用于路面修復的熱拌瀝青混合料性能評估

摘要：將熱拌瀝青（WMA）用于路面的修復可實現施工后交通的快速開放，然而目前在公路使用WMA明顯缺乏與性能相關的試驗室和現場數據。為了填補這一空白，文章對中、粗、細三種不同級配的WMA混合料（分別為WMA M、WMA B、WMA A）進行了車轍試驗、水下車轍試驗、磨損試驗、靜態彎曲和疲勞彎曲試驗，并與常規的熱拌瀝青（HMA）混合料進行了比較。結果表明：WMA M的疲勞性能最好，其次是WMA B和WMA A；生產溫度（比正常溫度低50 ℃）對WMA的抗熱裂性能影響不大；WMA B在高溫下具有優越的抗磨損性能；在低于正常溫度30 ℃的溫度下生產的粗級配混合料WMA B表現出與熱拌瀝青（HMA）相當的性能，因此適合用于高速公路路面修復。

關鍵詞：高速公路；熱拌瀝青混合料；修復；車轍試驗；疲勞彎曲試驗

中圖分類號：U416.217" " " " " 文獻標識碼：A" " " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.019

文章編號：1673-4874（2024）11-0059-03

0引言

熱拌瀝青（HMA）是鋪設瀝青路面最常用的材料［1］，從手工混合和用耙子、鏟子手工鋪設到計算機混合、高度自動化鋪設和壓實，HMA路面的生產和鋪設經歷了130多年的發展。長期以來，瀝青行業一直在探索技術改進，最新的創新之一是在近年推出的熱拌瀝青（WMA），其可以在更低的溫度下生產和鋪設而不降低路面質量［2］。

熱拌瀝青混合料是一種綠色、節能、環保的新型路面材料［3］，其起源于歐洲，旨在減少溫室氣體排放，隨著人們保護環境意識的增強和能源成本的上升，逐漸在世界范圍內受到歡迎。到目前為止，許多國家已經提出了很多工藝來降低混合和壓實溫度并對WMA進行了大量的研究［4］。WMA的優點如下：（1）降低工廠氣體排放，保護環境；（2）降低能源消耗，節約成本；（3）提高可操作性和壓實效率；（4）由于減少了冷卻時間，可以快速開放交通［5］。

從經濟角度來看，道路不能長時間關閉，通常只有在運營后幾小時之內才能安排進行修復工作，而較低的生產溫度和壓實溫度使WMA在通車前花費的硬化時間少于HMA，這使得WMA成為路面修復的較好選擇。日本近年來也開發了幾種WMA工藝，但主要用于道路領域，對高速公路應用WMA的研究還很少。因此，需要對WMA在路面修復中的應用進行全面的研究。

1研究目標與方法

本研究的主要目的是通過一系列的室內試驗，包括車轍試驗、水下車轍試驗、磨損試驗、靜態彎曲試驗和疲勞彎曲試驗，來評估WMA混合料的工程性能，旨在為高速公路路面修復工程中應用WMA提供試驗依據。

本研究主要研究最大集料粒徑（MAPS）為20 mm的面層HMA混合料，試驗了三種不同骨料級配的WMA混合料，并與常用的中級配HMA混合料進行比較。為了追求成本效益，使用一種低成本的商業外加劑生產WMA，且根據過去的經驗，WMA混合料通常是在比正常的HMA生產溫度低30 ℃和50 ℃這兩種溫度下生產的。

2試驗程序

2.1材料

以公路常用的碎砂石和人工砂分別作為粗骨料和細骨料，并且選用了一種以石灰石為原料的礦物填料，所用的聚合物改性瀝青粘合劑性能見表1。根據測試的黏度-溫度關系，確定了適當的拌和溫度和壓實溫度分別為173 ℃和163 ℃。

試驗所用WMA是由一種日本公司制造的化學添加劑（一種合成蠟）生產的，其基本性質列于表2中。該添加劑可以降低瀝青粘結劑的黏度，使瀝青混合料能夠在較低溫度下拌和，且拌和出的瀝青混合料性能均能達到常規熱拌瀝青混合料的技術指標［6］，在生產過程中，以固體小顆粒的形式直接加入骨料混合料中，然后熔化并與瀝青粘合劑一起均勻地包裹在骨料周圍，起粘合作用。

2.2混合料設計

混合料的設計遵循一般的馬歇爾程序（ASTM D1599），由標準馬歇爾錘每側擊打75下，選取如圖1所示的3個連續集料級配設計WMA，即指定范圍內的中級配、粗級配和細級配，分別用簡單符號M、B、A表示。此外，還將該高速公路通常使用的中級配HMA混合料作為對照混合料進行了測試。

2.3試驗方法

采用車轍試驗（WTT）測定混合料在高溫下的抗變形性能。橡膠面輪胎以42次/min的速度在（300×300×50） mm3的試件上來回移動。用滾動壓實機將試樣壓實，然后在恒定溫度60 ℃的環境中放置至少6 h，以達到溫度平衡。本試驗在60 ℃下進行1 h，以最終垂直變形量作為抗車轍性能的指標。

在試驗中，將試件放置于水深為1 cm、溫度為60 ℃的試驗軌道中，反復移動輪胎加載，壓力為1.38 MPa。1 000次后終止試驗，用式（1）計算剝離比用于表示混合料的耐水性，是剝離面積除以四個邊的橫截面面積的平均值，如圖2所示。

SR=（A1/S+A2/S+B1/S+B2/S）/4（1）

式中：SR——剝離比（%）；

A1、A2——沿移動方向兩側的剝離面積；

B1、B2——兩側垂直于移動方向剝離面積；

S——橫截面面積。

通過四點彎曲疲勞彎曲試驗來評價混合料的疲勞性能。在本研究中，試驗采用400 με的應變水平進行應變控制，輸入應變為波形正弦形，頻率為10 Hz。所用樣品的標準尺寸為長300 mm、寬40 mm、高40 mm。該試驗在20 ℃的溫度下進行。疲勞破壞定義為如圖3所示的應力-失效循環曲線（log）中的失效點，在此條件下，假設使用溫度為20 ℃，認為疲勞開裂遵循自底向上的粘接失效模式。

圖3典型的應力-疲勞循環曲線圖在-10 ℃的溫度條件下，對尺寸為（300×100×50）mm3、兩端支撐的矩形試件施加變形速率為10 mm/min的中點荷載，進行簡單三點彎曲試驗，以失效應變作為檢測混合料抗熱開裂的指標，由式（2）計算得出：

ε=6×h×d/l2（2）

式中：ε——失效時的應變（10-6）；

h——樣品高度（mm）；

l——樣品長度（mm）；

d——樣品最大的撓度（mm）。

采用轉向輪轍試驗（RT）模擬交通轉彎、停車轉向、加減速情況下混合料的變化。高速公路的起伏是影響交通運行安全的重要因素，在本次測試中，實心輪胎以10.5 rpm的速度繞半徑為10 cm的圓運動，在試樣表面施加扭曲造成磨損。采用了與車轍試驗相同的樣品，試驗在60 ℃的溫度下進行，并以試樣的重量損失作為評價抗剝落的指標。

3測試結果與討論

按照上述方法進行了與性能相關的測試，對于每個試驗制備3個樣本，并使用結果的平均值進行分析。在本文的以下部分，將A、M和B級配的WMA混合料分別命名為WMA A、WMA M和WMA B。

3.1抗疲勞開裂能力-反復四點彎曲試驗

疲勞彎曲試驗的試驗結果見表3。由表3可知，與對照混合料相比，生產溫度降低30 ℃導致WMA失效循環次數略有減少，其中WMA M的疲勞性能最好，其次是WMA B和WMA A。在生產溫度＜50 ℃的情況下，WMA A、WMA M和WMA B的疲勞壽命分別比WMA的降低了33.3%、27.0%和31.4%?？偟膩碚f，在＜30 ℃時生產的WMA A、WMA M和WMA B疲勞試驗結果略低于對照組HMA混合料是可以接受的。

3.2耐熱裂性-靜態三點彎曲試驗

如圖4所示，顯示了三點彎曲試驗的失效應變結果。一般來說，失效時的拉伸應變越大，混合料對熱開裂的敏感性越小?？梢杂^察到WMA B在破壞時的應變比HMA略高，WMA A和WMA M在低于正常拌和溫度30 ℃時也有類似的結果。將拌和溫度降低到123 ℃，各WMA失效時的應變比對照混合料稍低。這些結果表明，生產溫度（比正常溫度低50 ℃）對WMA的抗熱裂性能影響不大，對于每個級配，在生產溫度低于正常溫度30 ℃或50 ℃時，WMA均表現出可接受的抗熱裂能力。

3.3抗磨損性-轉向輪轍試驗

轉向輪轍試驗的結果如圖5所示。由圖5可知，與在車轍試驗中觀察到的趨勢相似，所有在123 ℃下拌和的WMA混合料都是不可用的，因為其重量損失太大。在生產溫度低于正常溫度30 ℃的情況下，3種WMA混合料在磨損上差異很大，其中只有WMA B與對照HMA具有可比性的結果。WMA B在高溫下優越的抗磨損性能主要是因為擁有良好的骨料聯鎖性能。

4結語

根據WMA混合料的性能測試結果和分析，可以得出以下結論：

（1）對于在低于正常溫度30 ℃下生產的混合料，WMA A和WMA M的抗車轍、抗磨損性和耐水性的性能明顯較低，被認為是可以接受的。

（2）相對而言，在低于正常溫度30 ℃下產生的WMA B似乎適用，因為其除耐水性外的其他性能都表現出與對照HMA混合料相似的性能。因此，建議在所研究的路面修復中使用143 ℃拌和的WMA B。

（3）根據以往的研究經驗，可以通過添加抗剝落劑、熟石灰或一些液體劑來緩解WMA的水敏感性。在下一階段的研究中，即施工試驗路面時，應在路面WMA B中添加適當的抗剝落劑以確保水穩定性能。

參考文獻：

［1］曹坤.熱拌瀝青混凝土面層施工技術及質量控制［J］.四川水泥，2019（1）：298，314.

［2］宋云連，高盼，呂鵬.溫拌瀝青低溫性能及其微觀特性機理研究［J］.材料導報，2021，35（S1）：251-257.

［3］馬占武，俞日高.高速公路路面工程中的溫拌瀝青施工技術［J］.交通世界，2021（23）：74-75.

［4］蘇淼，王亮，李聰，等.溫拌瀝青路面材料國內外研究綜述與應用分析［J］.四川建材，2019，45（4）：165-166.

［5］王偉.談公路路面翻修用溫拌瀝青混合料的實驗室評估［J］.工程建設與設計，2016（13）：154-156.

［6］吳坤.溫拌瀝青短期老化溫度與老化性能研究［J］.上海公路，2021（1）：97-99，122.

作者簡介：韋劍雙（1987—），工程師，主要從事公路橋梁工程施工工作。

收稿日期：2024-05-18