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定的施工溫度結(jié)果低于馬歇爾擊實(shí)法。

c）利用瀝青混合料和易性試驗(yàn)中扭矩值隨溫度變化來確定施工溫度的結(jié)果與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法相近，且混合料的試驗(yàn)狀態(tài)與實(shí)際道路施工中相符。

d）針對有機(jī)溫拌劑應(yīng)用，本文推薦采用測試旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件體積指標(biāo)和瀝青混合料和易性試驗(yàn)來確定混合料的施工溫度。