基于实验室和加速路面试验的温拌和热拌沥青混合料性能评估

摘要

许多温拌沥青(WMA)技术被用于降低沥青混合料生产和压实的温度，显然不会影响路面的性能。本研究的主要目的是确定使用一种新型蜡基LEADCAP WMA添加剂是否会影响沥青混合料的性能，沥青混合料是在显著的低温下生产和压实的。基于室内动态模量试验、间接拉伸强度试验和室内加速路面试验(APT)结果，对使用LEADCAP添加剂的WMA路面和对照HMA路面进行了抗车辙、抗裂和粘弹性性能评价。在有限的数据下，LEADCAP添加剂在比对照HMA混合料低约30°C的温度下可以有效地生产和铺设沥青混合料，WMA-LEADCAP路面的性能与对照HMA路面相当。

1.导言

热拌沥青（HMA）的生产温度介于140°C和160°C之间，生产某些混合料，即沥青橡胶和聚合物改性沥青（PMA）混合料可能需要更高的混合温度。这些温度确保骨料干燥，沥青覆盖骨料，混合料具有合适的和易性。沥青路面行业最近开发了几种降温技术，称为温拌沥青（WMA）。WMA技术的最初概念是在欧洲引入的，以减少因全球变暖而产生的温室气体排放。由于1997年《京都气候变化条约》，欧盟内的每个国家都面临着温室气体减排目标[1］．WMA技术的使用由于降低了燃料消耗，减少了二氧化碳排放，减少了沥青的氧化，提前通车，为工人提供了更好的工作环境，已经成为美国和世界沥青路面建设的主流。大多数WMA技术的工作原理是降低沥青的粘度，使其能够更好地覆盖集料表面，并降低目标温度，以达到适当的混合料和易性。由于WMA技术在世界范围内的环境和经济效益，近年来WMA技术已变得流行起来[2］．自1997年底以来，欧洲和美国已经开发了一些WMA程序。从2005年到2010年短短的5年时间里，大约有20项WMA技术正在美国市场上销售[3.]然而，WMA技术仍然是一个新概念，任何WMA技术的性能都尚未得到验证。因此，许多机构和承包商对应用此类新技术犹豫不决，他们想知道WMA技术在施工努力和长期性能方面是否与传统HMA路面相当。因此，WMA路面的整体性能必须与HMA路面一样好。在生命周期的基础上，如果WMA路面表现不好，将不会有长期的环境效益或节能。因此，几位作者一直在研究WMA添加剂、粘合剂和混合物的性能，以改善其性能[4- - - - - -6］．

韩国建设技术研究院(KICT)和锦湖石化有限公司共同发明了一种创新的WMA添加剂，被命名为低能源和低二氧化碳沥青路面(LEADCAP)。它控制结晶，使其在低温下不会变脆。新型WMA添加剂带正电荷，增强了沥青粘结剂与带负电荷骨料表面的粘结。

本研究的主要目的是（1）介绍韩国最近开发的铅帽添加剂和（2）根据实验室动态模量和间接拉伸强度试验分析的刚度和强度特性，以及室内加速路面试验（APT）分析的永久变形，评估在低于控制HMA混合料约30°C的温度下生产和压实的WMA-LEADCAP混合料的性能。为此，本文将WMA-LEADCAP混合物与传统HMA混合物进行了比较。然而，感兴趣的读者请联系Yang等人[7对LEADCAP技术应用于不同混合类型的各种实验室性能进行评价，并与其他WMA添加剂进行比较。

2.LEADCAP技术的特点

有许多新的工艺和产品可以降低沥青混合料生产和压实的温度，而不改变其体积特性和性能。这些技术分为:(1)有机添加剂包括石蜡;(2)发泡添加剂包括沸石;(3)发泡工艺;(4)化学添加剂包括表面活性剂和乳液。在这些技术中，有机添加剂的原理是在高于熔点的温度下降低沥青的粘度，从而在较低的温度下生产沥青混合料。韩国在2008年开发出了名为“低能耗低二氧化碳沥青路面(LEADCAP)”的新型WMA添加剂。如图所示1(一)：铅帽-B_{日月光半导体}和1 (b)：LEADCAP-M_修改，所开发的添加剂被归类为有机WMA添加剂，其具有蜡基组合物，包括晶体控制器和粘附促进剂[8，9］．晶体控制器调节蜡在低温下的结晶，防止粘结剂表现出脆性行为，粘附促进剂作为集料与沥青之间的有效粘结剂。结果表明，该添加剂有助于提高WMA混合物的低温抗裂性，提高其水敏性。LEADCAP添加剂的工作原理是降低沥青的粘度。其熔点为100℃，结晶点为90℃。它通常以1.0%至3.0%的比例加入沥青粘结剂。Kim等人[10和Lee等人[11]评价了WMA- leadcap混合物的水敏性和抗剥离性，发现WMA- leadcap混合物比对照HMA和其他WMA混合物具有更高的水敏性。

3.WMA-LEADCAP技术在现场的应用

为了研究WMA-LEADCAP混合物在现场的性能和可施工性，进行了9次WMA-LEADCAP现场试验。表格1总结了9个WMA-LEADCAP现场试验的信息，包括在韩国的铺装长度和产量。总共铺设了2,358吨WMA-LEADCAP混合物，总长度为4,090米。2008年，WMA-LEADCAP第一个现场试验区段使用了密级配沥青混合料。此后，从2008年到2011年，WMA-LEADCAP在韩国国道和国道上成功完成了现场试验。需要注意的是，除表中总结的一段外，沥青的性能等级(PG)均为64-221．

3.1.现场空隙率的测量

为了比较试验路段WMA-LEADCAP路面和HMA路面之间的兼容性，我们取了两个样品来确定两种路面的现场空隙率。表格2显示了从第二次WMA-LEADCAP现场试验中收集的WMA-LEADCAP和对照HMA路面的单独现场空隙率。WMA-LEADCAP路面的空隙率介于5.2%和5.4%之间，对照HMA路面的空隙率介于4.7%和5.5%之间。根据对空隙率的现场测量，可以假设WMA-LEADCAP和对照HMA路面的试验结果没有显著差异。这些结果表明，LEADCAP添加剂在生产和压实WMA混合料方面是有效的，与对照HMA混合料相当。还观察到，LEADCAP-WMA和对照HMA混合料中均没有明显的损坏所有型材的使用寿命为3年。

３.２．燃料消耗和排放的测量

在130°C的WMA-LEADCAP混合物和160°C的HMA混合物的生产过程中，使用舱C油和二氧化碳(CO₂)是在工厂里测量的。燃料消耗和排放数据是从第二次WMA-LEADCAP现场试验中收集的。如表1所示3.生产温度的降低导致了32%的节能，从而使CO减少了32%₂，CO减少18%，SO减少24%₂，以及减少33%的NO_X这些结果表明，在生产WMA混合物时，铅帽添加剂在降低能耗和大气排放方面的效果如何[8］．

3.3.WMA-LEADCAP技术的可行性

如表1所示4，在国外完成了六次WMA-LEADCAP现场试验，以检查LEADCAP-B和LEADCAP-M添加剂在不同天气条件、设备类型以及混合和压实温度下用于不同类型沥青和混合料的可行性。如表1所示4，从2010年秋季到2011年秋季，在葡萄牙、意大利和泰国的密级配沥青混合料、日本的PG 82-22 SBS改性多孔沥青混合料、中国的PG 76-22 SBS改性SMA沥青混合料以及美国的RAP材料密级配沥青混合料中使用了LEADCAP添加剂。在葡萄牙、意大利、泰国和中国，铅帽添加剂作为工厂混合型添加到沥青混合料中，在日本和美国，铅帽添加剂作为预混合型添加到沥青中。可以假设，铅帽添加剂可在任何现场条件下用于所有类型的沥青混合料，而无需对沥青装置进行改造[12- - - - - -15］．

4.实验室混合料配合比设计

WMA-LEADCAP混合料与对照HMA混合料采用相同的混合料设计参数和试验条件。在本研究中，两种混合物均使用未改性PG 64-22粘合剂和花岗岩骨料。表面层选用的最大名义骨料粒径(MNAS)为19.0 mm。如图所示2对骨料进行筛分和混合，以产生密度为19.0的MNAS mm，占19%的38% mm料堆，占13%的23% mm料堆、34%的砂和4%的填料。表5总结了superpave粘合剂试验结果，包括基础沥青和含有2.0%LEADCAP-B添加剂的基础沥青的软化点、粘度、，，、刚度和米价值。两种沥青均测定为PG 64-22，说明LEADCAP添加剂对沥青PG级配没有影响。LEADCAP添加剂的添加量为沥青粘结剂重量的2.0%。根据ASTM D 6927规定，WMA-LEADCAP和HMA混合料的最佳沥青含量均为5.2%(按总混合料重量计算)[16]。对照HMA混合物的混合和压实温度分别为155°C和145°C，而WMA-LEADCAP混合物的混合和压实温度比对照HMA混合物的低约30°C，例如，混合温度为130°C，压实温度为115°C。

5.室内加速路面试验

加速路面试验机（APT）在世界范围内广泛用于将具有适当法定荷载极限的原型车轮荷载应用于结构路面系统，以确定在压缩时间段内累积损伤下的路面响应和性能。APT可根据各种可变因素（如材料和厚度）评估路面性能。APT被用于评估各种新型沥青材料的性能，例如石沥青玛蹄脂沥青（SMA）、多孔沥青、非常薄的沥青路面层以及使用多种产品的温拌沥青混合料[17]重型车辆模拟器（HVS）是加速路面试验机之一，用于比较三种不同温拌沥青产品在潮湿条件下的车辙性能，路面温度为50°C，路面温度为50°C mm路面深度，在标准双轮配置和单向运输模式下使用各种荷载[18，19］．

本研究采用加速路面试验(APT)比较LEADCAP-WMA路面与HMA路面的抗车辙性能。如图所示3.在室内设施的试验台上，在路面温度为40℃、路面深度为25 mm的条件下，进行了标准双轮配置、8.2吨、单向行驶模式的APT试验。

5．1.建立测试床

搭建6.25 m LEADCAP-WMA试验台和6.26 m控制HMA试验台，如图所示4，使用2.0%沥青重量铅帽的WMA混合料在130±5°C下生产，并在110±5°C下压实，而对照HMA混合料在160±5°C下生产，并在130±5°C下压实。

5.2.测量车辙深度

数字5显示了每个车辙测量的试验台布局。试验台上指示的固定位置用于测量给定运输荷载后WMA-LEADCAP和对照HMA路面的横向轮廓。抗车辙破坏标准规定为12.0 试验的路面温度为25 mm 将mm保持在40℃±4℃以检查车辙电位。

5.3.抗车辙性

在两个试验台进行测试时，路面温度在整个APT贩运过程中保持恒定。图中对比了两个试验台的车辙行为6．实心圆代表WMA-LEADCAP试验台车辙深度，实心圆毛坯代表控制HMA试验台车辙深度。图中的每个点6表示三个不同位置的平均车辙深度，作为累积荷载重复的函数。应注意的是，显示的误差条表示在给定载荷后测得的最高和最低车辙深度。如图所示6WMA-LEADCAP和对照HMA试验台在累积荷载重复期间车辙深度呈现类似趋势。56000 APT装载后，控制HMA试验台的最终车辙深度略高于WMA-LEADCAP试验台的车辙深度。控制HMA试验台的最终车辙深度达到破坏标准（12.4 mm），而WMA-LEADCAP试验台的试验结果略低于标准（11.9 嗯）。

5.4.动态模量

为了测量路面各截面的动态模量，在APT试验台的非贩运区取了直径为150 mm的岩芯样品。将岩心样品进行间接拉伸强度试验，将岩心样品的上、下两端进行切割，得到38 mm厚的岩心样品。在获得合适尺寸的试样后，进行气隙测量。WMA-LEADCAP和试样的平均气隙含量分别为7.5%和6.4%。动态模量测试在应力控制模式下进行，测试温度分别为5、20、35℃，测试频率分别为20、10、5、1、0.5、0.1 Hz。水平方向的目标菌株为30株，垂直方向的目标菌株为60 ~ 100株，这取决于温度和泊松比。采用MTS - 810机床，用MTS引伸仪测量垂直和水平变形。这些伸长计以38毫米的长度安装在每个样品面上。

数字7介绍了WMA-LEADCAP和对照HMA混合物的动态模量测试结果。参考温度为5℃，用于创建每个混合物的s型动态模量母曲线。图中为半对数和对数尺度的动态模量主曲线7(一)和7 (b)可分别用于评估低温范围和高温范围内混合物的线性粘弹性特性。观察到，WMA-LEADCAP混合物在较高的降低频率（即较低的温度和/或较快的频率）下比对照HMA混合物表现出更高的刚度然而，两种混合物在较低的降低频率下（即较高的温度和/或较低的频率）表现出相似的刚度.通常，低频下的刚度与混合料的车辙性能有关，因此，两种混合料预计具有相似的车辙阻力。关于图中所示的水平相位角主曲线7 (c)与WMA-LEADCAP混合材料相比，控制HMA混合物在高温下表现出更少的弹性行为(高相位角值)，但在高频率下具有相似的弹性性能。在垂直相位角方面，两种混合物在所有频率范围内表现出相似的弹性行为。根据动态模量测试结果，WMA-LEADCAP混合料的抗车辙性能有望优于或至少接近对照HMA混合料，这与APT结果一致。

5.5.间接抗拉强度

采用间接抗拉强度(ITS)试验方法表征热拌沥青路面的抗裂性能。为了评估WMA-LEADCAP和对照HMA混合物在APT加载前后的抗裂性，对APT试验台的岩芯样品进行了ITS试验。混合类型和贩运装载的ITS值绘制在图中8.图中的每个数据点8为三个重复的ITS值的平均值。图中一个大的实心圆8表示每种混合物类型的平均值，作为混合物类型的函数。如图所示8对照HMA混合物在装载前的ITS结果比WMA-LEADCAP混合物的变化更大。在相同的运输载荷条件下，WMA-LEADCAP混合料与对照HMA混合料的平均ITS值相似。这表明，在较低的混合温度下产生的WMA-LEADCAP混合料与控制的HMA混合料具有相似的抗裂性。从图中可以看出8ITS值随着运输条件的变化而降低。运输荷载后两种混合料的ITS值在给定运输荷载前降低了80%的强度。这表明随着运输荷载的增加，抗裂能力变得越来越弱。为进行此比较选择的统计试验为等方差双尾配对t以及。零假设是ITS检验结果相同。一个t-进行显著性水平为0.05的试验，以评估在相同荷载条件下，两种混合料之间的结果差异。数值如图所示8> 0.05，说明两组间ITS结果无差异。这些结果表明，WMA-LEADCAP和控制HMA混合物在环境温度(25°C)下具有相似的抗裂性。

6.摘要和结论

温拌沥青（WMA）在世界各地的道路建设中的应用正在迅速增长。许多WMA技术已经开发并成功实施，显然不会影响路面性能。

开发了一种新的有机WMA添加剂(LEADCAP)，以降低沥青混合料生产和压实的温度，而不改变体积和性能特性。采用LEADCAP添加剂(WMA-LEADCAP)的WMA现场试验段已在世界范围内成功建成。

在有限的WMA-LEADCAP现场试验的基础上，表明LEADCAP添加剂在生产和压实沥青混合料方面是有效的。因此，可以得出结论，WMA-LEADCAP路面在显著较低的温度下实现了与对照HMA路面相当的现场空隙率。WMA-LEADCAP混合料的节能效果和空气质量改善在沥青厂进行了观察，但WMA-LEADCAP路面的长期性能和耐久性有待进一步研究。

为了比较WMA-LEADCAP与对照HMA混合物的性能，根据实验室动态模量试验、间接拉伸强度试验和室内加速路面试验（APT），建立了WMA-LEADCAP试验台以及HMA试验台，并对其抗裂和抗车辙性能进行了评估后果

在加速路面试验（APT）中，WMA-LEADCAP和对照HMA试验台的车辙深度随累积荷载重复次数的变化趋势相似。WMA-LEADCAP混合物在高频下表现出比对照HMA混合物更高的刚度，而两种混合物在低频下表现出相似的刚度。预计WMA-LEADCAP混合物的抗车辙性将优于或至少类似于对照HMA混合物的抗车辙性，这与APT结果一致。在相同载荷条件下，WMA-LEADCAP和对照HMA混合物的平均间接拉伸强度值相似。间接拉伸强度值随运输条件的改变而降低。结果表明，随着载荷的增加，混凝土的抗裂能力逐渐减弱。根据本文给出的有限试验结果，可以得出结论，在较低混合温度下生产的WMA-LEADCAP混合料的性能与对照HMA混合料的性能相当。然而，为了得出更一般的结论，应针对各种混合物（例如，不同骨料来源和粘合剂等级等）应用和评估铅帽添加剂。

承认

这项研究得到了韩国建筑技术研究所和韩国建筑与运输技术评估与规划研究所资助的战略研究项目（低碳低成本沥青路面的开发）的资助。

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