施工現(xiàn)場溫拌瀝青混合料的路用性能

李彩霞 汪首元 張興軍 馬偉中 唐仕潤

（1 甘肅公路發(fā)展集團有限公司 甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省高等級公路養(yǎng)護工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來，人們在努力減少能源消耗和HMA 生產(chǎn)過程中污染氣體的排放。WMA 在拌合過程中的溫度可低于常規(guī)瀝青混合料16℃～55℃，這是向瀝青工業(yè)提供的重要能源節(jié)約技術。Hurley 和Prowell 在試驗中發(fā)現(xiàn)，WMA可以減少拌合站的排放物，擴展了冬季施工，允許更快的交付通車，減少了拌合設備的污染成度，降低了瀝青混合料的老化程度。WMA 技術在美國的實施，為交通運輸和建筑業(yè)與社會形成的統(tǒng)一整體提供了很多經(jīng)濟和環(huán)境效益，現(xiàn)在得到了國內(nèi)外的廣泛的重視。WMA 的使用量穩(wěn)步增長，需要量化WMA 技術的實施、壞境和經(jīng)濟效益之間的關系。此外，WMA 的生產(chǎn)與鋪裝方面，需要測定出降低現(xiàn)場拌合溫度對瀝青混合料性能的影響。本文采用車轍試驗、半圓彎曲試驗和修正Lottman 試驗和測定廠拌瀝青混合料的含水率、吸收瀝青含量和面層的平均溫度，研究了WMA 技術降低現(xiàn)場生產(chǎn)溫度對瀝青混合料的影響，并量化出現(xiàn)場拌合的瀝青混合料的室內(nèi)性能。

1 原材料

表1給出了這三個實地項目中所選的八種瀝青混合料的參數(shù)，這些瀝青混合料中都添加了彈性聚合物改性粘結(jié)劑PG 70-22M 或PG 76-22M。為了避免重新加熱，工廠拌合的松散混合料用卡車運到移動瀝青實驗室研究中心，進行現(xiàn)場壓實。在每一個項目中，加入一個瀝青混合料，作為對照組。

2 室內(nèi)試驗方法

2.1 車轍試驗

根據(jù)AASHTO T324車轍（LWT）試驗，在50℃的水中，通過鋼輪對瀝青混合料試件表面20000 次的反復荷載行車，來評價瀝青混合料的抗車轍性能和水穩(wěn)定性。該測試將達到20000 次或20mm 變形，以先達到者為準。

2.2 半圓彎曲試驗

采用半圓彎曲（SCB）試驗測定瀝青混合料的抗拉性能，半圓彎曲試驗裝置及示意圖如圖1所示。

圖1 半圓彎曲試驗裝置

臨界應變能釋放率，也稱為J 積分的臨界值（JC），來描述瀝青混合料的抗拉性能。

Jc=臨界應變能釋放率（kJ=mm2）；b=試件厚度（m）；a= 裂痕深度（m）；U= 應變能（kiloJoule， kJ）；Δ ΔU a/ =應變能和裂痕深度的變化率。

使用公式（1）確定的Jc的值，需要在半圓彎曲試驗中獲得至少兩個不同的裂痕深度，以確定應變能和裂痕深度的變化率（Δ ΔU a/ ）。本文中，對25.4mm，31.8mm，和38mm 這3 種裂痕深度進行了半圓彎曲試驗，以增加斜率Δ ΔU a/ 的精度，擬合應變能和裂痕深度變化率的回歸線如圖2所示。

半圓形試件在三點彎曲載荷結(jié)構(gòu)中，橫梁以0.5mm/min 的恒定速率單調(diào)加載，直到試件斷裂破壞。此試驗在25℃的溫度下進行，荷載與形變的數(shù)據(jù)在試驗過程持續(xù)記錄。在半圓彎曲試驗中，旋轉(zhuǎn)壓實（SGC）試件的空隙率達到7±0.5%。一般情況下，試件在試驗中的變異系數(shù)在15%之內(nèi)。每種瀝青混合料試件制作三份用 于測試，高Jc 值的瀝青混合料抗斷裂性能好。

圖2 應變能和裂痕深度變化率的回歸線

圖3 LWT 測試結(jié)果：（a）LA 10 （b）US 90 （c）US 61

2.3 水穩(wěn)定性試驗

水穩(wěn)定性是根據(jù)AASHTO T283 修正Lottman 試驗進行測定。該試驗評價了水對瀝青路面的的損害。兩組試件在含水和干燥兩個不同的條件下進行試驗，用拉伸強度和TSR 分析。

3 結(jié)果及分析

3.1 車轍試驗分析

車轍試驗的結(jié)果如圖2所示，所有的瀝青混合料都符合車轍深度小于6.0mm 的標準，并且在試驗過程未發(fā)現(xiàn)剝離。在LA10 項目中，兩種瀝青混合料表現(xiàn)出較小的永久變形，而且，兩種瀝青混合料抗車轍性能相似。在US 61，所有的瀝青混合料都表現(xiàn)出較好的抗車轍性能，WMA 比HMA 的抗車轍性能表現(xiàn)稍好。綜上所述：1）在這三個實地項目中，WMA 表現(xiàn)出與HMA 相近的抗車轍性能；2）所有的瀝青混合料平均車轍深度均小于6.0mm，即這些混合料都具有很好的抗車轍性能。

在α 為0.05 的最小顯著性差異（LSD）分析中，除了US 90 項目外，HMA 和WMA 之間沒有任何顯著的差異， 統(tǒng)計分析的結(jié)果如表2-4 所示。

表2 抗車轍性能統(tǒng)計結(jié)果分析，項目名稱：LA 10

帶a相同代號的混合料在統(tǒng)計學上同類

表3 抗車轍性能統(tǒng)計結(jié)果分析，項目名稱：US 90

帶a不同代號的混合料在統(tǒng)計學上不同類

3.2 半圓彎曲試驗分析

試件在半圓彎曲試驗后，計算出的J 積分的臨界值如圖4所示。與相應的HMA 比較， WMA 表現(xiàn)出相似或更高的Jc值。US 90 和US 61 項目中，WMA 表現(xiàn)出比相應的HMA 有更好的抗斷裂性能。然而，在LA 10 項目中，WMA 表現(xiàn)出與HMA 相似的抗斷裂性能。所有的WMA都符合Jc為0.5kJ/m2的標準，但是，US 90 和US 61 項目中的HMA 不符合這個標準。綜上所述，WMA 技術的使用沒有降低瀝青混合料的抗斷裂性能。

表4 抗車轍性能統(tǒng)計結(jié)果分析，項目名稱：US 61

帶a同樣代號的混合料在統(tǒng)計學上同類

圖4 半圓彎曲試驗結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性試驗分析

圖5給出瀝青混合料的平均TSR。LA10 項目，添加Evotherm 的WMA-BC 沒有達到TSR 中80%的最低標準。總體來說，除了LA 10 項目之外，WMA 和HMA 的TSR 沒有看到到顯著差異。雖然LA 10 項目中WMA 的TSR 較低，但所有條件間接拉伸（IDT）強度均等于或大于689.48KPa，平均值為1022.49KPa。

圖5 修正 Lottman 試驗結(jié)果

4 WMA 生產(chǎn)和施工評價

本文的目的是比較HMA 和WMA 生產(chǎn)和鋪筑方法。為了評價在拌合廠的差異，對瀝青混合料的性能進行測定：1）瀝青混合料的含水率；2）集料對瀝青的吸收量。道路施工中測得的性能包括：1）面層溫度的均勻性；2）壓實中各階段需要的碾壓次數(shù)；3）面層的現(xiàn)場密度。

4.1 瀝青混合料的含水率

HMA 相比WMA 在較低溫度下生產(chǎn)，人們關心的是減少加熱溫度，從而不能充分干燥集料，這可能導致路面的水損壞通過測定瀝青混合料的含水率（每批讀取5 個含水率取，并取平均值），將WMA 的含水率與對應的HMA 進行比較，結(jié)果如圖6所示。WMA 中的含水率比常規(guī)瀝青混合料稍高，這兩種類型的瀝青混合料含水率都小于0.3%，均低于的限制標準。

圖6 廠拌瀝青混合料含水率，US 61

4.2 吸收瀝青含量

圖7給出了US 61項目中HMA和WMA的平均吸收瀝青含量Pba，添加Evotherm 的WMA 的吸收瀝青含量與HMA 的相近。添加Foamed 的WMA 比添加Evotherm 的HMA 和WMA 有更高的吸收瀝青含量。添加Foamed 的WMA 表現(xiàn)出較高的吸收瀝青含量的原因是，前三種瀝青混合料的生產(chǎn)是用花崗巖作為主要集料，然而，承包商用完了花崗巖材料，添加Foamed 的WMA使用不同級配的砂巖作為主要集料?；◢弾r和砂巖集料的吸收瀝青含量分別為0.6%和1.4%。由此可以得出結(jié)論，兩種類型的瀝青混合料在生產(chǎn)時表現(xiàn)出相近的吸收瀝青水平，主要由混合料中集料類型所決定。

圖7 HMA 和WMA 混合料的瀝青吸收量（Pba）

4.3 面層溫度的均勻性

為了比較HMA 和WMA 面層溫度的均勻性，在US 61 項目的左輪路徑（LWP）、中心線（CL）和右輪路徑（RWP）中測量溫度。為此使用紅外溫度槍，在攤鋪機后每6.1 米采集數(shù)據(jù)，圖8表示所采集的數(shù)據(jù)生產(chǎn)的熱點圖。HMA 試驗段的平均溫度為148℃，而WMA 段的平均溫度在124℃和131℃之間變化。添加Foamed 的WMA 試驗段，由于承包商在生產(chǎn)過程中遇到一些濕集料，不得不提高溫度來充分干燥，熱點圖反映出了其測試段中間的溫度增加。

圖8 HMA 和WMA 試驗段的熱點圖，US 61（x 軸單位是米，y 軸單位是攝氏度）

4.4 面層的現(xiàn)場壓實度

在US 61 項目中，記錄在壓實過程的每個階段（即初壓、復壓和終壓）所需的碾壓次數(shù)，如圖9所示，其中中壓階段進一步細分為振動和膠輪的碾壓次數(shù)。在初壓階段，與對應的HMA 相比，WMA 都減少了兩次碾壓，但在隨后的壓實階段沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。一般來說，HMA和WMA 所需碾壓次數(shù)沒有明顯的區(qū)別。

圖9 碾壓遍數(shù)，US 61

4.5 面層的現(xiàn)場壓實度

在US 61 項目中測得的現(xiàn)場壓實度如圖10 所示，與對應的HMA 相比，三種不同的WMA 現(xiàn)場壓實度都稍低。但是，瀝青混合料的壓實度都大于92%，滿足規(guī)范要求。

圖10 現(xiàn)場壓實度，US 61

5 結(jié)論

1）與所有三個評估項目的相應對照HMA 相比，WMA 的高溫穩(wěn)定性能沒有差別；

2）SCB 試驗的結(jié)果表明，與常規(guī)HMA 混合料相比，WMA 表現(xiàn)出更好的抗裂性能；

3）其中兩個實地項目中，WMA 水穩(wěn)定性與常規(guī)HMA 相近，但第三個項目的TSR 低于當?shù)貥藴实?0%。雖然LA 10 項目中WMA 的TSR 較低，但所有條件間接拉伸（IDT）強度均等于或大于689.48KPa，平均值為1022.49KPa；

4）雖然WMA 中的含水率略高于常規(guī)HMA，但兩種混合料類型標準，水分含量小于0.3%。此外，吸收瀝青含量在HMA 和WMA 之間沒有顯著的差異；

5）對于WMA，鋪筑后面層的溫度明顯低于HMA。另外，HMA 和WMA 在壓實度上沒有明顯的差別。一般情況下，WMA 的最小壓實度都能夠達到92%規(guī)范要求值。