用于路面修复的热拌沥青混合料性能评估

摘要：将热拌沥青（WMA）用于路面的修复可实现施工后交通的快速开放，然而目前在公路使用WMA明显缺乏与性能相关的试验室和现场数据。为了填补这一空白，文章对中、粗、细三种不同级配的WMA混合料（分别为WMA M、WMA B、WMA A）进行了车辙试验、水下车辙试验、磨损试验、静态弯曲和疲劳弯曲试验，并与常规的热拌沥青（HMA）混合料进行了比较。结果表明：WMA M的疲劳性能最好，其次是WMA B和WMA A；生产温度（比正常温度低50 ℃）对WMA的抗热裂性能影响不大；WMA B在高温下具有优越的抗磨损性能；在低于正常温度30 ℃的温度下生产的粗级配混合料WMA B表现出与热拌沥青（HMA）相当的性能，因此适合用于高速公路路面修复。

关键词：高速公路；热拌沥青混合料；修复；车辙试验；疲劳弯曲试验

中图分类号：U416.217" " " " " 文献标识码：A" " " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.019

文章编号：1673-4874（2024）11-0059-03

0引言

热拌沥青（HMA）是铺设沥青路面最常用的材料［1］，从手工混合和用耙子、铲子手工铺设到计算机混合、高度自动化铺设和压实，HMA路面的生产和铺设经历了130多年的发展。长期以来，沥青行业一直在探索技术改进，最新的创新之一是在近年推出的热拌沥青（WMA），其可以在更低的温度下生产和铺设而不降低路面质量［2］。

热拌沥青混合料是一种绿色、节能、环保的新型路面材料［3］，其起源于欧洲，旨在减少温室气体排放，随着人们保护环境意识的增强和能源成本的上升，逐渐在世界范围内受到欢迎。到目前为止，许多国家已经提出了很多工艺来降低混合和压实温度并对WMA进行了大量的研究［4］。WMA的优点如下：（1）降低工厂气体排放，保护环境；（2）降低能源消耗，节约成本；（3）提高可操作性和压实效率；（4）由于减少了冷却时间，可以快速开放交通［5］。

从经济角度来看，道路不能长时间关闭，通常只有在运营后几小时之内才能安排进行修复工作，而较低的生产温度和压实温度使WMA在通车前花费的硬化时间少于HMA，这使得WMA成为路面修复的较好选择。日本近年来也开发了几种WMA工艺，但主要用于道路领域，对高速公路应用WMA的研究还很少。因此，需要对WMA在路面修复中的应用进行全面的研究。

1研究目标与方法

本研究的主要目的是通过一系列的室内试验，包括车辙试验、水下车辙试验、磨损试验、静态弯曲试验和疲劳弯曲试验，来评估WMA混合料的工程性能，旨在为高速公路路面修复工程中应用WMA提供试验依据。

本研究主要研究最大集料粒径（MAPS）为20 mm的面层HMA混合料，试验了三种不同骨料级配的WMA混合料，并与常用的中级配HMA混合料进行比较。为了追求成本效益，使用一种低成本的商业外加剂生产WMA，且根据过去的经验，WMA混合料通常是在比正常的HMA生产温度低30 ℃和50 ℃这两种温度下生产的。

2试验程序

2.1材料

以公路常用的碎砂石和人工砂分别作为粗骨料和细骨料，并且选用了一种以石灰石为原料的矿物填料，所用的聚合物改性沥青粘合剂性能见表1。根据测试的黏度-温度关系，确定了适当的拌和温度和压实温度分别为173 ℃和163 ℃。

试验所用WMA是由一种日本公司制造的化学添加剂（一种合成蜡）生产的，其基本性质列于表2中。该添加剂可以降低沥青粘结剂的黏度，使沥青混合料能够在较低温度下拌和，且拌和出的沥青混合料性能均能达到常规热拌沥青混合料的技术指标［6］，在生产过程中，以固体小颗粒的形式直接加入骨料混合料中，然后熔化并与沥青粘合剂一起均匀地包裹在骨料周围，起粘合作用。

2.2混合料设计

混合料的设计遵循一般的马歇尔程序（ASTM D1599），由标准马歇尔锤每侧击打75下，选取如图1所示的3个连续集料级配设计WMA，即指定范围内的中级配、粗级配和细级配，分别用简单符号M、B、A表示。此外，还将该高速公路通常使用的中级配HMA混合料作为对照混合料进行了测试。

2.3试验方法

采用车辙试验（WTT）测定混合料在高温下的抗变形性能。橡胶面轮胎以42次/min的速度在（300×300×50） mm3的试件上来回移动。用滚动压实机将试样压实，然后在恒定温度60 ℃的环境中放置至少6 h，以达到温度平衡。本试验在60 ℃下进行1 h，以最终垂直变形量作为抗车辙性能的指标。

在试验中，将试件放置于水深为1 cm、温度为60 ℃的试验轨道中，反复移动轮胎加载，压力为1.38 MPa。1 000次后终止试验，用式（1）计算剥离比用于表示混合料的耐水性，是剥离面积除以四个边的横截面面积的平均值，如图2所示。

SR=（A1/S+A2/S+B1/S+B2/S）/4（1）

式中：SR——剥离比（%）；

A1、A2——沿移动方向两侧的剥离面积；

B1、B2——两侧垂直于移动方向剥离面积；

S——横截面面积。

通过四点弯曲疲劳弯曲试验来评价混合料的疲劳性能。在本研究中，试验采用400 με的应变水平进行应变控制，输入应变为波形正弦形，频率为10 Hz。所用样品的标准尺寸为长300 mm、宽40 mm、高40 mm。该试验在20 ℃的温度下进行。疲劳破坏定义为如图3所示的应力-失效循环曲线（log）中的失效点，在此条件下，假设使用温度为20 ℃，认为疲劳开裂遵循自底向上的粘接失效模式。

图3典型的应力-疲劳循环曲线图在-10 ℃的温度条件下，对尺寸为（300×100×50）mm3、两端支撑的矩形试件施加变形速率为10 mm/min的中点荷载，进行简单三点弯曲试验，以失效应变作为检测混合料抗热开裂的指标，由式（2）计算得出：

ε=6×h×d/l2（2）

式中：ε——失效时的应变（10-6）；

h——样品高度（mm）；

l——样品长度（mm）；

d——样品最大的挠度（mm）。

采用转向轮辙试验（RT）模拟交通转弯、停车转向、加减速情况下混合料的变化。高速公路的起伏是影响交通运行安全的重要因素，在本次测试中，实心轮胎以10.5 rpm的速度绕半径为10 cm的圆运动，在试样表面施加扭曲造成磨损。采用了与车辙试验相同的样品，试验在60 ℃的温度下进行，并以试样的重量损失作为评价抗剥落的指标。

3测试结果与讨论

按照上述方法进行了与性能相关的测试，对于每个试验制备3个样本，并使用结果的平均值进行分析。在本文的以下部分，将A、M和B级配的WMA混合料分别命名为WMA A、WMA M和WMA B。

3.1抗疲劳开裂能力-反复四点弯曲试验

疲劳弯曲试验的试验结果见表3。由表3可知，与对照混合料相比，生产温度降低30 ℃导致WMA失效循环次数略有减少，其中WMA M的疲劳性能最好，其次是WMA B和WMA A。在生产温度＜50 ℃的情况下，WMA A、WMA M和WMA B的疲劳寿命分别比WMA的降低了33.3%、27.0%和31.4%。总的来说，在＜30 ℃时生产的WMA A、WMA M和WMA B疲劳试验结果略低于对照组HMA混合料是可以接受的。

3.2耐热裂性-静态三点弯曲试验

如图4所示，显示了三点弯曲试验的失效应变结果。一般来说，失效时的拉伸应变越大，混合料对热开裂的敏感性越小。可以观察到WMA B在破坏时的应变比HMA略高，WMA A和WMA M在低于正常拌和温度30 ℃时也有类似的结果。将拌和温度降低到123 ℃，各WMA失效时的应变比对照混合料稍低。这些结果表明，生产温度（比正常温度低50 ℃）对WMA的抗热裂性能影响不大，对于每个级配，在生产温度低于正常温度30 ℃或50 ℃时，WMA均表现出可接受的抗热裂能力。

3.3抗磨损性-转向轮辙试验

转向轮辙试验的结果如图5所示。由图5可知，与在车辙试验中观察到的趋势相似，所有在123 ℃下拌和的WMA混合料都是不可用的，因为其重量损失太大。在生产温度低于正常温度30 ℃的情况下，3种WMA混合料在磨损上差异很大，其中只有WMA B与对照HMA具有可比性的结果。WMA B在高温下优越的抗磨损性能主要是因为拥有良好的骨料联锁性能。

4结语

根据WMA混合料的性能测试结果和分析，可以得出以下结论：

（1）对于在低于正常温度30 ℃下生产的混合料，WMA A和WMA M的抗车辙、抗磨损性和耐水性的性能明显较低，被认为是可以接受的。

（2）相对而言，在低于正常温度30 ℃下产生的WMA B似乎适用，因为其除耐水性外的其他性能都表现出与对照HMA混合料相似的性能。因此，建议在所研究的路面修复中使用143 ℃拌和的WMA B。

（3）根据以往的研究经验，可以通过添加抗剥落剂、熟石灰或一些液体剂来缓解WMA的水敏感性。在下一阶段的研究中，即施工试验路面时，应在路面WMA B中添加适当的抗剥落剂以确保水稳定性能。

参考文献：

［1］曹坤.热拌沥青混凝土面层施工技术及质量控制［J］.四川水泥，2019（1）：298，314.

［2］宋云连，高盼，吕鹏.温拌沥青低温性能及其微观特性机理研究［J］.材料导报，2021，35（S1）：251-257.

［3］马占武，俞日高.高速公路路面工程中的温拌沥青施工技术［J］.交通世界，2021（23）：74-75.

［4］苏淼，王亮，李聪，等.温拌沥青路面材料国内外研究综述与应用分析［J］.四川建材，2019，45（4）：165-166.

［5］王伟.谈公路路面翻修用温拌沥青混合料的实验室评估［J］.工程建设与设计，2016（13）：154-156.

［6］吴坤.温拌沥青短期老化温度与老化性能研究［J］.上海公路，2021（1）：97-99，122.

作者简介：韦剑双（1987—），工程师，主要从事公路桥梁工程施工工作。

收稿日期：2024-05-18