云南省公路科学技术研究院 云南昆明 650051
摘要：选择Evotherm DAT-H5为温拌剂，剂量为沥青质量的5%，分别采用马歇尔击实、旋转压实两种方法来研究不同温度条件对温拌混合料压实性能的影响，并分析旋转压实过程中压实次数与压实高度的关系；结合温拌混合料作用机理，探究现有室内成型方式用于评价温拌沥青混合料压实性能的适用性。结果表明：对于密实悬浮型密级配温拌混合料，马歇尔击实和旋转压实两种成型方法在评价温拌混合料的压实性能时，都存在着压实成型方式与温拌混合料机理不完全匹配的问题；若依靠室内成型试验方法去评价混合料的压实性能，结论往往和钢轮压路机振动和胶轮压路机的搓揉作用下的实际路面压实情况存在一定的偏差。这种现象与表面活性剂的温拌机理是密切相关的，实际应用时，可以结合美国NCHRP691报告中相关的室内评价方法或者铺筑试验段的方式来对其压实性能进行客观评价。
关键词：温拌沥青混合料（WMA）；压实性能；马歇尔击实；旋转压实；温拌机理
引言
温拌沥青混合料拥有良好的压实性能及路用性能，且符合节能减排的应用理念，近年来获得了道路从业者的极大关注，并逐步应用于长大隧道沥青面层铺面工程、低温季节以及高海拔地区不利施工条件下的沥青路面施工等应用场合[1-2]。工程实践经验表明，现场压实条件下，与同种类型热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料下降一定温度幅度（大约20℃）仍然能够较好地保证压实效果，但温度下降幅度多是根据以往工程经验以及混合料类型来进行经验判定。
本文拟采用马歇尔击实以及旋转压实两种常用的沥青混合料成型方法，对不同温度下的温拌沥青混合料室内压实性能进行评价分析，以探究现有室内成型方式用于评价温拌沥青混合料压实性能的适用性，为沥青混合料设计和施工提供参考。
1 试验材料与试验方案
1.1试验材料
研究选用的温拌剂为目前国内应用较多的Evotherm DAT-H5，剂量为沥青质量的5%；粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩，沥青为中海油重交70号普通沥青；采用AC-13C级配，级配组成如表1所示。通过马歇尔击实确定混合料沥青最佳用量为4.6%。最佳沥青用量下沥青混合料的设计空隙率为4.0%，马歇尔稳定度为9.7KN，冻融劈裂强度比为86.9%，车辙动稳定度为1829次/mm，各指标均满足规范要求。
表1 级配组成
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粒径（mm）
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16.0
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13.2
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9.5
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4.75
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2.36
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1.18
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0.6
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0.3
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0.15
|
0.075
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通过率（%）
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100.0
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94.4
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73.7
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46.0
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30.9
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21.0
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15.2
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11.7
|
9.1
|
6.7
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1.2试验参数与试验方案
马歇尔试件尺寸为101.5×63.5mm，旋转压实试件尺寸为100×63.5mm；马歇尔击实次数为双面击实各75次，旋转压实次数同为75次。平行试件个数为4个。其中，不同成型温度下集料及沥青的加热温度，以及混合料拌和温度设定如表2所示。
表2 不同组别混合料温度参数的设定
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集料加热温度/℃
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沥青加热温度/℃
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拌和锅温度/℃
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混合料养生温度/℃
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混合料压实温度/℃
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第一组
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170
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165
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160
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160
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155
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|
第二组
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150
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165
|
140
|
140
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135
|
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第三组
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130
|
165
|
120
|
120
|
115
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第四组
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120
|
165
|
120
|
100
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95
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注：考虑到沥青混合料拌和裹覆的均匀性，将第四组的拌和温度适当提高
2 试验结果分析
2.1马歇尔击实成型试验
对于不同成型温度，分别进行添加温拌剂的温拌混合料成型，以及不添加温拌剂的“热拌”混合料成型，分析比较在马歇尔成型方式下温拌添加剂对于混合料压实性能的影响。不同温度条件下试件空隙率数据如图1所示。
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图1 马歇尔击实方式下成型温度对空隙率的影响
由图1可知，随着温度的降低，两种沥青混合料的空隙率均呈现逐渐变大的趋势，且当温度下降至135℃以下时，空隙率增加幅度也随之变大。对比两种沥青混合料发现，在马歇尔成型条件下，添加温拌剂与否对于空隙率的影响并不大，即在马歇尔成型条件下，温拌剂的添加对于沥青混合料在较低温度条件下压实的改善作用并未体现出来。究其原因，主要由于马歇尔击实成型的作用原理与表面活性型温拌剂的作用机理不一致造成的。
马歇尔击实成型是靠击实锤自由下落时产生的竖向强夯力冲击来完成击实的，在这种击实条件下，沥青胶结料的粘度和流动性影响最为显著，随着温度的下降，沥青粘度随着增大，从而导致沥青混合料击实难度增加，沥青混合料的空隙率也随之变大。而表面活性型温拌技术的技术原理为过程性分散润滑技术，即在拌和过程中，温拌剂充分分散到沥青胶结料中，在不改变胶结料粘温曲线的情况下形成众多的润滑胶团结构，提高沥青胶结料的润滑和触变性能，在现场钢轮振动及胶轮搓揉的压实条件下，能实现较低温度条件下温拌沥青混合料的压实。而在马歇尔自由下落强夯式的压实条件下，温拌剂对于沥青胶结料润滑分散的改善作用难以体现，也就造成了在马歇尔击实条件下温拌剂的作用难以体现的试验结果。
2.2旋转压实成型试验
对于不同成型温度，分别进行上述两种沥青混合料的旋转压实成型试验，以分析比较在旋转压实成型方式下温拌添加剂对于混合料压实性能的作用。不同温度下的试件空隙率数据如图2所示。
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图2 旋转压实下成型温度对空隙率的影响
由图2可知，随着温度的下降，两种沥青混合料的空隙率并未出现明显的上升趋势。当压实温度为155℃时，沥青混合料的空隙率较小，随后随着温度的下降，沥青混合料的空隙率均低于4.2%，这远远小于马歇尔击实条件下的最大空隙率6.9%。比较两种沥青混合料不同温度下的空隙率可以发现，和马歇尔击实方式呈现的规律相似，温拌剂的加入并没有显著影响两种沥青混合料在不同压实温度下的空隙率差异。
由于旋转压实成型是一种集竖向压实、剪切搓揉为一体的沥青混合料成型方法，有效地模拟了沥青路面碾压成型过程。但对于本文所采用的密实悬浮型密级配而言，旋转压实成型的压实作用过于强大，使得集料之间存在错动和重新排列情况，导致在温度下降粘度增加时强大的搓揉压实力仍然能够将混合料充分压实。
此外，旋转压实过程中，还采集了不同种类沥青混合料的压实次数与压实高度的关系（图3），可以看出在装料重量相同的条件下，两种沥青混合料在不同压实温度下的压实－高度曲线并无显著差异，最终压实高度基本位于64.0mm左右。因此，针对密实悬浮型密级配温拌混合料，无论是马歇尔击实还是旋转压实方式，都未能充分体现温拌剂在压实控制中的作用，这与表面活性剂的温拌机理是密切相关的。
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注：图例中W和H分别代表温拌和热拌混合料类型
图3 旋转压实次数与压实高度的关系
3 表面活性剂温拌机理
3.2.1温拌剂与沥青拌和机理
在拌和过程中，温拌剂在沥青中形成大量的反转“胶团”。沥青中温拌剂的胶团是外面是亲油的（非极性的），中间是亲水的头部，亲水的头部中间，在强力拌和时一般会俘获石料及空气中极为微量的水分。这种大量存在的胶团，在沥青内形成润滑结构的同时，并不显著影响胶结料的粘度。因此，温拌剂加入沥青后不会改变沥青的品质和粘温曲线，随着温度的降低，沥青的粘度却正常增加。
为实现沥青混合料的温拌温铺，在压实过程中，沥青中的温拌剂胶团会产生形变，大量的胶团变形，导致低温下粘度高的沥青产生类似“剪切稀释”的作用。
3.2.2温拌剂与沥青拌和过程的量化表征
国外研究者采用润滑膜动态剪切流变系数测定仪，测试了添加表面活性型温拌剂前后沥青粘结料的流变摩阻系数，（图6a）可以看出在添加温拌剂之前，普通沥HMA 的流变摩阻系数在低于110℃时显著升高，从110℃的0.23 陡增至90℃时的0.44；而添加温拌剂后，温拌沥青的流变摩阻系数自140℃至90℃维持在同一水平。这也说明了在极薄的润滑膜（模拟沥青混合料中沥青膜的状态）作用过程中，表面活性剂有助于沥青粘结料改变其温拌工作温度下的工作性，进而改善温拌沥青混合料的裹覆及压实性能。而对于布氏粘度试验结果（图6b）可以看出，在纯沥青粘结料状态下，在添加温拌剂前后，其运动粘度并无明显变化，不改变沥青的物理性能，因此不能依据温拌沥青的粘度来确定温拌沥青的拌和温度。
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（a）动态剪切流变系数 （b）布氏粘度
图6 添加温拌剂前后动态剪切流变系数与布氏粘度试验结果
混合料碾压后，大多数表面活性剂将转移至石料与沥青界面位置，表面活性成分主要富集于沥青与石料的界面上而不是停留在沥青胶结料中，从而表明了温拌混合料的在表面活性剂作用下，温拌特性不具有可逆性的原因。同时也说明了在提高沥青与混合料粘附力和高温稳定性方面，表面活性剂是如何发挥的作用[3-4]。
综上可知，马歇尔击实和旋转压实在评价表面活性型温拌沥青混合料的压实性能时，都存在着压实成型方式与温拌沥青混合料机理不完全匹配的问题，如果在试验过程中仅仅依靠室内成型试验方法去评价温拌沥青混合料的压实性能，得出的结论往往和钢轮压路机振动和胶轮压路机的搓揉作用下的实际路面压实情况存在一定的偏差。
对温拌混合料来说，基于沥青粘度确定的拌合压实温度不能用于控制混合料的裹覆性能、工作性及压实性。其压实性能，可参照美国NCHRP691报告[5]中，对沥青混合料达到相对最大理论密度92%压实度时的旋转压实次数建议，即温拌沥青混合料在90℃时的压实次数不应超过包含温拌添加剂的热拌沥青混合料在120℃时压实次数的1.25倍。试验表明Evotherm温拌沥青混合料包括改性和非改性、粗级配和细级配的各种沥青混合料类型基本均满足这一要求。
4.结论
基于本文试验结果及拌和过程机理的分析，马歇尔击实方式和旋转压实在评价表面活性型温拌沥青混合料的压实性能时，都存在着压实成型方式与温拌沥青混合料机理不完全匹配的问题。在实际实施过程中，可以结合美国NCHRP691报告相关的室内评价方法或者铺筑温拌沥青混合料试验段的方式来对其压实性能进行客观评价。
参考文献：
[1]王雪梅.基于室内试验的温拌沥青混合料（WMA）与热拌沥青混合料（HMA）的性能评价研究[J].科学技术与工程，2013，13（26）.
[2]周燕，陈拴发，郑木莲，等.温拌沥青混合料拌合压实特性研究[J].武汉理工大学学报，2010（1）.
[3] 陈飞，基于表面活性技术的温拌沥青及其混合料性能研究[D].长安大学，2013.
[4] 赵黎明，颜加俊，段冲.表面活性类温拌剂降温效果评价方法研究[J].公路，2016（12）.
[5] Mix Design Practices for Warm Mix Asphalt[R]，National Cooperative Highway Research Program 691，Transportation Research Board，2011.