溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法應(yīng)用研究

于 江， 胡幫艷， 李林萍， 張 飛

(新疆大學 建筑工程學院， 新疆 烏魯木齊 830047)

溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法應(yīng)用研究

于 江， 胡幫艷， 李林萍， 張 飛

(新疆大學 建筑工程學院， 新疆 烏魯木齊 830047)

依據(jù)溫拌技術(shù)工作原理，結(jié)合溫拌改性瀝青粘溫曲線和溫拌瀝青混合料壓實特性，系統(tǒng)闡述了溫拌瀝青混合料設(shè)計的2種思路；在此基礎(chǔ)上提出了溫拌瀝青混合料3階段設(shè)計方法，并給出了相應(yīng)的設(shè)計流程圖；按照基于壓實特性的溫拌瀝青混合料設(shè)計方法進行溫拌瀝青混合料設(shè)計，并對比了溫、熱拌瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明： 所設(shè)計的溫拌瀝青混合料路用性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

溫拌瀝青混合料設(shè)計； 壓實特性； 三階段設(shè)計； 路用性能

0 引言

與熱拌瀝青混合料相比，溫拌瀝青混合料在保證優(yōu)良路用性能的前提下節(jié)能減排，因此溫拌瀝青混合料越來越得到道路工程界的廣泛關(guān)注，同時世界各國也投人了大量資金研究溫拌瀝青混合料技術(shù)。關(guān)于溫拌瀝青混合料技術(shù)的研究主要集中于降粘機理、壓實特性、路用性能和節(jié)能減排方面，而在溫拌瀝青混合料設(shè)計方面研究較少。在溫拌瀝青混合料設(shè)計方面，劉永貴和李正中[1,2]依據(jù)溫拌瀝青混合料的壓實特性進行Evotherm溫拌瀝青混合料設(shè)計并對比溫、熱拌瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明：溫拌瀝青混合料路用性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料，并且不同成型方法下溫拌瀝青混合料的降溫幅度不同；瞿翔[3]采用熱拌瀝青混合料的設(shè)計方法對Sasobit溫拌瀝青混合料進行設(shè)計，并對比了溫、熱拌瀝青混合料水穩(wěn)定性，結(jié)果表明：Sasobit溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性比普通瀝青混合料的水穩(wěn)定性略差，但符合規(guī)范要求。而關(guān)于溫拌瀝青混合料設(shè)計系統(tǒng)論述目前較少，主要集中于溫拌瀝青混合料性能分析上。因此文章結(jié)合已有研究成果，并以溫拌瀝青混合料工作原理、溫拌瀝青粘溫曲線及溫拌瀝青混合料壓實特性為基礎(chǔ)，對溫拌瀝青混合料設(shè)計思想及方法進行研究。

1 溫拌瀝青混合料技術(shù)分類及其工作原理概述

根據(jù)溫拌劑的工作原理可將溫拌瀝青混合料分為3大類[5,6]： 降黏型溫拌瀝青混合料技術(shù)、發(fā)泡型溫拌瀝青混合料技術(shù)和表面活性溫拌瀝青混合料技術(shù)。降黏型溫拌瀝青混合料技術(shù)是溫拌瀝青混合料技術(shù)中最為樸素的技術(shù)思路，同時期技術(shù)思路與發(fā)泡型和表面活性溫拌瀝青混合料技術(shù)的出發(fā)點不同。降黏型溫拌瀝青混合料技術(shù)側(cè)重于改性基質(zhì)瀝青，進而形成高溫黏度降低而低溫黏度不變的溫拌改性瀝青；而發(fā)泡型和表面活性溫拌瀝青混合料技術(shù)則側(cè)重于改變溫拌瀝青混合料的低溫拌和工作性。

降黏型溫拌瀝青混合料技術(shù)，是在基質(zhì)瀝青中添加高溫黏度很低的有機降黏劑，形成溫拌改性瀝青，進而降低膠結(jié)料的高溫黏度，同時低溫黏度保持不變化，甚至有所提高。而這類有機添加劑是以蠟或蠟狀物為主，最具有代表性的是Sasobit、EC — 20、SAK和Rediset。此外，降黏型溫拌瀝青混合料技術(shù)的拌和、成型溫度可依據(jù)溫拌改性瀝青的粘溫曲線來以確定。

而發(fā)泡型溫拌瀝青混合料技術(shù)則是通過自由水或結(jié)晶水，采用機械或細集料帶水激發(fā)瀝青發(fā)泡，通過發(fā)泡形成的瀝青膜結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)較低溫度下對集料的裹覆，同時降低瀝青混合料拌和、成型的溫度，來達到降低溫度的目的。其中具代表性的技術(shù)有Aspha — Min、WAM—Foam、LEA、ASTC綠色雙滾筒等。

表面活性溫拌瀝青混合料技術(shù)，綜合了降粘型與發(fā)泡型溫拌瀝青混合料技術(shù)的優(yōu)勢，但又從本質(zhì)上區(qū)別于前兩種。表面活性溫拌瀝青混合料技術(shù)是采用少量的表面活性添加劑、水與熱瀝青在拌和過程中共同作用，借助拌和的強大分散能力來實現(xiàn)彼此交織。表面活性劑富集于殘留微量水和瀝青的界面，在三者共同的作用下，暫時性在膠結(jié)料內(nèi)部形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性水膜。由于水膜的潤滑作用不受溫度影響，溫度下降時，水膜融化作用能夠很大程度地抵消瀝青黏度增大的作用，從而實現(xiàn)溫拌效果。這一技術(shù)路線到目前為止主要的產(chǎn)品是美國的Evotherm。

鑒于發(fā)泡型和表面活性溫拌瀝青混合料技術(shù)在整個拌和與成型過程中未改變?yōu)r青膠結(jié)料的流變性能，因此其降溫幅度及拌和與成型溫度的確定不能依據(jù)粘溫曲線來確定。

2 溫拌瀝青混合料壓實特性的研究

對于溫拌瀝青混合料而言，壓實對其強度和耐久性都有很大的影響，良好的壓實有助于提供足夠的承載能力和耐久性，從而滿足交通荷載的作用和周圍環(huán)境的變化。壓實度是評價瀝青混合料壓實程度的指標之一，而空隙率的變異性與壓實度的變異性是息息相關(guān)的[7]。因此，溫拌瀝青混合料空隙參數(shù)變化規(guī)律分析是研究其壓實特性的方法之一。

從溫拌瀝青混合料宏觀空隙參數(shù)變化規(guī)律分析入手的壓實特性研究，主要側(cè)重于兩個方面：一是在不同拌和、成型溫度下成型溫、熱拌瀝青混合料試件，測得其空隙率，并繪制空隙率隨拌和、成型溫度的變化曲線，進而驗證溫拌劑的降溫效果、確定拌和與成型溫度；二是在拌和、成型溫度給定的情況下，通過調(diào)整試件成型過程中壓實次數(shù)，獲得空隙率隨壓實次數(shù)的變化曲線，進而分析溫拌瀝青混合料在成型過程中空隙演化過程。李鑫[8]基于GTM成型方法分析了Evotherm溫拌瀝青混合料體積參數(shù)(毛體積密度和空隙率)隨拌和、成型溫度的變化規(guī)律，并與熱拌瀝青混合料進行對比。研究結(jié)果表明:基于表面活性技術(shù)的溫拌瀝青混合料以成型試件的空隙率為主要參考指標的體積參數(shù)基本一致為依據(jù)可確定溫拌瀝青混合料的拌和、成型溫度；并且成型的溫拌瀝青混合料路用性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料；張金輝[9]研究了KSH — D型溫拌瀝青混合料隨拌和溫度的變化規(guī)律，并確定了KSH — D型溫拌劑的最佳摻量約為4%，并與熱拌瀝青混合料進行對比分析，按照等體積原理確定溫拌瀝青混合料的最佳拌和溫度為110 ℃；王素英和賴萬松[10,11]采用馬氏和SGC成型試件，通過改變壓實次數(shù)來研究溫、熱拌瀝青混合料的壓實特性，并依據(jù)等體積原理確定溫拌瀝青混合料的最佳壓實次數(shù)。研究結(jié)果表明：溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料難于壓實；不同成型方法下溫拌瀝青混合料的壓實特性不同；溫拌瀝青混合料的最佳壓實次數(shù)與成型方法和礦料級配相關(guān)；該思路進行所設(shè)計的溫拌瀝青混合料路用性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

總之，溫拌瀝青混合料空隙研究揭示了溫拌瀝青混合料在成型過程中其空隙隨溫度、壓實次數(shù)和成型方法等的演變規(guī)律，同時也為溫拌瀝青混合料設(shè)計提供了理論依據(jù)。

3 溫拌瀝青混合料設(shè)計思路的提出

目前，溫拌瀝青混合料設(shè)計方法以熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計作為參照物并逐漸形成的，但相應(yīng)的設(shè)計思路又與溫拌瀝青混合料技術(shù)相關(guān)。瀝青混合料設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容是在合理的礦料級配對瀝青用量進行優(yōu)化設(shè)計，而溫拌瀝青混合料設(shè)計的核心是在瀝青混合料設(shè)計的基礎(chǔ)上需確定溫拌瀝青混合料合理的拌合成型溫度。

對于降黏型溫拌瀝青混合料而言，在設(shè)計過程中可依據(jù)溫拌改性瀝青的粘 — 溫曲線來確定溫拌瀝青混合料的拌合、成型溫度，進而擬定合理級配并確定最佳瀝青用量。但對于發(fā)泡型和表面活性溫拌瀝青混合料，由于溫拌劑對基質(zhì)瀝青的粘溫曲線沒有影響，因此無法依據(jù)粘溫曲線來確定溫拌瀝青混合料合理的拌合成型溫度，需依據(jù)溫拌瀝青混合料的壓實特性進行設(shè)計。首先按照熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計方法確定合理礦料級配和最佳油石比，其次依據(jù)溫拌劑的降溫效果擬定拌合、成型溫度，最后通過分析溫拌瀝青混合料的壓實特性，按照溫、熱拌等體積原理確定溫拌瀝青混合料的最佳拌合、成型溫度或合理壓實次數(shù)。因此，溫拌瀝青混合料設(shè)計思路主要有2種: ①基于粘 — 溫曲線的溫拌瀝青混合料設(shè)計，②基于壓實特性的溫拌瀝青混合料設(shè)計。

① 基于粘溫曲線的溫拌瀝青混合料設(shè)計的思路

基于粘溫曲線的溫拌瀝青混合料設(shè)計主要針對降黏型溫拌瀝青混合料，其主要設(shè)計流程是首先根據(jù)溫拌改性瀝青的粘溫曲線確定溫拌瀝青混合料的拌合、成型溫度，其次按照熱拌瀝青混合料設(shè)計流程進行溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計，確定溫拌瀝青混合料的合理礦料級配和最佳油石比，最后進行溫拌瀝青混合料路用性能試驗。然而，溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料難于壓實，并且與成型方法相關(guān)。因此該設(shè)計方法會致使溫拌瀝青混合料出現(xiàn)油石比偏大、礦料級配偏細問題。

② 基于壓實特性的溫拌瀝青混合料設(shè)計的思路

基于壓實特性的溫拌瀝青混合料設(shè)計主要針對于發(fā)泡型和降粘型溫拌瀝青混合料，降黏型溫拌瀝青混合料在設(shè)計過程中也可參考。由于目前溫拌瀝青混合料壓實特性研究存在兩個研究方向，因此其設(shè)計思路也有所不同。第一種是按照溫拌瀝青混合料空隙率隨拌和、成型溫度變化曲線進行設(shè)計，第二種是溫拌瀝青混合料體積參數(shù)隨壓實次數(shù)的變化曲線進行設(shè)計，兩種思路所設(shè)計的溫拌瀝青混合料路用性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

第一種設(shè)計思路的主要設(shè)計流程是首先根據(jù)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計確定合理礦料級配和最佳油石比，其次根據(jù)溫拌瀝青混合料空隙率隨拌和、成型溫度變化曲線確定最佳拌合、成型溫度，最后在相應(yīng)的施工溫度下進行溫拌瀝青混合料試驗。然而，該方法所設(shè)計的溫拌瀝青混合料降溫效果與成型方法相關(guān)。劉永貴[14]采用該思路進行溫拌瀝青混合料設(shè)計，并進行溫、熱拌瀝青混合料路用性能分析，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)與馬氏壓實溫度降低幅度分別為32 ℃和18 ℃；壓實溫度降低20 ℃的溫拌瀝青混合料性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

第二種設(shè)計思路的主要設(shè)計流程是首先根據(jù)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計確定合理礦料級配和最佳油石比，其次依據(jù)溫拌劑的降溫效果或已有研究成果確定溫拌瀝青混合料的拌和、成型溫度，最后按照溫、熱拌瀝青混合料等體積原理，根據(jù)溫拌瀝青混合料空隙率隨壓實次數(shù)變化曲線確定最佳壓實次數(shù)，進而指導(dǎo)現(xiàn)場施工。該方法能保證溫拌瀝青混合料的降溫效果，但需對現(xiàn)場與室內(nèi)壓實條件進行轉(zhuǎn)化；同時最佳壓實次數(shù)的確定與礦料級配、成型方法相關(guān)。

4 溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法的提出

4.1 溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法的步驟

根據(jù)上述溫拌瀝青混合料設(shè)計思路，溫拌瀝青混合料的設(shè)計方法包括2種： ①基于粘溫曲線的溫拌瀝青混合料設(shè)計方法，其主要由依據(jù)溫拌改性瀝青粘溫曲線確定溫拌瀝青混合料拌合與成型溫度、進行配合比試驗確定合理礦料級配和最佳油石比以及溫拌瀝青混合料路用性能驗證分析三部分組成； ②基于壓實特性的溫拌瀝青混合料設(shè)計方法，其主要由根據(jù)熱拌瀝青混合料配合比試驗確定合理礦料級配和油石比、根據(jù)空隙 — 溫度變化曲線并按照等體積原理確定溫拌瀝青混合料拌合成型溫度(或先擬定拌合、成型溫度，根據(jù)空隙 — 壓實次數(shù)變化曲線并按照等體積原理確定溫拌瀝青混合料合理壓實次數(shù))和溫拌瀝青混合料路用性能分析三部分組成。

4.2 溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法的流程圖

溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法流程圖如圖1所示，該流程圖只簡要說明溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計思路，并未詳細列舉級配設(shè)計中集料的試驗檢測、最佳瀝青用量的確定以及瀝青混合料成型方法等過程。

圖1 溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法流程圖Figure 1 Warm mix asphalt mixture design method of three phase flow chart

5 溫拌瀝青混合料三階段設(shè)計方法應(yīng)用實例分析

5.1 原材料

試驗所用粗集料為玄武巖，細集料和礦粉為石灰?guī)r，基質(zhì)瀝青為克拉瑪依90#瀝青，經(jīng)試驗檢測所用礦料及瀝青均滿足規(guī)范技術(shù)要求。溫拌劑采用表面活性劑Evotherm — DAT，建議摻量為1∶9，降溫幅度約為30 ℃。

5.2 礦料級配

由于采用的溫拌劑為表面活性劑，因此依據(jù)基于壓實特性的溫拌瀝青混合料設(shè)計方法的設(shè)計步驟，依據(jù)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計流程初步擬定合理礦料級配見表1。由馬歇爾試驗確定最佳瀝青用量為5.0%，其中熱拌瀝青混合料的拌合溫度為155 ℃，成型溫度約為145 ℃。

表1 合理礦料級配通過百分率Table1 Reasonablemineralaggregategradationbypercentage通過下列尺寸(mm)百分率/%1613．29．54．752．361009571．123224．19通過下列尺寸(mm)百分率/%1．180．60．30．150．07518．3313．9910．68．046．09

5.3 溫、熱拌瀝青混合料在馬氏、SGC和輪碾成型方法下壓實特性試驗研究

按照DAT溫拌劑的降溫幅度，并考慮到溫拌瀝青混合料難于壓實的特點，初步擬定溫拌瀝青混合料的拌合溫度為135 ℃，成型溫度約為125 ℃。采用馬氏、SGC和輪碾3種成型方法成型溫、熱拌瀝青混合料試件，通過改變壓實次數(shù)來對比分析溫、熱拌瀝青混合料的壓實特性，其中空隙隨壓實次數(shù)的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同成型方法下溫、熱拌瀝青混合料空隙率隨壓實次數(shù)的變化曲線Figure 2 Temperature under different forming methods, hot mix asphalt mixture void fraction curve along with the change of compaction times

由圖2可以看出: 在馬氏、SGC和輪碾成型3種成型方法下，溫、熱拌瀝青混合料空隙率的變化趨勢基本一致，均隨壓實次數(shù)的增大而逐漸減??；不同成型方法下的變化趨勢卻不相同；相同壓實次數(shù)下溫拌瀝青混合料的空隙率均大于熱拌瀝青混合料。由此可以看出，可以通過改變溫拌瀝青混合料的壓實次數(shù)來降低其空隙率，溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料難于壓實，不同成型方法下溫、熱拌瀝青混合料的壓實特性不相同。

根據(jù)圖2,可確定不同成型方法下溫、熱拌瀝青混合料等體積時的等效壓實次數(shù)，對于SGC成型方法而言，溫、熱拌瀝青混合料與熱拌馬氏75次等空隙率的壓實次數(shù)為65次；對于碾壓成型方法而言，溫、熱拌瀝青混合料與熱拌馬氏75次等空隙率的壓實次數(shù)分別為40次和36次；而馬氏成型方法下，溫拌瀝青混合料與熱拌馬氏75次等空隙率的壓實次數(shù)無法確定。這與王素英的試驗結(jié)果不一致的主要原因是礦料級配對其壓實特性有影響。

5.4 溫、熱拌瀝青混合料路用性能對比分析

根據(jù)上述研究結(jié)果，成型馬氏90次的溫拌瀝青混合料試件進行凍融劈裂試驗，成型輪碾40次的車轍板進行車轍試驗和低溫彎曲試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 瀝青混合料性能驗證試驗結(jié)果Table2 Asphaltmixtureperformanceverificationtestresults混合料類型凍融劈裂強度比/%動穩(wěn)定度次/mm低溫彎曲破壞應(yīng)變/10-6溫拌87．626173880熱拌86．512303800

由表2可以看出: 按照此方法所設(shè)計的溫拌瀝青混合料在水穩(wěn)定性和低溫性能方面與熱拌瀝青混合料基本一致，而高溫性能明顯優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

6 結(jié)論

通過上述對溫拌瀝青混合料壓實特性及其設(shè)計思路和方法的分析，可以得出如下結(jié)論：

① 針對溫拌瀝青混合料工作原理的不同，依據(jù)溫拌改性瀝青粘溫曲線和溫拌瀝青混合料壓實特性，按照溫、熱拌瀝青混合料等體積原理系統(tǒng)匯總并提出了溫拌瀝青混合料的3種設(shè)計思路；

② 基于3種溫拌瀝青混合料的設(shè)計思路，提出了溫拌瀝青混合料3階段設(shè)計方法，并給出了相應(yīng)的設(shè)計流程圖；

③ 按照基于溫拌瀝青混合料壓實特性的溫拌瀝青混合料3階段設(shè)計方法，依據(jù)空隙與壓實次數(shù)變化曲線確定溫拌瀝青混合料的合理壓實次數(shù)，并進行該壓實次數(shù)下的路用性能試驗，結(jié)果表明：該方法所設(shè)計的溫拌瀝青混合料性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

[1] 劉永貴，凌劍興,張繼森, 等．Evotherm溫拌瀝青混合料性能試驗研究[J]．公路工程，2013，38(1)：14-16．

[2] 李正中．Evotherm溫拌瀝青混合料兩階段設(shè)計方法應(yīng)用研究[J]．重慶交通大學學報:自然科學版，2013,32(4)：610-613+700．

[3] 瞿翔．Sasobit對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響[J]．公路與汽運，2013(3)：104-106．

[4] 李彥偉，王江帥，黃文元，等．溫拌瀝青路面施工技術(shù)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[5] 肖燕武．Sasobit溫拌瀝青混合料的路用性能及節(jié)能減排效果[J]．公路，2013,10(10)：208-211．

[6] 裴建中．瀝青路面細觀結(jié)構(gòu)特性與衰變行為[M]．北京:科學出版社，2010．

[7] 李鑫，宋曉燕，張衛(wèi)忠．基于表面活性技術(shù)的溫拌瀝青混合料壓實特性的研究[J]．公路，2013(4)：103-107．

[8] 張金輝．基于馬歇爾成型的溫拌瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計[D]．烏魯木齊:新疆大學，2013．

[9] 王素英．傳統(tǒng)成型方法下的溫拌瀝青混合料微細觀結(jié)構(gòu)研究[D]．烏魯木齊:新疆大學，2012．

[10] 賴萬松．不同成型方法下溫拌瀝青混合料微細觀結(jié)構(gòu)研究[D]．烏魯木齊:新疆大學，2013．

Three-Stage Design Method for the Warm-Mix Asphalt Mixtures

YU Jiang, HU Bangyan, LI Linping, ZHANG Fei

(School of Construction Engineering，Xinjiang University，Urumchi，Xinjiang 830047, China)

In the light of warm mix technology works, combination with warm mix asphalt viscosity-temperature curve and compaction characteristic, the article systematically expounds two ideas of warm mix asphalt design .on this basis,the article proposes three stages design methods of the warm mix asphalt,and gives the corresponding design flow.According to design of the warm mix asphalt which is based on compaction characteristics to carry on warm mix asphalt design, and also compares with the pavement performance of warm and hot mix asphalt.The result shows that the design of warm mix asphalt pavement performance is better than hot mix asphalt.

words:warm mix asphalt design; compaction characteristic; three stages design; pavement performance

2015 — 04 — 29

國家自然科學基金資助項目(51168044)

于 江(1960 — )，男，河南西峽人,教授，主要從事建筑工程材料研究與教學工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0006 — 04