李彩霞 汪首元 張興軍 馬偉中 唐仕潤(rùn)

（1 甘肅公路發(fā)展集團(tuán)有限公司 甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來(lái)，人們?cè)谂p少能源消耗和HMA 生產(chǎn)過(guò)程中污染氣體的排放。WMA 在拌合過(guò)程中的溫度可低于常規(guī)瀝青混合料16℃～55℃，這是向?yàn)r青工業(yè)提供的重要能源節(jié)約技術(shù)。Hurley 和Prowell 在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，WMA可以減少拌合站的排放物，擴(kuò)展了冬季施工，允許更快的交付通車，減少了拌合設(shè)備的污染成度，降低了瀝青混合料的老化程度。WMA 技術(shù)在美國(guó)的實(shí)施，為交通運(yùn)輸和建筑業(yè)與社會(huì)形成的統(tǒng)一整體提供了很多經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，現(xiàn)在得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛的重視。WMA 的使用量穩(wěn)步增長(zhǎng)，需要量化WMA 技術(shù)的實(shí)施、壞境和經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)系。此外，WMA 的生產(chǎn)與鋪裝方面，需要測(cè)定出降低現(xiàn)場(chǎng)拌合溫度對(duì)瀝青混合料性能的影響。本文采用車轍試驗(yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)和修正Lottman 試驗(yàn)和測(cè)定廠拌瀝青混合料的含水率、吸收瀝青含量和面層的平均溫度，研究了WMA 技術(shù)降低現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)溫度對(duì)瀝青混合料的影響，并量化出現(xiàn)場(chǎng)拌合的瀝青混合料的室內(nèi)性能。

1 原材料

表1給出了這三個(gè)實(shí)地項(xiàng)目中所選的八種瀝青混合料的參數(shù)，這些瀝青混合料中都添加了彈性聚合物改性粘結(jié)劑PG 70-22M 或PG 76-22M。為了避免重新加熱，工廠拌合的松散混合料用卡車運(yùn)到移動(dòng)瀝青實(shí)驗(yàn)室研究中心，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)。在每一個(gè)項(xiàng)目中，加入一個(gè)瀝青混合料，作為對(duì)照組。

2 室內(nèi)試驗(yàn)方法

2.1 車轍試驗(yàn)

根據(jù)AASHTO T324車轍（LWT）試驗(yàn)，在50℃的水中，通過(guò)鋼輪對(duì)瀝青混合料試件表面20000 次的反復(fù)荷載行車，來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能和水穩(wěn)定性。該測(cè)試將達(dá)到20000 次或20mm 變形，以先達(dá)到者為準(zhǔn)。

2.2 半圓彎曲試驗(yàn)

采用半圓彎曲（SCB）試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的抗拉性能，半圓彎曲試驗(yàn)裝置及示意圖如圖1所示。

圖1 半圓彎曲試驗(yàn)裝置

臨界應(yīng)變能釋放率，也稱為J 積分的臨界值（JC），來(lái)描述瀝青混合料的抗拉性能。

Jc=臨界應(yīng)變能釋放率（kJ=mm2）；b=試件厚度（m）；a= 裂痕深度（m）；U= 應(yīng)變能（kiloJoule， kJ）；Δ ΔU a/ =應(yīng)變能和裂痕深度的變化率。

使用公式（1）確定的Jc的值，需要在半圓彎曲試驗(yàn)中獲得至少兩個(gè)不同的裂痕深度，以確定應(yīng)變能和裂痕深度的變化率（Δ ΔU a/ ）。本文中，對(duì)25.4mm，31.8mm，和38mm 這3 種裂痕深度進(jìn)行了半圓彎曲試驗(yàn)，以增加斜率Δ ΔU a/ 的精度，擬合應(yīng)變能和裂痕深度變化率的回歸線如圖2所示。

半圓形試件在三點(diǎn)彎曲載荷結(jié)構(gòu)中，橫梁以0.5mm/min 的恒定速率單調(diào)加載，直到試件斷裂破壞。此試驗(yàn)在25℃的溫度下進(jìn)行，荷載與形變的數(shù)據(jù)在試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)記錄。在半圓彎曲試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)（SGC）試件的空隙率達(dá)到7±0.5%。一般情況下，試件在試驗(yàn)中的變異系數(shù)在15%之內(nèi)。每種瀝青混合料試件制作三份用 于測(cè)試，高Jc 值的瀝青混合料抗斷裂性能好。

圖2 應(yīng)變能和裂痕深度變化率的回歸線

圖3 LWT 測(cè)試結(jié)果：（a）LA 10 （b）US 90 （c）US 61

2.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性是根據(jù)AASHTO T283 修正Lottman 試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。該試驗(yàn)評(píng)價(jià)了水對(duì)瀝青路面的的損害。兩組試件在含水和干燥兩個(gè)不同的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，用拉伸強(qiáng)度和TSR 分析。

3 結(jié)果及分析

3.1 車轍試驗(yàn)分析

車轍試驗(yàn)的結(jié)果如圖2所示，所有的瀝青混合料都符合車轍深度小于6.0mm 的標(biāo)準(zhǔn)，并且在試驗(yàn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)剝離。在LA10 項(xiàng)目中，兩種瀝青混合料表現(xiàn)出較小的永久變形，而且，兩種瀝青混合料抗車轍性能相似。在US 61，所有的瀝青混合料都表現(xiàn)出較好的抗車轍性能，WMA 比HMA 的抗車轍性能表現(xiàn)稍好。綜上所述：1）在這三個(gè)實(shí)地項(xiàng)目中，WMA 表現(xiàn)出與HMA 相近的抗車轍性能；2）所有的瀝青混合料平均車轍深度均小于6.0mm，即這些混合料都具有很好的抗車轍性能。

在α 為0.05 的最小顯著性差異（LSD）分析中，除了US 90 項(xiàng)目外，HMA 和WMA 之間沒(méi)有任何顯著的差異， 統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果如表2-4 所示。

表2 抗車轍性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，項(xiàng)目名稱：LA 10

帶a相同代號(hào)的混合料在統(tǒng)計(jì)學(xué)上同類

表3 抗車轍性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，項(xiàng)目名稱：US 90

帶a不同代號(hào)的混合料在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不同類

3.2 半圓彎曲試驗(yàn)分析

試件在半圓彎曲試驗(yàn)后，計(jì)算出的J 積分的臨界值如圖4所示。與相應(yīng)的HMA 比較， WMA 表現(xiàn)出相似或更高的Jc值。US 90 和US 61 項(xiàng)目中，WMA 表現(xiàn)出比相應(yīng)的HMA 有更好的抗斷裂性能。然而，在LA 10 項(xiàng)目中，WMA 表現(xiàn)出與HMA 相似的抗斷裂性能。所有的WMA都符合Jc為0.5kJ/m2的標(biāo)準(zhǔn)，但是，US 90 和US 61 項(xiàng)目中的HMA 不符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，WMA 技術(shù)的使用沒(méi)有降低瀝青混合料的抗斷裂性能。

表4 抗車轍性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，項(xiàng)目名稱：US 61

帶a同樣代號(hào)的混合料在統(tǒng)計(jì)學(xué)上同類

圖4 半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

圖5給出瀝青混合料的平均TSR。LA10 項(xiàng)目，添加Evotherm 的WMA-BC 沒(méi)有達(dá)到TSR 中80%的最低標(biāo)準(zhǔn)。總體來(lái)說(shuō)，除了LA 10 項(xiàng)目之外，WMA 和HMA 的TSR 沒(méi)有看到到顯著差異。雖然LA 10 項(xiàng)目中WMA 的TSR 較低，但所有條件間接拉伸（IDT）強(qiáng)度均等于或大于689.48KPa，平均值為1022.49KPa。

圖5 修正 Lottman 試驗(yàn)結(jié)果

4 WMA 生產(chǎn)和施工評(píng)價(jià)

本文的目的是比較HMA 和WMA 生產(chǎn)和鋪筑方法。為了評(píng)價(jià)在拌合廠的差異，對(duì)瀝青混合料的性能進(jìn)行測(cè)定：1）瀝青混合料的含水率；2）集料對(duì)瀝青的吸收量。道路施工中測(cè)得的性能包括：1）面層溫度的均勻性；2）壓實(shí)中各階段需要的碾壓次數(shù)；3）面層的現(xiàn)場(chǎng)密度。

4.1 瀝青混合料的含水率

HMA 相比WMA 在較低溫度下生產(chǎn)，人們關(guān)心的是減少加熱溫度，從而不能充分干燥集料，這可能導(dǎo)致路面的水損壞通過(guò)測(cè)定瀝青混合料的含水率（每批讀取5 個(gè)含水率取，并取平均值），將WMA 的含水率與對(duì)應(yīng)的HMA 進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。WMA 中的含水率比常規(guī)瀝青混合料稍高，這兩種類型的瀝青混合料含水率都小于0.3%，均低于的限制標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 廠拌瀝青混合料含水率，US 61

4.2 吸收瀝青含量

圖7給出了US 61項(xiàng)目中HMA和WMA的平均吸收瀝青含量Pba，添加Evotherm 的WMA 的吸收瀝青含量與HMA 的相近。添加Foamed 的WMA 比添加Evotherm 的HMA 和WMA 有更高的吸收瀝青含量。添加Foamed 的WMA 表現(xiàn)出較高的吸收瀝青含量的原因是，前三種瀝青混合料的生產(chǎn)是用花崗巖作為主要集料，然而，承包商用完了花崗巖材料，添加Foamed 的WMA使用不同級(jí)配的砂巖作為主要集料?；◢弾r和砂巖集料的吸收瀝青含量分別為0.6%和1.4%。由此可以得出結(jié)論，兩種類型的瀝青混合料在生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出相近的吸收瀝青水平，主要由混合料中集料類型所決定。

圖7 HMA 和WMA 混合料的瀝青吸收量（Pba）

4.3 面層溫度的均勻性

為了比較HMA 和WMA 面層溫度的均勻性，在US 61 項(xiàng)目的左輪路徑（LWP）、中心線（CL）和右輪路徑（RWP）中測(cè)量溫度。為此使用紅外溫度槍，在攤鋪機(jī)后每6.1 米采集數(shù)據(jù)，圖8表示所采集的數(shù)據(jù)生產(chǎn)的熱點(diǎn)圖。HMA 試驗(yàn)段的平均溫度為148℃，而WMA 段的平均溫度在124℃和131℃之間變化。添加Foamed 的WMA 試驗(yàn)段，由于承包商在生產(chǎn)過(guò)程中遇到一些濕集料，不得不提高溫度來(lái)充分干燥，熱點(diǎn)圖反映出了其測(cè)試段中間的溫度增加。

圖8 HMA 和WMA 試驗(yàn)段的熱點(diǎn)圖，US 61（x 軸單位是米，y 軸單位是攝氏度）

4.4 面層的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度

在US 61 項(xiàng)目中，記錄在壓實(shí)過(guò)程的每個(gè)階段（即初壓、復(fù)壓和終壓）所需的碾壓次數(shù)，如圖9所示，其中中壓階段進(jìn)一步細(xì)分為振動(dòng)和膠輪的碾壓次數(shù)。在初壓階段，與對(duì)應(yīng)的HMA 相比，WMA 都減少了兩次碾壓，但在隨后的壓實(shí)階段沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，HMA和WMA 所需碾壓次數(shù)沒(méi)有明顯的區(qū)別。

圖9 碾壓遍數(shù)，US 61

4.5 面層的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度

在US 61 項(xiàng)目中測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度如圖10 所示，與對(duì)應(yīng)的HMA 相比，三種不同的WMA 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度都稍低。但是，瀝青混合料的壓實(shí)度都大于92%，滿足規(guī)范要求。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度，US 61

5 結(jié)論

1）與所有三個(gè)評(píng)估項(xiàng)目的相應(yīng)對(duì)照HMA 相比，WMA 的高溫穩(wěn)定性能沒(méi)有差別；

2）SCB 試驗(yàn)的結(jié)果表明，與常規(guī)HMA 混合料相比，WMA 表現(xiàn)出更好的抗裂性能；

3）其中兩個(gè)實(shí)地項(xiàng)目中，WMA 水穩(wěn)定性與常規(guī)HMA 相近，但第三個(gè)項(xiàng)目的TSR 低于當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的80%。雖然LA 10 項(xiàng)目中WMA 的TSR 較低，但所有條件間接拉伸（IDT）強(qiáng)度均等于或大于689.48KPa，平均值為1022.49KPa；

4）雖然WMA 中的含水率略高于常規(guī)HMA，但兩種混合料類型標(biāo)準(zhǔn)，水分含量小于0.3%。此外，吸收瀝青含量在HMA 和WMA 之間沒(méi)有顯著的差異；

5）對(duì)于WMA，鋪筑后面層的溫度明顯低于HMA。另外，HMA 和WMA 在壓實(shí)度上沒(méi)有明顯的差別。一般情況下，WMA 的最小壓實(shí)度都能夠達(dá)到92%規(guī)范要求值。