基于体积参数与路用性能的沥青混合料成型温度研究

冯振刚，焦晓来，王书娟，张 健，姚冬冬

(1. 长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064； 2. 吉林省交通科学研究所， 吉林 长春 130012； 3. 合肥市规划设计研究院， 安徽 合肥 230041)

0 引 言

沥青混合料是一种温度敏感性材料，其各项体积参数和路用性能受温度影响较大[1-2]。沥青混合料成型温度过高，不仅会加速沥青在施工过程中的老化，影响沥青与集料之间的黏附性，造成路面病害，也会造成能源的浪费，排放过多的有害气体污染环境；如沥青混合料成型温度过低，会导致沥青黏度增加，流动性减小，不利于沥青混合料的碾压密实，使沥青路面出现承载能力过低等问题[3-4]。通过控制沥青混合料的体积参数或路用性能来调整其成型温度，可以保证沥青混合料的质量，已有学者对于沥青混合料体积参数或路用性能与成型温度间的关系进行了研究[5-6]。然而，由于沥青混合料组成的复杂性和种类的多样性，成型温度对不同类型沥青混合料体积参数及路用性能的影响不尽相同。针对不同类型的沥青混合料，分别开展基于体积参数与路用性能综合评价的沥青混合料成型温度研究，对于更好地指导不同种类沥青混合料施工温度控制，保证沥青路面施工质量具有重要意义。

笔者通过马歇尔试验对SMA-13沥青混合料(后简称SMA-13)和AC-20沥青混合料(后简称AC-20)进行了配合比设计，在5个不同温度(130、140、150、160和170 ℃)下成型了2种沥青混合料的马歇尔试件及车辙试件，分别研究成型温度对2种沥青混合料不同体积参数(毛体积密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度)和路用性能(高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性)的影响，基于沥青混合料体积参数与路用性能的评价，分别提出AC-20和SMA-13的适宜成型温度。

1 原材料

1.1 AC-20所用原材料

采用中国石油辽河石化分公司生产的SBS改性沥青(SBS掺量为4%)，技术指标如表1，其技术指标均满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[7]的要求。

表1 SBS改性沥青(4%)的技术指标

粗集料和细集料采用铁岭市实信采石有限公司生产的安山岩，技术指标分别见表2和表3，其技术指标均满足规范要求[7]。

表2 AC-20用粗集料技术指标

表3 AC-20用细集料技术指标

采用梨树县白云灰有限公司生产的矿粉，技术指标如表4，其技术指标均满足规范要求[7]。

表4 AC-20用矿粉技术指标

1.2 SMA-13所用原材料

采用中国石油辽河石化分公司生产的SBS改性沥青(SBS掺量为5%)，技术指标如表5，其技术指标均满足规范要求[7]。

表5 SBS改性沥青(5%)的技术指标

粗、细集料采用小哈拉巴山石场生产的玄武岩，技术指标如表6。

表6 SMA-13用粗、细集料技术指标

沥青混合料SMA-13所用矿粉与1.1节相同如表4。

纤维采用黑龙江省中信路桥材料有限公司生产的木质素纤维，技术指标见表7，技术指标均满足规范要求[7]。

表7 SMA-13用纤维技术指标

2 沥青混合料配合比

2.1 AC-20配合比设计

根据规范[7]要求，对AC-20的矿料组成进行了设计，级配曲线如图1，最佳油石比为4.6%。

图1 AC-20合成级配曲线

2.2 SMA-13配合比设计

根据规范[7]要求，对SMA-13的矿料组成进行了设计，级配曲线如图2，最佳油石比为6.3%。

图2 SMA-13合成级配曲线

3 沥青混合料试件成型与性能测试

3.1 拌 和

3.1.1 AC-20沥青混合料

将提前加热好的粗细集料(175 ℃加热4 h)和沥青(130 ℃加热2 h)加入拌和锅内，在170 ℃的条件下搅拌90 s，然后再往拌和锅内加入热矿粉(175 ℃加热4 h)搅拌90 s，制得AC-20沥青混合料。

3.1.2 SMA-13沥青混合料

将提前加热好的粗细集料(175 ℃加热4 h)、沥青(130 ℃加热2 h)加入拌和锅内，然后加入纤维并在170 ℃的条件下搅拌90 s，最后往拌和锅内加入热矿粉(175 ℃加热4 h)搅拌90 s，制得SMA-13沥青混合料。

3.2 试件成型

采用标准马歇尔击实仪分别在5个温度(130、140、150、160和170 ℃)下成型马歇尔试件，AC-20马歇尔试件在每个成型温度下双面击实75次，SMA-13马歇尔试件在每个成型温度下双面击实50次。

采用轮碾成型仪分别在5个不同温度(130、140、150、160和170 ℃)下轮碾成型车辙试件，每个试件轮碾28次。

3.3 沥青混合料体积参数与路用性能测试

依据JTG E20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》[8]，利用计算法得到2种沥青混合料的最大理论密度，其中AC-20的最大理论密度为2.59 g/cm3，SMA-13的最大理论密度是2.69 g/cm3。采用表干法测试2种沥青混合料的毛体积密度，并通过计算得到空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度等体积参数[9]。

依据规范[8]，通过车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，采用小梁弯曲试验测试沥青混合料的低温抗裂性，通过浸水马歇尔试验评价沥青混合料的水稳定性。

4 实验结果与讨论

4.1 成型温度对沥青混合料体积参数的影响

4.1.1 毛体积密度

2种沥青混合料毛体积密度与成型温度的关系如图3。

图3 沥青混合料毛体积密度与成型温度的关系

由图3可知：

1)2种沥青混合料的毛体积密度均随成型温度的升高而逐渐增大，其原因在于沥青的黏度受温度影响较大，当沥青混合料成型温度不断升高时，沥青的黏度不断降低，流动性增大，沥青在混合料碾压成型过程中，充当“润滑”作用，有利于沥青与集料之间相互移动而形成密实的结构，毛体积密度增大[10]。

2)当成型温度高于某一值时，2种沥青混合料毛体积密度的增加速度会随着成型温度的进一步升高而逐渐变缓，这是因为当成型温度升高时，沥青的“润滑”作用充分发挥，在矿料级配的影响下，沥青混合料的毛体积密度趋于稳定。

3)2种沥青混合料相比，SMA-13的毛体积密度在不同成型温度下均大于AC-20，这与2种沥青混合料的结构和组成有关。SMA-13为骨架密实结构，级配偏细，沥青含量较高(6.3%)，而AC-20为悬浮密实结构，级配相比较粗，沥青含量相对较低(4.6%)，因此SMA-13的结构更为密实，毛体积密度较大。

4.1.2 空隙率

2种不同沥青混合料空隙率(VV)与成型温度的关系如图4。

图4 沥青混合料空隙率与成型温度的关系

由图4可知：

1)沥青混合料AC-20和SMA-13的空隙率随成型温度的升高逐渐降低。当成型温度较低时，2种沥青混合料空隙率随温度升高而降低的速度较快。当AC-20的成型温度高于160 ℃，SMA-13的成型温度高于150 ℃时，空隙率的减小速度开始变缓。这主要与沥青混合料的毛体积密度随成型温度的变化关系有关，由空隙率的计算公式可知，沥青混合料的空隙率大小与毛体积密度和理论最大密度的比值呈负相关，而不同成型温度下的同一种沥青混合料的组成材料相同，故同一种沥青混合料理论最大密度一定。由4.1.1节可知，随成型温度升高，沥青混合料毛体积密度增大，且其增长速率逐渐变缓，因此沥青混合料的空隙率逐渐降低，且其降低的速率逐渐变缓。

2)在同一成型温度下，AC-20的空隙率都大于SMA-13，这取决于2种沥青混合料的结构和组成特点。SMA-13的矿料级配较细，沥青含量较高(6.3%)，AC-20的矿料级配相比较粗，沥青含量较低(4.6%)；与AC-20相比，有更多的沥青填充于SMA-13的矿料间隙中，SMA-13的空隙率在不同成型温度下均小于AC-20。

4.1.3 矿料间隙率

矿料间隙率(VMA)是指压实沥青混合料试件中，矿料外的体积占试件总体积的百分率，其能在一定程度上表征沥青混合料压实的效果。2种沥青混合料矿料间隙率与成型温度的关系如图5。

图5 沥青混合料矿料间隙率与成型温度的关系

由图5可知：

1)2种沥青混合料的矿料间隙率均随成型温度的升高呈现降低的趋势，且当AC-20的成型温度高于160 ℃，SMA-13的成型温度高于150 ℃时，矿料间隙率的减小速度开始变缓。这是由于成型温度越高，沥青的黏度越小，润滑作用越明显，矿料的堆积越紧密，矿料间隙率越小。

2)在相同成型温度下，SMA-13的矿料间隙率均大于AC-20的矿料间隙率。沥青混合料矿料间隙率的大小等于空隙率(VV)和沥青体积百分率(VA)之和，虽然SMA-13的空隙率小于AC-20，但是由于SMA-13中的沥青含量较高，其沥青体积百分率较大，在二者的综合作用下使得SMA-13的矿料间隙率大于AC-20。

4.1.4 沥青饱和度

沥青饱和度(VFA)指压实沥青混合料试件中，沥青实体体积占矿料骨架实体以外的空间体积的百分率，它能间接表征沥青混合料压实效果。2种沥青混合料沥青饱和度与成型温度的关系如图6。

图6 沥青混合料沥青饱和度与成型温度的关系

由图6可知：

1)2种沥青混合料的沥青饱和度随着成型温度的升高而逐渐增大，其原因是随着成型温度的升高，沥青的黏度降低，有利于沥青与集料相互移动形成密实的结构，矿料间隙率变小，沥青饱和度增大[11]。

2)在相同的成型温度下，SMA-13的VFA值均大于AC-20，这是因为SMA-13中沥青含量较高，填充于矿料间隙中的沥青含量相对也较多。

4.2 成型温度对沥青混合料路用性能的影响

4.2.1 高温稳定性

对2种沥青混合料进行车辙试验，其动稳定度与成型温度之间的关系如图7。

图7 沥青混合料动稳定度与成型温度的关系

由图7可知：

1)2种沥青混合料的动稳定度都随着成型温度的升高而不断增大，其主要原因是随着成型温度的升高，沥青混合料的空隙率和矿料间隙率不断减小，沥青饱和度不断增加，沥青混合料更加密实，二次压密变形减小；同时沥青混合料在压实过程中，粗骨料之间的间距不断减小，沥青混合料抵抗外界变形能力不断增加，高温稳定性不断提高[12]。

2)在相同成型温度下SMA-13的动稳定度均大于AC-20。这是由于SMA-13为骨架密实型结构，粗集料、矿粉和沥青含量均较高，黏聚力和内摩擦角较大；AC-20为悬浮密实型结构，粗集料较少、细集料较多，黏聚力大而内摩擦角小，在高温条件下SMA-13的高温抗车辙性能优于AC-20。

4.2.2 低温抗裂性

对2种沥青混合料进行低温小梁弯曲试验，以最大弯拉应变来评价沥青混合料的低温抗裂性，最大弯拉应变越大，沥青混合料低温抗裂性能越好。2种沥青混合料最大弯拉应变与成型温度之间的关系如图8。

图8 沥青混合料最大弯拉应变与成型温度的关系

由图8可知：

1)2种沥青混合料的最大弯拉应变随着成型温度的升高呈现先增大后减小的趋势，AC-20在160 ℃时最大弯拉应变达到最大值6 997 με，SMA-13在150 ℃时最大弯拉应变达到最大值11 500 με。这表明沥青混合料的低温抗裂性随着成型温度的升高逐渐改善。当成型温度高于某一值后其低温抗裂性随着成型温度升高又逐渐下降。这是因为随着成型温度的升高，沥青的黏度降低易于流动，沥青混合料碾压成型之后结构更加密实，抵抗温度应力变形的能力也会增加，低温抗裂性有所改善；随着成型温度的进一步升高，高温加速了沥青在拌和、成型过程中的老化，沥青性能开始下降，沥青与集料之间的黏附性也有所降低，在低温下更容易发生开裂破坏，因此沥青混合料的低温抗裂性有所降低。

3)在相同成型温度下，SMA-13的低温抗裂性优于AC-20，这是因为SMA-13的沥青含量较高，空隙率较小，沥青混合料整体结构密实，沥青混合料的细微裂缝在受荷载应力和温度应力作用不断扩展的时候，需要更大的作用力来克服骨料和沥青胶结料界面形成的黏结力，同时SMA-13中的纤维对混合料的低温抗裂性能也具有提高作用[13-14]。

4.2.3 水稳定性

对2种沥青混合料进行浸水马歇尔试验，以残留稳定度评价其水稳定性，残留稳定度越大，沥青混合料的水稳定性越好。沥青混合料残留稳定度与成型温度的关系如图9。

图9 沥青混合料残留稳定度与成型温度的关系

由图9可知：

1)2种沥青混合料的残留稳定度随着成型温度的升高均先增大后减小，即沥青混合料的水稳定性随着成型温度的升高先改善后劣化，这是因为当沥青混合料成型温度较低时，其密实度不足，空隙率较大，自由水容易进入沥青混合料内部，使沥青从集料上剥落，水稳定性较差；随着成型温度的升高，沥青的黏度下降，沥青混合料易于密实成型，空隙率减小，阻隔了自由水进入沥青混合料的内部，沥青混合料的水稳定性随着成型温度的升高而有所改善；随着成型温度的继续升高，沥青老化严重，大大降低了沥青与集料之间的黏附性，水分更容易进入沥青与集料的界面，造成沥青从集料表面剥落，引起水损害，水稳定性明显下降[4]。

2)AC-20在140 ℃时残留稳定度达到最大值91.9%，SMA-13在150 ℃时残留稳定度达到最大值94.7%。

4.3 小 结

综合2种沥青混合料体积参数随成型温度的变化规律可知，沥青混合料的各项体积参数随着成型温度的升高会逐渐趋于稳定，即通过升高成型温度并不能无限地降低沥青混合料的空隙率和矿料间隙率，或提高沥青混合料的毛体积密度和沥青饱和度。综合沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性随成型温度的变化规律可知，适度升高成型温度有利于改善沥青混合料的路用性能，而成型温度过高(AC-20超过140 ℃左右，SMA-13超过150 ℃左右)会导致沥青混合料的部分路用性能(如水稳定性)下降。因此，综合成型温度对混合料体积参数和路用性能的影响，推荐AC-20的成型温度不宜高于140 ℃，SMA-13的成型温度不宜高于150 ℃。

5 结 论

笔者通过马歇尔试验对2种沥青混合料(AC-20和SMA-13)进行配合比设计，在5个不同温度(130、140、150、160和170 ℃)下成型了2种沥青混合料的马歇尔试件及车辙试件，分别研究了成型温度对2种沥青混合料不同体积参数和路用性能的影响以及AC-20沥青混合料和SMA-13沥青混合料的适宜成型温度。研究得到以下主要结论：

1)随着成型温度的升高，沥青混合料的空隙率和矿料间隙率不断减小，而毛体积密度和沥青饱和度不断增大，各项体积参数随着成型温度的升高均会逐渐趋于稳定。

2)随着成型温度的升高，沥青混合料的高温稳定性逐渐增强，而低温抗裂性和水稳定性先升高后降低。

3)综合沥青混合料体积参数及路用性能随成型温度的变化规律，推荐AC-20的成型温度不宜高于140 ℃，SMA-13的成型温度不宜高于150 ℃。