温拌无纤维SMA混合料压实特性研究

肖庆一，孙博伟，王玉宝

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

0 引 言

路面工程中常用的热拌沥青混合料HMA将沥青和矿料于160～180 ℃的高温下进行拌和，高温条件会消耗大量的能源，在摊铺过程中会排二氧化碳，二氧化硫等有害气体，形成了不良的作业环境[1]。温拌沥青混合料WMA，它能在降低10～50 ℃条件下进行拌和与施工[2-3]，具有降低能耗，减少碳排放等优点，同时又能保证较好的压实特性。SMA混合料作为一种性能优良的道路建筑材料，具有很好的的低温抗裂性、高温稳定性、耐久性、以及优良的表面特征，在我国路面建设中被广泛使用。一般SMA混合料均需加入少量纤维稳定剂用以提高混合料的性能，但是纤维的加入会造成一定的弊端，纤维多具有孔洞，易吸水腐烂，耐热耐磨性差[4]。此外纤维具有较大吸油性，吸附大量沥青以及加筋作用，影响施工和易性，若拌合不均会导致泛油等危害。针对以上问题，笔者引用一种以aspha-min温拌剂代替纤维稳定剂的新型温拌无纤维SMA混合料作为研究对象。

混合料在施工碾压和使用中各项体积参数变化和稳定性称之为压实特性，它反映了混合料碾压的难易程度[5]。在施工阶段，机械设备反复揉搓碾压，混合料进一步压密，空隙率减小，具有良好压实特性的混合料更易于压实，体积参数也满足规范。旋转压实仪对试件采用揉搓碾压成型方法取代了马歇尔击实的方法，更接近实际过程。笔者将借助旋转压实仪，通过测定压实能量指数CEI、交通密度指数TDI以及密实度斜率k来评价温拌无纤维SMA的压实特性[6-8]。

1 沥青混合料旋转压实密实曲线及其评价指标

旋转压实过程中，旋转压实仪可输出试件高度随压实次数变化的曲线图，根据此曲线图算出每一压实次数下对应的密实度比，得到旋转压实密实曲线。旋转压实密实曲线反映的是试件的密实度比(压实密度与最大理论密度的比值) 随压实次数的变化情况[9]。由于旋转压实密实曲线反映出压实过程中密实度的变化情况，并且与沥青混合料的可压实性有很好的相关性，因此可利用旋转压实密实曲线(以下简称为压实曲线)分析沥青混合料的可压实性，图1为沥青混合料的旋转压实密实曲线图。

图1 旋转压实密实曲线Fig. 1 Rotating compaction densification curve

1.1 压实能量指数CEI

压实能量指数是指将混合料压实到一定程度时摊铺机和压路机所做的功。通常要求路面竣工时的密实度比达到93%，由Nini(压实次数为8次)至密实度比93%之间的压实曲线反映了混合料在碾压过程中的压实特性。如图2阴影所示，将此段压实曲线所围成的面积表示为压实能量指数CEI，通常对拟合回归的压实曲线上的Nini和Ndes(密实度为93%时的压实次数)所围成的区域进行积分得到压实能量指数CEI，该值越大，表明压实混合料需要做越多的功。

1.2 交通密实指数TDI

交通密实指数是指在道路开放交通后，车辆反复荷载作用下，混合料进一步压密，达到极限密实状态下所做的功。表示为由密实度比93%到密实度比96%范围内的压实曲线面积，如图2阴影部分所示。其大小可以由拟合回归曲线上Ndes至Nmax(密实度为96%时的压实次数)所围成的区域进行积分得到。TDI越大，则表示为开放交通后，路面的抗车辙，抗变形能力越好。

图2 能量指数Fig. 2 Energy index

1.3 Nini和Ndes在半对数坐标上的密实度斜率k

密实度斜率是评估混合料压实特性的一个重要指标，通常认为压实曲线平均斜率代表了在此范围内混合料的可压实性。混合料的压实曲线可以拟合为一个指数曲线，方程表示为

γ=aNb

(1)

式中：a、b均为回归参数。对方程求导，就可以得到曲线上任意一个点的斜率，反映相应压实次数下的压实速率大小。若是采用半对数坐标，则Nini和Ndes之间压实曲线基本上呈一直线，SHRP采用了更加简化的方法来表示Nini和Ndes之间的平均斜率：

(2)

k值越大(斜率越大，曲线越陡)，则压实速率越大，混合料越容易压实。相反，k值越小(斜率越小，曲线越平缓)，则说明混合料在压密过程中的内摩阻力越大，不易压实。在混合料尚未达到要求的密实度比时，k值越大越好。

2 实验研究方案

笔者使用的设备是意大利CONTROLS ICT旋转压实仪。实验时，将预热后的混合料倒入模具并放入控制室内，设定旋转角为1.25°，对试件加以600 kPa的竖直加载压力，以30 r/min的速率旋转。试件在竖向压力和水平剪力的作用下，压密形成骨架结构，从而模拟荷载对道路的压实作用。笔者对相同配比(SMA-13)和沥青用量(5.5%)条件下普通热拌SMA混合料(有纤维，不加温拌剂)和温拌无纤维SMA混合料(无纤维，加入温拌剂)进行旋转压实试验，SBS改性沥青作为结合料(各项指标如表1)，所用级配各档集料的筛分通过率如表2。之后对温拌无纤维SMA在不同温度和油石比条件下进行试验，根据计算得到的密实度比，绘制压实曲线，计算CEI,TDI和k值并分析。

表1 SBS改性沥青技术指标Table 1 SBS modified asphalt technical index

表2 试验用级配各档集料的筛分通过率Table 2 Screening pass rate of the tested gradation of aggregates

3 实验结果及分析

3.1 不同类型混合料的旋转压实特性分析

分别用温拌无纤维SMA、普通热拌有纤维SMA制备的混合料进行旋转压实试验，根据压实过程中试件高度随压实次数的变化情况，计算得到任意压实次数的试件压实度比，绘制如图3所示的两种混合料的旋转压实密实曲线。

图3 两种混合料旋转压实密实曲线Fig. 3 Rotating compaction densification curves of two kinds of mixtures

将压实曲线以式(1)的形式拟合成幂函数曲线，其中a,b为回归参数，对这两类混合料的压实曲线进行拟合。对拟合曲线进行积分计算压实能量指数CEI与交通密实指数TDI并绘制成柱状图4，计算结果如表3。

图4 两种混合料的CEI和TDIFig. 4 CEI and TDI of two kinds of mixtures

混合料类型ab温拌无纤维SMA混合料79．0490．043普通热拌SMA混合料79．9290．041

由图4看出，温拌无纤维SMA的CEI和TDI相比于普通热拌SMA混合料，差值均在4%以内，总体来说差别并不显著，而温拌无纤维SMA混合料在经济和环境影响方面更胜一筹。

笔者主要分析沥青混合料在施工过程中的压实特性，因此对Nini和Ndes之间的压实曲线的横坐标采用半对数坐标，得到图5所示曲线，近似为一条直线。

图5 两种混合料在半对数坐标Nini和Ndes之间的压实曲线Fig. 5 Compaction curves of two kinds of mixtures insemi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

利用公式(2)计算半对数坐标下的平均斜率k，计算结果如表4。

表4 两种混合料中Nini和Ndes之间半对数坐标下的平均斜率kTable 4 The average slope k of two kinds of in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes

由结果看出：相比普通热拌SMA试件的成型温度降低30 ℃，CEI、TDI和平均斜率k几乎相同，表明两者均具有较好的压实性能。

3.2 成型温度对温拌无纤维SMA旋转压实特性的影响

对温拌无纤维SMA混合料分别在120、140、160 ℃温度下进行压实试验，计算并绘制出3种不同温度下温拌无纤维SMA的旋转压实密实曲线如图6。

图6 不同温度条件下温拌无纤维SMA的旋转压实密实曲线Fig. 6 Rotational compaction densification curves of mixtureswarm mixed non-fiber SMA at different temperatures

将图6中3个不同温度条件下的压实曲线以公式(1)形式拟合成幂函数曲线，拟合结果见表5。

表5 不同温度条件下混合料压实曲线拟合后的回归参数Table 5 Regression parameters after fitting the compaction curves ofmixtures at different temperatures

对拟合得到回归曲线进行积分，求得压实过程中的CEI和TDI，计算结果用直方图7。

图7 不同温度下混合料的CEI和TDIFig. 7 CEI and TDI of mixtures at different temperatures

对Nini和Ndex之间的压实曲线横坐标采用半对数坐标形式，近似为1条直线，如图8。

图8 不同温度条件下混合料在半对数坐标Nini和Ndes之间的压实曲线Fig. 8 Compaction curves of mixtures in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes at different temperatures

用式(2)计算得到半对数坐标下的平均斜率k，对不同温度下的混合料平均斜率k进行对比，见表6。

表6 不同温度下混合料在Nini和Ndes之间半对数坐标下的平均斜率kTable 6 The average slope k of mixtures in semi-logarithmiccoordinates between Nini and Ndes at different temperatures

通过试验可知：成型温度升高，压实能量指数CEI和交通密实指数TDI明显降低，而且旋转压实曲线斜率k显著增大，说明温度对温拌无纤维SMA混合料的压实特性有着很大的影响，当温度以恒定间隔(20 ℃)提高时，混合料的压实能量指数CEI与交通密实指数TDI减小约为原来温度的1/2，另一方面，通过实验发现当温度超过140 ℃之后，压实速率不再大幅度增加，而是相对趋于平衡。

3.3 油石比对温拌无纤维SMA旋转压实特性的影响

沥青结合料在SMA中主要是起到了润滑的作用，为了定量的研究在不同沥青用量条件下温拌无纤维SMA旋转压实特性，在试验中采用3组不同的油石比作为观察，分别为5.2%、5.5%、5.8%，在其余条件相同的情况下进行试验作对比，根据试验结果绘制压实曲线，如图9。

图9 不同油石比条件下温拌无纤维SMA的压实曲线Fig. 9 Compaction curve of warm mixed non-fiber SMA withdifferent bitumen aggregate ratio

将图9中不同油石比下的压实曲线以公式(1)形式拟合成幂函数曲线，拟合结果见表7。

表7 不同油石比条件下混合料密实曲线拟合后的回归参数Table 7 Regression parameters after fitting the densification curves ofmixtures with different bitumen aggregate ratio

对回归曲线积分求得CEI和TDI(图10)，半对数坐标系下压实曲线如图11。

图10 不同油石比下混合料的CEI与TDIFig. 10 CEI and TDI of mixtures with different bitumen aggregate ratio

图11 不同油石比的混合料在半对数坐标Nini 和Ndes之间的压实曲线Fig. 11 Compaction curves of mixtures with different bitumenaggregate ratio in semi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

利用公式(2)计算不同油石比下的平均斜率k，结果如表8。

表8 不同油石比的混合料在Nini和Ndes之间半对数坐标下的平均斜率kTable 8 The average slope k of mixtures with different bitumenaggregate ratio in semi-logarithmic coordinates between Nini and Ndes

可以看出，随着油石比的增大，温拌无纤维SMA混合料的CEI逐渐减小，斜率k逐渐变大，说明温拌无纤维SMA被压实的速率越来越大，这就表明在施工过程中混合料和易性更优。与此同时TDI数值降低也就意味着在开放交通后，路面的抗车辙能力相应的减弱。这是由于沥青与细集料一起形成沥青玛蹄脂在混合料中有着润滑的效果，沥青的不断增加，沥青玛蹄脂也逐渐变多，且润滑性越强，从而更容易压实。

4 结 论

利用旋转压实仪对普通热拌SMA和无纤维温拌SMA进行旋转压实试验，通过不断记录压实过程中试件高度变化，绘制出旋转压实密实曲线，通过压实能量指数CEI，交通密实指数TDI以及在半对数坐标上的平均斜率k来评价温拌无纤维SMA混合料的旋转压实特性，由试验表明：

1)通过对普通热拌SMA和温拌无纤维SMA旋转压实试验，发现温拌无纤维SMA相比于普通热拌SMA各指标相差无几，在降低30 ℃温度下，温拌无纤维SMA完全能够保证沥青路面有普通热拌SMA一样良好的压实效果。

2)在不同成型温度下对温拌无纤维SMA进行旋转压实试验可以看出，随着成型温度的升高，混合料的CEI和TDI均减小约50%，而Nini和Ndes之间的平均斜率k增加4.9和1.7。表明成型温度对混合料的压实特性有着显著影响，但当温度超过140 ℃后，对压实速率影响不再显著。

3)油石比的增加有助于提高温拌无纤维SMA的压实性能，当油石比达到5.8%时只有压实速率还在以近10%速率增长，CEI与TDI基本维持在恒定水平，综合考虑，当油石比增加到5.8%后压实能力基本稳定，油石比继续增加只会提高成本，严重时产生析漏，意义不大。

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