温拌沥青混合料压实特性宏细观研究

胡帮艳， 于　江， 李林萍， 宋卿卿

(1.新疆大学 建筑工程学院， 新疆 乌鲁木齐　830047；　2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海　201804)



温拌沥青混合料压实特性宏细观研究

胡帮艳1， 于江1， 李林萍1， 宋卿卿2

(1.新疆大学 建筑工程学院， 新疆 乌鲁木齐830047；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海201804)

[摘要]从宏细观层面出发，对比分析马氏成型与旋转压实成型方法下温拌沥青混合料宏细观指标随压实次数变化规律，探讨温拌沥青混合料的压实特性。研究结果表明：2种成型方法下宏细观指标随压实次数的变化规律基本一致，旋转压实成型更易于温拌沥青混合料的密实；试件随着压实次数增加，空隙率不断减小，空隙面积和空隙等效直径也相应减小，空隙分维数随之增大；空隙分维数等细观指标可形象的表征空隙结构，是温拌沥青混合料空隙率的有效补充。

[关键词]温拌沥青混合料； 压实特性； 宏细观； 成型方法

0前言

温拌沥青混合料(WMA)是一种环保型材料，既能保证沥青混合料在相对较低的温度下进行拌和及施工，又具有与热拌沥青混合料基本相同的路用性能。此外，WMA还具有节约能源、造价相对较低的特点[1]。然而，随着拌和及压实温度的降低，混合料的压实特性也将受到一定的影响。因此，研究温拌沥青混合料的压实特性具有重要的现实意义。

沥青混合料的压实特性是指其在施工碾压和使用过程中体积参数的变化程度和稳定性[2]。目前温拌沥青混合料压实特性的研究主要集中于宏观层面，但研究表明[3-5]：沥青混合料细观结构对其宏观性能影响较大。为此，文章从宏细观层面对比分析了马氏成型与旋转压实成型方法下温拌沥青混合料宏细观指标随压实次数的变化规律，进而研究温拌沥青混合料的压实特性。

1原材料基本参数及沥青混合料矿料级配

设计

1.1原材料基本参数

① 沥青。

本试验采用壳牌SBSI-D道路石油改性沥青，其基本性能检测结果如表1所示。

② 集料体积参数。

试验所用级配为筛分级配，各档集料的岩石种类及体积指标见表2。

表1 壳牌SBSI-D道路石油改性沥青性能指标检测结果Table1 ShellSBSI-Doilmodifiedasphaltroadperform-ancetestresults试验项目规范要求试验结果单项评定针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm30～6057.2合格软化点(TR&B)/℃≥6083.8合格135℃运动粘度/(Pa.s)≤31.418合格延度(5℃,5cm/min)/cm≥2041.5合格储存稳定性离析,48h软化点差/℃≤2.51.2合格薄膜烘箱残留物(163℃,85min)质量变化/%±1.00.16合格针入度比(25℃)/%≥6586.7合格延度(10℃5cm/min)/cm≥1531.2合格 注:SBS改性沥青的密度为1.02g/cm3。

表2 集料的技术指标Table2 Thetechnicalindexoftheaggregate岩石种类集料分档/mm毛体积相对密度/(g·cm-3)表观相对密度/(g·cm-3)吸水率/%玄武岩13.2 2.8652.9151.79.52.8572.911.864.752.822.8992.8石灰岩2.362.5992.7445.61.182.7142.714—0.62.7112.711—0.32.7032.703—0.152.7012.701—0.0752.7052.705—矿粉2.6852.685—

③ 温拌剂和纤维。

温拌剂选用美国美德维实维克公司生产的Evotherm-DAT温拌添加剂，添加剂与沥青用量之比为1∶9。DAT温拌剂是一种表面活性剂溶液，其工作原理为[6]：在混合料拌和过程中，随水分快速蒸发，添加剂均匀分散，残留微量水在表面活性剂作用下均匀分布在集料与沥青之间，并形成油—水界面，进而降低沥青粘度，增加施工和易性。

试验所用为聚酯纤维，其密度为1.4 g/cm3。

1.2矿料级配设计

基于矿料间隙率的SMA混合料设计方法可通过矿料间隙率快速确定常规SMA的矿料级配及最佳油石比[7]，因此文章选用该级配设计方法进行SMA-13矿料级配设计。最佳油石比为6.28%，纤维掺量为0.3%，设计空隙率4.0%，矿料级配见表3。

表3 SMA-13的级配组成Table3 GradationcompositionofSMA-13筛孔/mm规范下限规范中值规范下限合成级配1610010010010013.2909510095.69.55062.575654.75202734282.361520.52622.31.18141924200.6121620170.310131615.10.159121513.540.0758101210.3

2试件成型

2.1温拌SMA的沥青混合料制备过程

本实验温拌SMA混合料室内拌和温度150 ℃，制备过程为：

① 集料按照级配表进行配料，放入160 ℃烘箱中2～3 h，SBS改性沥青置于165 ℃烘箱中加热至流动状态；

② 将烘干的集料倒入150 ℃拌和锅中，加入所需纤维搅拌30 s；

③ 将与温拌剂互融的SBS改性沥青倒入拌和锅底部继续搅拌90 s，沥青温度控制在165 ℃；

④ 把拌和好的温拌混合料放入150 ℃恒温烘箱中保温2 h，期间严格控制混合料的温度，以保证压实时混合料的温度的准确性。

2.2成型方法

马氏击实参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)制作标准试件，试件尺寸为101.5 mm×63.5 mm，共制作4组每组4个，用于测定温拌沥青混合料的宏观指标。

旋转压实成型选用直径100 mm试模，以马歇尔成型时的重量m为标准制作试件，方案与马氏成型时相同。旋转压实角根据Superpave设计方法的要求设定为1.25°，转速为30 r/min，试模上部压力加载头施加600 kPa的竖直荷载。

3温拌沥青混合料压实特性试验研究与分析

为研究温拌沥青混合料不同成型方法下宏细观指标的变化规律，选取马氏击实与旋转压实方法成型试件，通过改变压实次数模拟温拌沥青混合料的压实演化过程，压实次数分别为：25、50、75和100次。

3.1温拌沥青混合料压实过程中宏观性能指标变化规律分析

测取温拌SMA沥青混合料在不同成型方法与不同压实次数下的宏观性能指标，即：空隙率、稳定度、流值与冻融劈裂强度比。绘制宏观性能指标与压实次数之间的关系曲线，如图1所示。

图1　宏观性能指标与压实次数之间的关系曲线Figure 1　Macro performance index and the relationship 　between the number of compaction curve

由图1(a)可看出：马氏和旋转的空隙率均随击实次数的增加而减小，可见试件在成型过程中，随着压实次数的增加，混合料的压实程度在不断提高；在相同压实次数下，旋转的空隙率均小于马氏，这是由于旋转压实成型时，旋转压实法的搓揉作用和较大的压实功，使试件更易密实；在设计拌和及压实温度下，旋转压实25次即达到目标空隙率，而马氏需压实75次，对比可知，旋转还具有降温空间，降温幅度大于马氏。

从图1(b、c)可知：随着击实次数的增大，温拌沥青混合料在两种成型方法下的稳定度呈现增长趋势，在25～50次之间增长幅度较大，随后增长幅度趋于缓慢，且旋转成型稳定度高于马氏；流值呈现先减小后增大的趋势，在压实次数为75次时均出现最小值，且旋转成型的流值整体小于马氏。

由此可知，随着试件的逐渐密实，两种成型方法下的稳定度与流值呈现相同的变化趋势，且在75次时流值均出现拐点，稳定度在50次后增长较为缓慢。分析可知，混合料在不断被压实的过程中，处于高温情况下的集料部分被击碎，造成混合料空隙率不断减小，流值出现拐点，稳定度增长缓慢的现象。由此表明，试件达到基本压实状态后，压实次数的增加对试件物理力学指标的影响不再明显。因此试件成型压实次数要严格控制在一定范围内才能达到最佳压实效果。

由图1(d)可知：在相同压实次数下，旋转的冻融劈裂强度比均高于马氏，说明旋转压实成型试件水稳定性优于马氏。压实次数在75～100之间，两种成型方法下试件的冻融劈裂强度比变化差值较小，而压实次数在25～50之间冻融劈裂强度比数值相差较大。这是由于马氏25次形成的空隙率为5.75%超过SMA临界空隙率4.3%[8]，此时渗水系数值最大导致冻融劈裂强度比过低。

3.2温拌沥青混合料压实过程中细观空隙变化规律分析

马氏50次空隙率为3.84%，旋转25次空隙率为3.89%，两者空隙率相接近，但表现出的高温稳定性和水稳定性却相差甚远。在SHRP计划中，研究者已经意识到对沥青混合料组成结构的研究不能够仅停留在材料的宏观层面，对于沥青混合料需要深入到细观层次的分析和研究[9]。为进一步了解温拌沥青混合料的压实特性，本文对其细观空隙特征进行分析。对不同压实次数下的温拌沥青混合料试件进行切割，利用CCD相机进行拍照并用软件提取空隙的二值图，如图2所示。采用数字图像处理技术获取其细观空隙指标——空隙分维数、空隙个数、空隙等效直径等参数，以此分析温拌沥青混合料的空隙特征及分布情况，如表4所示。

(a) 切割图像

(b) 阈值处理后的图像

表4 空隙分布参数汇总Table4 Spacedistributionparameters压实方式试件截面空隙数量空隙分维数等效直径空隙面积马氏击实25次上面层781.0886.385005中面层591.0835.453947下面层501.0946.44376均值62.331.0886.084442.67马氏击实50次上面层701.1136.473671中面层671.1025.432250下面层431.0946.913490均值601.1036.273137旋转压实25次上面层741.0875.933153中面层481.0855.091705下面层1391.0886.646824均值871.0875.893894旋转压实50次上面层501.0875.872866中面层321.0825.781775下面层771.0846.424038均值531.0846.022893

由表4可以看出：混合料不断压实的过程中，空隙面积、数量、等效直径等参数可以形象的刻画空隙结构特征及分布情况。两种成型方法下空隙数量、空隙面积和空隙分维数在不同面层呈现出不均匀性，从细观角度验证了试件内部空隙分布的不均匀性。试件的上面层与下面层空隙面积和空隙等效直径均大于中面层，与文献[10]中描述的空隙率呈现“两头大，中间小”相吻合。其中，旋转试件空隙结构变异性小，说明试件均匀性好，底部空隙面积明显增大，与文献[11]CT扫描图片分析的结果相一致。

两种成型方法下随着压实次数的增加空隙数量和空隙面积呈现递减趋势，与空隙率变化一致；空隙分维数随压实次数的增加而增大，可判断出，压实过程中空隙结构逐渐变得复杂。

对比马氏击实与旋转压实试件，马氏空隙结构表现出等效直径大、数量多、分维数大的特征；而旋转与之相反，呈现出等效直径小、数量少、分维数小的特点。旋转25次与马氏50次空隙率相近的情况下，路用性能差异很大，空隙微观结构也不尽相同。空隙分维数平均值分别为1.087和1.103。因而，空隙分维数等细观参数可以作为温拌沥青混合料空隙率的有效补充。

4结论

通过上述对温拌沥青混合料在不同成型方法和压实次数下宏细观指标的分析，可以得出如下结论：

① 旋转压实成型的压实功高于马歇尔成型，有利于促进集料在温拌沥青混合料内的运动。在相同击实次数下，温拌沥青混合料旋转压实成型比马氏击实成型表现出更好的可压实性；

② 对于室内温拌沥青混合料的成型，旋转压实的降温幅度要大于马氏击实；

③ 温拌沥青混合料空隙率和流值随压实次数的增加而减小，而稳定度和冻融劈裂强度比不断增强，因此在合理空隙率范围内可以通过提高压实度来改善沥青混合料的路用性能；

④ 评价混合料的压实特性可以从宏观和细观角度。空隙结构的细观表征是对混合料宏观指标的有效补充。

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Macroscopic and Mesoscopic Comparative Study of Warm Mix Asphalt

HU Bangyan1， YU Jiang1， LI Lingping1，SONG Qingqing2

(1.School of Construction Engineering， Xinjiang University， Urumchi， Xinjiang 830047， China；2.Tongji University， Laboratory of Road and Traffic Engineering， Ministry of Education， Shanghai 201804， China)

[Abstract]The article embarks from the macroscopic and mesoscopic level compares and analyzes that under the gyratory compaction and Marshall compaction，warm mix asphalt’s macroscopic and mesoscopic indicators change with compaction time and explores the compaction characteristic of warm mix asphalt.The results show that under the gyratory compaction and Marshall compaction，the macroscopic and mesoscopic indicators are basically the same with the change of compaction time，gyratory compaction molding can reflect better compactibility.With the increase of compaction times，Void fraction gradually diminished，Void area and Void equivalent diameter also decrease，while Void fractal dimension increases.Void structure can be well characterized by mesoscopic indicators like Void fractal dimension value，it is an Effective complement to Void fraction of warm mix asphalt.

[Key words]warm mix asphalt mixture； compaction characteristic； macro mesoscopic； molding method

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0024-04

[作者简介]胡帮艳(1989-)，女，重庆人，硕士研究生，研究方向为道路工程材料。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51168044)

[收稿日期]2014-11-04