沥青玛蹄脂碎石混合料压实特性及相关高温性能试验研究

王红祥 陈 波 杨 杰 马 翔* 胡绪泉

(江苏现代路桥有限责任公司1) 南京 210049) (南京林业大学土木工程学院2) 南京 210037)

0 引 言

SMA沥青混合料作为一种优质的路面材料已经广泛应用于高速公路沥青路面的上面层，SMA沥青混合料所采用的间断、嵌挤的级配，以及优质的改性沥青为其优良的路用性能提供了基础，但也影响了其压实特性，提高了碾压成型过程中的压实难度.

针对沥青混合料的压实特性，余森开等[1]研究了级配、沥青混合料回收料、压实温度对再生沥青混合料压实特性的影响.延西利等[2]通过变化击实次数和击实温度对三种温拌沥青，两种热拌沥青制备的沥青混合料的压实特性进行了研究.南秋彩[3]研究了温拌剂掺量、集料棱角性和级配特征对沥青混合料4种压实特性参数的影响.雷勇等[4]采用旋转压实仪研究了拌和次序对热再生沥青混合料压实特性的影响.陈杰等[5]根据旋转压实曲线对比分析了油石比、压实方式，以及水泥替换矿粉对花岗岩沥青混合料压实性能的影响.张琛等[6]通过旋转压实仪和自行研制的和易性测试设备研究了不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料和易性与压实特性之间的相关性.纪小平[7]基于旋转压实仪(SGC)密实曲线的压实特性参数对比分析了热拌再生沥青混合料和温拌再生沥青混合料之间的压实特性.Dessouky等[8]通过旋转压实仪评价了沥青混合料内部结构对压实特性的影响.这些研究结论表明：沥青混合料压实的难易程度受原材料性质、材料组成、压实功和压实温度的影响，在沥青路面养护维修工况下，因为社会车辆的通行给沥青混合料的运输时间、摊铺温度等都带来了不利的影响，如运输时间的延长会增加沥青的老化程度、摊铺温度的降低会增加沥青黏度，这些因素会进一步影响沥青混合料的压实特性.因此，结合养护维修工况分析沥青混合料的压实特性很有必要.

江苏省某高速公路沥青路面养护维修工程中新铺的上面层材料采用SMA-13沥青混合料，而高温车辙病害是江苏省高速公路沥青路面养护维修的主因，养护工程中新铺的SMA-13沥青混合料的高温稳定性显得尤为重要.文中结合该沥青路面养护工程SMA-13沥青混合料实际应用工况研究其压实特性，评价不同压实状况下沥青混合料的高温性能，为提升这类沥青混合料在养护维修工程中的实际应用效果提出合理化建议.

1 研究方案

1.1 试验方案

1) 成型温度 模拟沥青混合料拌和楼的出料温度，将SBS改性沥青SMA-13沥青混合料室内拌和后的温度控制在170～180 ℃，然后将拌和好的沥青混合料分别置于100，115，130，145，160和175 ℃的烘箱中2 h后进行旋转压实成型，模拟施工过程中不同碾压温度的影响.

2) 存储时间 将拌制好的SMA-13沥青混合料，置于175 ℃的烘箱中分别保温2，4，6，8和10 h，模拟施工过程中在运输车中不同存储时间对沥青混合料性能的影响.

1.2 评价方法及指标

沥青混合料在旋转压实过程中，其密实度与旋转次数之间的关系可以反映沥青混合料的压实特性，在已有相关研究成果的基础上，选择SMA-13沥青混合料旋转压实成型所获取的密实曲线的密实度斜率K和能量指数CEI两个指标评价SMA-13沥青混合料的压实特性.

密实度斜率K、能量指数CEI的计算方法参考文献[8].其中，计算密实度斜率K时，旋转次数Nini=8次，Ndes=100次；压实能量指数CEI用初始压实次数Nini=8至密实度为94%的压实曲线下面积进行表征.

采用JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》附录F中沥青混合料单轴贯入强度试验方法评价SMA-13沥青混合料的高温性能.试验过程中将旋转压实成型的直径为150 mm的圆柱形试件置于60 ℃的环境箱中保温5 h后，采用多功能材料试验机以1 mm/min的速度通过直径42 mm×高50 mm的压头对试件进行加载，获取试件破坏时的极限荷载，基于极限荷载算得试件的贯入强度值.其计算式为

Rτ=fτσp

σp=P/A

式中：Rτ为贯入强度，MPa；σp为贯入应力，MPa；P为试件破坏时的极限荷载，N；A为压头横截面面积,mm2；fτ为贯入应力系数，参照规范，本研究取0.35.

2 原材料及混合料组成设计

2.1 原材料检测

集料为玄武岩，主要技术性能见表1.

表1 玄武岩集料技术性能

沥青为PG76-22的SBS改性沥青，为了充分考虑养护工程中沥青混合料在运输车中储存时间对其性能的影响，对不同老化时间后的沥青混合料进行性能测试，为了评价沥青混合料性能与沥青性能之间的相关，原材料检测阶段也对165 ℃旋转薄膜烘箱中老化不同时间的沥青进行了性能试验，结果见表2.

表2 SBS改性沥青技术性能

2.2 级配及最佳油石比

按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中的目标配合比设计方法对三种级配进行初试后，确定表3的级配作为SMA-13的目标级配.

表3 SMA-13设计级配

确定级配后采用马歇尔方法确定其最佳油石比，试件成型过程中添加集料质量0.3%的木质素纤维，其最佳油石比为6.1%，后续研究SMA-13沥青混合料试件的成型均采用该油石比.

3 试验结果分析与评价

3.1 压实特性

对不同工况下SMA-13沥青混合料的旋转压实密实曲线进行统计分析，得到其密实度斜率K和能量指数CEI的值.试验结果对比见图1.

图1 成型温度和存储时间对压实特性的影响

由图1a)可知：

1) 随着成型温度的提高SMA-13沥青混合料的密实度斜率增加、能量指数较小，提高成型温度使得SMA-13沥青混合料更容易压实.

2) 使用Sasobit添加剂后CEI变小，可见沥青混合料达到94%密实度所需要的压实功变小，更容易达到目标压实度，随着成型温度的提高，这种差别减小，添加剂的作用变小.

3) 使用添加剂可以缓解SMA-13沥青混合料压实特性的温度敏感性，利于较低温度条件下的压实.

由图1b)可知：

1) 随着存储时间的延长，沥青混合料达到94%压实度的压实功增加，4～6 h的增量尤为显著，为了避免因存储老化对沥青混合料产生较大的不利影响，应在出料后4 h左右完成摊铺.

2) 存储老化时间由2 h增加至4 h时，其压实度斜率显著减小，说明此期间沥青老化使得其粘度变化更加显著，从而对其压实特性的影响显著.

3) 使用Sasobit添加剂后，存储老化时间对压实功的影响明显减小，说明可以使用这种添加剂改善老化对沥青混合料压实度的不利影响.

3.2 压实度与高温性能的相关性

将不同成型温度和存储老化时间条件下的沥青混合料旋转压实100次得到试验试件，对试件进行压实度和贯入强度测试，试验结果分别见图2.

图2 不同成型温度和存储时间压实度与贯入强度

由图2a)可知：综合考虑提升温度对沥青混合料压实特性、高温性能有利影响和沥青老化的不利影响，本文所采用的SMA-13沥青混合料最佳成型温度为160 ℃，掺加Sasobit添加剂后其最佳成型温度可以降至130 ℃.

由图2b)可知：

1) 未使用Sasobit添加剂时，随着存储老化时间的延长，沥青混合料的压实度和贯入强度均降低逐步降低.

2) 使用Sasobit添加剂早期存储老化时间对压实度有显著的不利影响，但4 h后存储老化进一步的影响很小，Sasobit添加剂可以缓解老化对其压实度的不利影响；老化后Sasobit添加剂试件的贯入强度并未显著降低，甚至后期有所增加.

研究过程中通过不同旋转压实次数考虑成型沥青混合料成型过程中的压实功，进一步研究不同压实功条件下，沥青混合料的压实度及其高温性能，试验结果见图3.

图3 压实度与贯入强度的相关性

由图3可知：从高温性能的角度出发，SMA-13沥青混合料存在最合理有效的压实度值，本研究的沥青混合料对应在旋转压实105次时的96.5%.

4 结 论

1) 随着成型温度的增加，改性沥青SMA-13沥青混合料压实度增加，其高温贯入强度也增加，最佳成型温度为160 ℃，掺加Sasobit添加剂后其最佳成型温度可以降至130 ℃.

2) 施工过程中的储存时间对SMA-13沥青混合料压实特性有不利的影响，储存不宜超过4 h，可以采用掺加Sasobit添加剂的措施缓解存储老化对其压实度的不利影响.

3) 综合考虑提高压实度对高温性能有利作用和施工时的压实效率，SMA-13沥青混合料存在最合理有效的压实度标准，本研究的合理值标准为96.5%，当原材料和级配调整时合理标准值会有差异.