隧道路面鋪裝溫拌耐久性瀝青混合料性能分析

李偉治

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

熱拌、溫拌和冷拌是瀝青混合料的三種拌和方法。熱拌瀝青混合料的性能更好，已被廣泛使用，但在施工過程中會產生較多有害氣體。冷拌瀝青混合料大大降低了施工溫度，環境效益良好，但混合料耐久性能仍難以保證。溫拌瀝青混合料的拌和溫度處于熱拌與冷拌之間，保障了瀝青混合料的路用性能，降低了施工溫度，減少了瀝青煙等有害氣體的排放，具有較好的社會效益，得到了越來越多的應用。尤其是在密封、潮濕的隧道路面鋪裝環境下使用溫拌技術，不僅有效改善了施工人員的作業環境，還降低了施工成本。本文以溫拌技術為對象，對隧道鋪裝溫拌、耐久性瀝青混合料的性能及應用效果進行分析。

1 混合料配合比設計

1.1 集料、填料及穩定劑

采用性能優良、規格良好的輝綠巖粗集料、石灰巖機制砂、石灰巖礦粉。采用木質素纖維穩定劑，性能指標見表1。相關材料均滿足規范要求。

表1 木質素纖維性能指標

1.2 溫拌劑

溫拌改性劑A是一種芳香烴，為白色球狀顆粒，在多個實體工程應用效果良好；溫拌改性劑B是一種白色固體，為聚烯烴類物質。溫拌劑的基本物質指標見表2。根據廠家建議，溫拌劑的摻量為瀝青質量的3%。

表2 溫拌劑的物理指標

1.3 溫拌改性瀝青

足量的SBS改性瀝青加熱到流動狀態，分為三部分，一部分用作對照組；另一部分加入質量分數為3%的溫拌劑A，并用攪拌機以2 000～2 500rpm/min的攪拌速度攪拌約15min，制備溫拌改性瀝青A；最后一部分加入3%溫拌改性劑B，與溫拌改性瀝青A制備方法相同。三種改性瀝青的測試結果見表3。

從表3數據可以看出，溫拌劑A使改性瀝青的針入度降低了24%，溫拌劑B使改性瀝青的針入度降低了16%。加入溫拌劑A或B可以增加SBS改性瀝青的軟化點，分別提高改性瀝青的車轍因子1.3倍和0.5倍，提高了改性瀝青的抗高溫變形能力。溫拌劑對改善改性瀝青的低溫效果不明顯。加入溫拌劑A或B可以改善SBS改性瀝青的粘度、韌性、粘彈性，其中溫拌劑A的作用更為明顯。

表3 改性瀝青性能指標

兩種溫拌劑均可提高SBS改性瀝青的60℃動力粘度，降低135℃的運動粘度，能夠確保瀝青混合料易于施工并改善瀝青的高溫性能。研究表明，60℃的動力粘度與瀝青混合料的高溫性能相關，135℃運動粘度與施工和易性有關，135℃下的運動粘度大于3.0MPa時，施工較困難。加入溫拌劑A，SBS改性瀝青在60℃時的動力粘度增加41%，在135℃時的運動粘度降低60%；溫拌劑B的添加使SBS改性瀝青在60℃下的動態粘度提高20%，而在135℃下的運動粘度降低40%。

結合高溫、低溫和抗老化性能，溫拌劑A在改善SBS改性瀝青方面具有更好的效果，因此本文選擇溫拌劑A。

1.4 瀝青混合料配合比設計

作為磨耗層，瀝青混合料選擇增強型骨架礦料級配，最大公稱粒徑選擇9.5mm，8.0mm篩孔的通過率為55%，關鍵篩孔2.36mm的通過率為26.3%，級配曲線如圖1所示，瀝青含量為5.6%，纖維含量為0.3%。熱拌瀝青混合料時先投入粗、細集料，再投入纖維，拌合15s，最后投入瀝青拌合45s，拌合溫度為175℃。溫拌瀝青混合料先投入集料，再投入纖維和溫拌劑，拌合20s，最后投入瀝青拌合45s，拌合溫度為150℃。成型試件并測試相關指標，見表4。

圖1 礦料合成級配曲線

表4 馬歇爾試驗結果

2 瀝青混合料拌和及壓實溫度

通常，粘-溫曲線適合于確定基質瀝青混合料的拌和溫度，對改性瀝青混合料的適用性較差。由曲線確定的改性瀝青混合料的混合壓實溫度較高，對瀝青混合料的性能不利。為此，本文基于體積法確定瀝青混合料的拌和與壓實溫度。首先建立溫度-空隙關系的回歸曲線，并通過該曲線確定瀝青混合料的壓實溫度，試驗結果如圖2所示。根據擬合曲線計算拌和與壓實的溫度，拌和溫度按照大于壓實溫度10℃計算(表5)。

圖2 不同溫度下的空隙率

表5 不同混合料的計算壓實及拌和溫度

從以上圖表可看出，隨著壓實溫度的提高，試件的空隙率逐漸降低，這是因為溫度的升高增加了瀝青混合料的流動性，降低了瀝青流動所需要的溫度，這有助于粘附瀝青的集料之間的滑移，使得瀝青混合料獲得了更好的流動性，在相同的壓實功下溫拌瀝青混合料獲得更加密實的結構。瀝青混合料壓實溫度與空隙率指標呈線性相關，R2在0.98以上。溫拌比熱拌瀝青混合料壓實溫度減低26℃，溫拌技術降溫效果顯著。

3 瀝青混合料路用性能

3.1 高溫性能

分別在60℃和70℃下進行車轍試驗，測試結果如圖3所示。改性瀝青混合料的動穩定度大于規范要求的6 000次/mm(60℃)，大于規范要求的3 000次/mm(70℃)，具有更好的抗永久變形能力。溫拌瀝青混合料在60℃和70℃下的耐高溫性比熱拌瀝青混合料分別高16%和9.5%，表明溫拌瀝青混合料可以在一定程度上發揮作用。改善高溫混合性能，這與60℃下熱拌瀝青的較高粘度有關。從60℃升高到70℃時的車轍試驗結果分析看出，混合料的高溫性能對溫度特別敏感。非高溫區域的混合料設計可采用60℃的穩定度，高溫區域應考慮70℃的穩定度。

圖3 車轍試驗結果

3.2 低溫性能

采用-10℃低溫彎曲小梁試驗評價低溫性能，各測試5次，取平均值，試驗結果見表6。可以看出，熱拌、溫拌瀝青混合料低溫抗裂性能相當，變異系數較小，抗裂性能良好。

表6 低溫彎曲試驗結果

3.3 抗水損害性能

采用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗評價兩種瀝青混合料的抗水損害性能，試驗結果如圖4所示。可以看出，溫拌劑的加入可改善瀝青混合料抗水損害的能力。

圖4 水穩定性試驗結果

3.4 疲勞性能

采用小梁試驗評價瀝青混合料的抗疲勞特性，測試數據見表7。在15℃測試溫度下，800με目標拉應變，溫拌改性瀝青混合料的疲勞壽命為57.7萬次，比熱拌瀝青混合料提高約24%。

表7 疲勞試驗結果

4 抗滑耐久性及環保效益

某隧道路面鋪裝采用熱拌及溫拌改性瀝青混合料(本文優化的級配及拌合工藝)進行磨耗層試驗段鋪筑，同時隧道外路基段路面磨耗層采用熱拌改性瀝青AC-16瀝青混合料(油石比為4.6%)。

4.1 抗滑耐久性

為了評價溫拌改性瀝青混合料的抗滑耐久性，對比隧道外改性瀝青AC-16瀝青混合料磨耗層(相同的行車荷載及交通狀況)，連續測試了其5年的橫向力系數SFC，試驗結果如圖5所示。

圖5 連續5年的橫向力系數SFC

從圖5可以看出，第一年內，溫拌改性瀝青混合料的橫向力系數為68，AC-16瀝青混合料磨耗層為72。從瀝青混合料的初始抗滑性能看，溫拌比AC-16瀝青混合料稍低，這或許是因為溫拌改性瀝青混合料較大的油膜厚度的原因，但是仍然滿足規范SFC大于54的要求。隨著使用年限的增加，溫拌及AC-16瀝青混合料磨耗層的抗滑性能呈衰減趨勢。AC-16瀝青混合料磨耗層抗滑衰減速度更快，使用第3年衰減到51，第5年衰減到40，5年內衰減了44%；溫拌瀝青混合料的橫向力系數第4年衰減到52，第5年衰減到51，也就是說溫拌瀝青混合料的抗滑性能第4年后趨向穩定，5年內抗滑性能僅衰減26%，5年后仍然具有較好的抗滑性能。經分析可看出，相比于熱拌AC-16瀝青混合料磨耗層，本文提出的溫拌改性瀝青混合料具有更好的抗滑耐久性。

4.2 環保效益

對隧道路面鋪裝的熱拌及溫拌改性瀝青混合料在攤鋪過程中，采用有害氣體測試儀(圖6)測試相關的有害氣體的濃度，測試結果見表8。

圖6 有害氣體測試儀

表8 有害氣體測試儀測試結果

在混合過程中，CO2、NOx、CO、SO2的排放量較大，瀝青可溶性苯和苯并芘、瀝青煙的排放量相對較小，但危害更大。溫拌瀝青混合料與熱拌料相比，NOx、SO2和苯并芘氣體的排放量減少了一半以上，而CO、瀝青煙和可溶性苯的排放量比熱拌混合料減少了20%以上，這主要是由于溫拌瀝青混合施工溫度比熱拌的降低了26℃。溫拌技術可

以減少害氣體排放和瀝青煙氣的排放，降低施工溫度，經濟效益及環保效益較好。

5 結論

本文提出的溫拌瀝青混合料具有良好的路用性能，其抗滑性能及抗滑耐久性能優良；提出了基于體積法的瀝青混合料的拌和和壓實溫度確定方法，該方法適用性較好；基于溫拌技術可以降低施工溫度，減少優化氣體排放，在隧道路面鋪裝中具有良好的應用前景。