瀝青瑪蹄脂碎石混合料壓實特性及相關高溫性能試驗研究

王紅祥 陳 波 楊 杰 馬 翔* 胡緒泉

(江蘇現代路橋有限責任公司1) 南京 210049) (南京林業大學土木工程學院2) 南京 210037)

0 引 言

SMA瀝青混合料作為一種優質的路面材料已經廣泛應用于高速公路瀝青路面的上面層，SMA瀝青混合料所采用的間斷、嵌擠的級配，以及優質的改性瀝青為其優良的路用性能提供了基礎，但也影響了其壓實特性，提高了碾壓成型過程中的壓實難度.

針對瀝青混合料的壓實特性，余森開等[1]研究了級配、瀝青混合料回收料、壓實溫度對再生瀝青混合料壓實特性的影響.延西利等[2]通過變化擊實次數和擊實溫度對三種溫拌瀝青，兩種熱拌瀝青制備的瀝青混合料的壓實特性進行了研究.南秋彩[3]研究了溫拌劑摻量、集料棱角性和級配特征對瀝青混合料4種壓實特性參數的影響.雷勇等[4]采用旋轉壓實儀研究了拌和次序對熱再生瀝青混合料壓實特性的影響.陳杰等[5]根據旋轉壓實曲線對比分析了油石比、壓實方式，以及水泥替換礦粉對花崗巖瀝青混合料壓實性能的影響.張琛等[6]通過旋轉壓實儀和自行研制的和易性測試設備研究了不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料和易性與壓實特性之間的相關性.紀小平[7]基于旋轉壓實儀(SGC)密實曲線的壓實特性參數對比分析了熱拌再生瀝青混合料和溫拌再生瀝青混合料之間的壓實特性.Dessouky等[8]通過旋轉壓實儀評價了瀝青混合料內部結構對壓實特性的影響.這些研究結論表明：瀝青混合料壓實的難易程度受原材料性質、材料組成、壓實功和壓實溫度的影響，在瀝青路面養護維修工況下，因為社會車輛的通行給瀝青混合料的運輸時間、攤鋪溫度等都帶來了不利的影響，如運輸時間的延長會增加瀝青的老化程度、攤鋪溫度的降低會增加瀝青黏度，這些因素會進一步影響瀝青混合料的壓實特性.因此，結合養護維修工況分析瀝青混合料的壓實特性很有必要.

江蘇省某高速公路瀝青路面養護維修工程中新鋪的上面層材料采用SMA-13瀝青混合料，而高溫車轍病害是江蘇省高速公路瀝青路面養護維修的主因，養護工程中新鋪的SMA-13瀝青混合料的高溫穩定性顯得尤為重要.文中結合該瀝青路面養護工程SMA-13瀝青混合料實際應用工況研究其壓實特性，評價不同壓實狀況下瀝青混合料的高溫性能，為提升這類瀝青混合料在養護維修工程中的實際應用效果提出合理化建議.

1 研究方案

1.1 試驗方案

1) 成型溫度 模擬瀝青混合料拌和樓的出料溫度，將SBS改性瀝青SMA-13瀝青混合料室內拌和后的溫度控制在170～180 ℃，然后將拌和好的瀝青混合料分別置于100，115，130，145，160和175 ℃的烘箱中2 h后進行旋轉壓實成型，模擬施工過程中不同碾壓溫度的影響.

2) 存儲時間 將拌制好的SMA-13瀝青混合料，置于175 ℃的烘箱中分別保溫2，4，6，8和10 h，模擬施工過程中在運輸車中不同存儲時間對瀝青混合料性能的影響.

1.2 評價方法及指標

瀝青混合料在旋轉壓實過程中，其密實度與旋轉次數之間的關系可以反映瀝青混合料的壓實特性，在已有相關研究成果的基礎上，選擇SMA-13瀝青混合料旋轉壓實成型所獲取的密實曲線的密實度斜率K和能量指數CEI兩個指標評價SMA-13瀝青混合料的壓實特性.

密實度斜率K、能量指數CEI的計算方法參考文獻[8].其中，計算密實度斜率K時，旋轉次數Nini=8次，Ndes=100次；壓實能量指數CEI用初始壓實次數Nini=8至密實度為94%的壓實曲線下面積進行表征.

采用JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》附錄F中瀝青混合料單軸貫入強度試驗方法評價SMA-13瀝青混合料的高溫性能.試驗過程中將旋轉壓實成型的直徑為150 mm的圓柱形試件置于60 ℃的環境箱中保溫5 h后，采用多功能材料試驗機以1 mm/min的速度通過直徑42 mm×高50 mm的壓頭對試件進行加載，獲取試件破壞時的極限荷載，基于極限荷載算得試件的貫入強度值.其計算式為

Rτ=fτσp

σp=P/A

式中：Rτ為貫入強度，MPa；σp為貫入應力，MPa；P為試件破壞時的極限荷載，N；A為壓頭橫截面面積,mm2；fτ為貫入應力系數，參照規范，本研究取0.35.

2 原材料及混合料組成設計

2.1 原材料檢測

集料為玄武巖，主要技術性能見表1.

表1 玄武巖集料技術性能

瀝青為PG76-22的SBS改性瀝青，為了充分考慮養護工程中瀝青混合料在運輸車中儲存時間對其性能的影響，對不同老化時間后的瀝青混合料進行性能測試，為了評價瀝青混合料性能與瀝青性能之間的相關，原材料檢測階段也對165 ℃旋轉薄膜烘箱中老化不同時間的瀝青進行了性能試驗，結果見表2.

表2 SBS改性瀝青技術性能

2.2 級配及最佳油石比

按照JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中的目標配合比設計方法對三種級配進行初試后，確定表3的級配作為SMA-13的目標級配.

表3 SMA-13設計級配

確定級配后采用馬歇爾方法確定其最佳油石比，試件成型過程中添加集料質量0.3%的木質素纖維，其最佳油石比為6.1%，后續研究SMA-13瀝青混合料試件的成型均采用該油石比.

3 試驗結果分析與評價

3.1 壓實特性

對不同工況下SMA-13瀝青混合料的旋轉壓實密實曲線進行統計分析，得到其密實度斜率K和能量指數CEI的值.試驗結果對比見圖1.

圖1 成型溫度和存儲時間對壓實特性的影響

由圖1a)可知：

1) 隨著成型溫度的提高SMA-13瀝青混合料的密實度斜率增加、能量指數較小，提高成型溫度使得SMA-13瀝青混合料更容易壓實.

2) 使用Sasobit添加劑后CEI變小，可見瀝青混合料達到94%密實度所需要的壓實功變小，更容易達到目標壓實度，隨著成型溫度的提高，這種差別減小，添加劑的作用變小.

3) 使用添加劑可以緩解SMA-13瀝青混合料壓實特性的溫度敏感性，利于較低溫度條件下的壓實.

由圖1b)可知：

1) 隨著存儲時間的延長，瀝青混合料達到94%壓實度的壓實功增加，4～6 h的增量尤為顯著，為了避免因存儲老化對瀝青混合料產生較大的不利影響，應在出料后4 h左右完成攤鋪.

2) 存儲老化時間由2 h增加至4 h時，其壓實度斜率顯著減小，說明此期間瀝青老化使得其粘度變化更加顯著，從而對其壓實特性的影響顯著.

3) 使用Sasobit添加劑后，存儲老化時間對壓實功的影響明顯減小，說明可以使用這種添加劑改善老化對瀝青混合料壓實度的不利影響.

3.2 壓實度與高溫性能的相關性

將不同成型溫度和存儲老化時間條件下的瀝青混合料旋轉壓實100次得到試驗試件，對試件進行壓實度和貫入強度測試，試驗結果分別見圖2.

圖2 不同成型溫度和存儲時間壓實度與貫入強度

由圖2a)可知：綜合考慮提升溫度對瀝青混合料壓實特性、高溫性能有利影響和瀝青老化的不利影響，本文所采用的SMA-13瀝青混合料最佳成型溫度為160 ℃，摻加Sasobit添加劑后其最佳成型溫度可以降至130 ℃.

由圖2b)可知：

1) 未使用Sasobit添加劑時，隨著存儲老化時間的延長，瀝青混合料的壓實度和貫入強度均降低逐步降低.

2) 使用Sasobit添加劑早期存儲老化時間對壓實度有顯著的不利影響，但4 h后存儲老化進一步的影響很小，Sasobit添加劑可以緩解老化對其壓實度的不利影響；老化后Sasobit添加劑試件的貫入強度并未顯著降低，甚至后期有所增加.

研究過程中通過不同旋轉壓實次數考慮成型瀝青混合料成型過程中的壓實功，進一步研究不同壓實功條件下，瀝青混合料的壓實度及其高溫性能，試驗結果見圖3.

圖3 壓實度與貫入強度的相關性

由圖3可知：從高溫性能的角度出發，SMA-13瀝青混合料存在最合理有效的壓實度值，本研究的瀝青混合料對應在旋轉壓實105次時的96.5%.

4 結 論

1) 隨著成型溫度的增加，改性瀝青SMA-13瀝青混合料壓實度增加，其高溫貫入強度也增加，最佳成型溫度為160 ℃，摻加Sasobit添加劑后其最佳成型溫度可以降至130 ℃.

2) 施工過程中的儲存時間對SMA-13瀝青混合料壓實特性有不利的影響，儲存不宜超過4 h，可以采用摻加Sasobit添加劑的措施緩解存儲老化對其壓實度的不利影響.

3) 綜合考慮提高壓實度對高溫性能有利作用和施工時的壓實效率，SMA-13瀝青混合料存在最合理有效的壓實度標準，本研究的合理值標準為96.5%，當原材料和級配調整時合理標準值會有差異.