AC-13 溫拌瀝青混合料配合比設計及路用性能

周英毅

（張家口市宣左線一級公路管理處，張家口 075000）

0 引言

隨著我國高等級公路建設和發展, 由于瀝青路面具有行車舒適、噪音小、養護維修方便等一系列優點,已逐漸成為我國高等級公路路面結構層設計的首選[1-2]。 目前我國瀝青路面拌和一般采用熱拌技術, 但熱拌技術使得集料、瀝青(尤其是改性瀝青)加熱溫度相對較高,一方面會增加拌和樓燃料使用、增加環境污染,另一方面過高的加工溫度也將導致瀝青老化加劇而降低混合料整體性能。 過高的施工溫度要求也給瀝青路面施工質量控制帶來挑戰,攤鋪、碾壓等施工溫度控制不佳將導致混合料難以壓實、平整度差等,進而引起瀝青路面早期水損害等病害。 同時過高的作業溫度產生的瀝青煙等有害物質,也將危害一線作業人員健康, 尤其是在隧道等相對封閉空間危害更大[3]。 基于上述現狀,溫拌及冷拌技術逐漸得到廣泛應用。 但冷拌技術由于技術限制,目前僅局限于乳化瀝青類物質的養護應用或部分混合料的低等級公路養護應用之中,短期內大范圍推廣使用并不現實,因此溫拌技術的使用具有重要的現實意義[4-6]。 溫拌技術是指在相對較低的拌和、攤鋪碾壓溫度下,即可完成同熱拌瀝青混合料相同的混合料施工質量的施工技術。 目前對于溫拌瀝青混合料的研究, 一般局限于溫拌劑對瀝青性能影響以及對混合料拌和、碾壓溫度降低等的研究,而對混合料配合比設計及路用性能影響研究相對較少[7-8]。

研究擬選用某含蠟S 溫拌劑, 首先進行溫拌瀝青混合料AC-13 配合比優選設計, 并與熱拌瀝青混合料AC-13 進行路用性能對比分析, 探討溫拌瀝青混合料配合比設計工藝以及溫拌瀝青混合料路用性能, 進而為相關工程實踐提供借鑒與參考。

1 原材料

瀝青采用70# 基質瀝青, 溫拌劑選用某含蠟S 溫拌劑,瀝青及溫拌劑相關指標均符合規范要求。 細集料采用0～5mm 規格石灰巖機制砂, 粗集料采用5～10mm、10～15mm 規格石灰巖集料,礦粉采用石灰巖研磨加工。粗、細集料及礦粉指標及篩分結果見表1～2。

表1 礦粉及集料密度指標

表2 礦粉及集料密度篩分試驗結果

2 配合比優選

根據表2 中各檔集料篩分試驗結果, 首先進行熱拌瀝青AC-13 混合料配合比優選設計。結合規范AC-13 級配上下限規定及以往配合比設計經驗,選取粗、中、細三種級配進行配合比優選。 根據選取的三種合成級配分別進行密度、VV、VMA、VFA 等體積指標試驗, 最終優選各檔集料配比為：0～5mm∶5～10mm∶10～15mm:礦粉=39∶26∶33∶2。 最佳瀝青用量為5.0%,空隙率為4.2%。

熱拌瀝青混合料設計完成后, 進行溫拌瀝青混合料配合比體積指標驗證。 其中,溫拌劑摻量根據產品推薦選取為瀝青質量3%,由于室內拌和鍋拌和質量有限,為保證溫拌劑拌和均勻, 采用將溫拌劑與瀝青預混備用方式進使用。 同時,溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料拌和、擊實溫度控制對比如表3 所示。 按下述溫度進行體積指標驗證結果表明, 所有體積指標基本與熱拌瀝青混合料相當,且均符合規范要求。

表3 溫拌與熱拌瀝青混合料拌和、擊實溫度

3 溫拌瀝青混合料性能

3.1 高溫穩定性

瀝青混合料高溫穩定性作為其最重要的指標之一,一般采用車轍試驗進行表征。 車轍試驗可以模擬在高溫條件下,瀝青路面結構層在設計標準荷載(0.7MPa)反復作用下抵抗變形的能力。 一般室內試驗采用60℃試驗條件,經前期探索性試驗表明, 溫拌及熱拌兩種AC-13 混合料動穩定度相差不大。 為進一步研究溫拌劑對混合料高穩定性影響,研究采用70℃進行車轍試驗。 試驗各采用3 次車轍試驗取均值,試驗結果如圖1 所示。

圖1 溫拌及熱拌兩種AC-13 混合料70℃車轍試驗結果

由車轍試驗結果分析可知：相較熱拌AC-13 混合料,溫拌AC-13 混合料高溫穩定性有所提高, 提高幅度增加8%左右,且二者在70℃動穩定度仍均滿足規范60℃指標要求。 這可能是由于隨著拌和及成型溫度的降低,瀝青膠漿高溫老化時間減短,性能衰減相對較小,在混合料級配、瀝青含量及成型質量一致條件下, 溫拌瀝青混合料高溫穩定性逐漸增加。

3.2 低溫穩定性

瀝青混合料低溫穩定性可以表征混合料在低溫條件下抵抗低溫開裂性能, 一般采用小梁彎曲試驗進行評價,表征指標主要有低溫抗拉強度與破壞應變。 對兩種混合料進行低溫小梁彎曲試驗,試驗溫度選取-10℃,試驗結果見圖2。

圖2 溫拌及熱拌兩種AC-13 混合料低溫彎曲試驗結果

低溫小梁彎曲試驗結果顯示, 相較熱拌AC-13 混合料,溫拌AC-13 混合料抗彎拉強度、破壞應變均減小,但減小幅度較小,分別減小3.8%、0.8%,且兩種混合料破壞應變均符合規范大于2300με 要求。 表明溫拌劑的加入在有效減小了混合料拌和、成型溫度的同時,并未對混合料低溫穩定性產生明顯影響。

3.3 滲水系數及水穩定性試驗

由前述分析可知,摻入溫拌劑后混合料拌和、碾壓溫度有效降低, 但過低的試驗溫度是否會對混合料密實度及內部結構產生較大影響進而影響水穩定性尚需要進行相關評價。

3.3.1 滲水系數試驗

滲水系數作為瀝青路面質量控制必檢指標, 在一定程度上可反映瀝青層的內部結構及空隙組成。 由于AC-13 一般作為上面層使用,其滲水系數要去相對較嚴,有必要對其進行相關對比分析。 采用車轍板試件進行室內滲水試驗,每種混合料分別進行3 次測試取均值,試驗結果如表4 所示。

比較兩種混合料滲水試驗結果, 二者滲水系數差異性較小,可認為溫拌劑對混合料滲水系數沒有顯著影響。

表4 溫拌及熱拌兩種AC-13 混合料滲水試驗結果

3.3.2 水穩定性

水損害作為瀝青路面早期病害的主要破壞形式,主要是由于配合比設計不佳或瀝青與集料配伍性較差導致。 相較熱拌瀝青混合料,溫拌瀝青混合料由于摻入了溫拌劑這一表面活性物質, 有可能會對瀝青與集料的粘附特性產生影響。 首先采用集料粘附性評價方法進行對比分析,發現摻加溫拌劑前、后,瀝青或溫拌瀝青與集料粘附性等級均為5 級。 由于粘附性評價為不完全定量評價方法,并未能反應摻加溫拌劑后對混合料水穩定性影響。 基于此,本文選用混合料水穩定性評價方法進行對比,分別對溫拌及熱拌兩種AC-13 混合料采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗, 以定性分析溫拌劑是否會對混合料水穩定性產生影響。 試驗結果見圖3～4。

圖3 溫拌及熱拌兩種AC-13 混合料浸水馬歇爾試驗結果

圖4 溫拌及熱拌兩種AC-13 混合料凍融劈裂試驗結果

由圖3～4 分析可知：

(1)比較兩種混合料浸水馬歇爾試驗結果,相較熱拌AC-13 混合料,溫拌AC-13 混合料浸水前、后穩定度以及殘留穩定度均有一定下降,但下降幅度均較小,且二者殘留穩定度均高于規范限值要求。

(2) 比較兩種混合料凍融劈裂試驗結果, 相較熱拌AC-13 混合料,溫拌AC-13 混合料凍融前、后劈裂強度以及凍融劈裂強度比均呈現增長趨勢, 且二者凍融劈裂強度比均高于規范限值要求。

結合滲水系數及水穩定性試驗結果分析可知, 由于溫拌劑摻量較小,未對混合料水穩定性造成較大影響。

4 結論

選用某含蠟S 溫拌劑, 首先進行溫拌瀝青混合料AC-13 配合比優選設計, 并與熱拌瀝青混合料AC-13 進行路用性能對比分析, 探討溫拌瀝青混合料配合比設計工藝以及溫拌瀝青混合料路用性能,得出如下結論：

(1) 進行熱拌瀝青混合料AC-13 配合比優選設計,最終優選各檔集料配比為：0～5mm∶5～10mm∶10～15mm∶礦粉=39∶26∶33∶2。 最佳瀝青用量為5.0%,空隙率為4.2%。

(2)混合料配合比設計顯示,溫拌劑可以在不顯著改變混合料體積指標條件下,減小混合料拌和、擊實等溫度25℃～30℃。

(3)綜合上述溫拌瀝青混合料路用性能試驗分析,在與熱拌AC-13 混合料相同的級配組成、瀝青用量條件下,溫拌劑的摻入有效降低了拌和、成型溫度,而并未對混合料路用性能產生明顯影響, 且部分性能如高溫穩定性有一定程度提高。 表明在熱拌AC-13 混合料配合比設計完成后, 該類溫拌劑可在拌和樓采取直投方式進行加工,而不影響混合料整體的施工工藝。