天然巖瀝青復合改性瀝青性能評價與應用研究

余四新，韋金城，蔡長松，吳立強

（1.高速公路養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室（濟南），山東濟南250031；2.濱州市公路管理局，山東濱州256603）

天然巖瀝青復合改性瀝青性能評價與應用研究

余四新1，韋金城1，蔡長松2，吳立強2

（1.高速公路養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室（濟南），山東濟南250031；2.濱州市公路管理局，山東濱州256603）

提高瀝青膠結料的高溫粘度是增強路面瀝青混合料抗車轍性能的重要措施，而在實際工程應用中瀝青膠結料的選擇應綜合考慮其高低溫性能。文章對所研發(fā)的天然巖瀝青－SBS復合改性瀝青進行了高低溫性能評價，針對該復合改性瀝青進行AC－16和SMA－13配合比設計，并應用到高速公路車轍維修工程。結果表明：該復合改性瀝青性能分級為PG82－22，混合料TSR大于80%，低溫破壞應變大于3000με，現(xiàn)場芯樣浸水漢堡輪轍試驗深度小于6mm，該復合改性瀝青混合料在滿足低溫性能的同時提高了抗高溫車轍性能。

道路工程；瀝青路面；養(yǎng)護工程；天然巖瀝青復合改性瀝青；車轍

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，大約80%的瀝青路面的維修養(yǎng)護是因為路面車轍變形所引起。與路面裂縫、水損壞等其他病害相比，瀝青混凝土路面中的車轍危害性最大［1］。瀝青路面中的瀝青材料是一種典型的粘彈性材料，對于粘彈性材料，在重復荷載作用下，呈現(xiàn)出變形的逐漸增大［2］。為了提高瀝青路面的抗車轍能力，除了在原材料選擇上應選擇石質(zhì)堅硬、耐磨、潔凈、干燥、無風化、無雜質(zhì)，具有良好的顆粒形狀的集料以外，還應選擇稠度較高、軟化點高、溫度穩(wěn)定性較好，在高溫下仍能保持足夠的粘滯性的瀝青，同時還應重視瀝青的低溫性能以保證瀝青混合料抗低溫開裂性能。近年來，在提高瀝青混合料高溫性能的應用研究方向主要體現(xiàn)在瀝青的選擇上，如采用SBS改性瀝青、天然巖瀝青改性瀝青［3］、低標號硬質(zhì)瀝青、外加抗車轍劑或高模量劑［4］、復合改性瀝青等。但是在工程應用中發(fā)現(xiàn)，單一改性瀝青如SBS改性瀝青無法滿足日益增長的高溫性能要求［5］；經(jīng)純天然巖瀝青改性的瀝青，高溫性能顯著提高，但是幾乎同幅度地降低了低溫性能［6］；低標號硬質(zhì)瀝青在提高混合料高溫性能的同時低溫性能卻顯著降低，路面低溫開裂現(xiàn)象嚴重［7－8］；摻加高模量劑或抗車轍劑的造價較高，并且增大拌和難度，計量不準等。因此，在考慮成本因素的基礎上，采用天然巖瀝青和SBS改性劑對基質(zhì)瀝青進行復合改性以獲得良好的高低溫綜合性能的P G 82－22復合改性瀝青，并將其應用到高速公路養(yǎng)護中車轍維修工程中，通過現(xiàn)場鉆取的芯樣浸水漢堡輪轍試驗驗證混合料高溫及水穩(wěn)定性能，可為高速公路瀝青路面車轍維修工程材料設計及混合料施工提供參考。

1 天然巖瀝青復合改性瀝青性能評價

1.1 常規(guī)指標

首先根據(jù)JTGE 20—2011《瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［9］進行了相關指標的檢測，檢測結果見表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，該天然巖瀝青復合改性瀝青的軟化點高于SBS I－D改性瀝青標準，有利于提高瀝青混合料的高溫性能。

表1 天然巖瀝青復合改性瀝青常規(guī)性能指標試驗結果

1.2 性能分級

根據(jù)AASHTOMP1瀝青膠結料性能分級規(guī)范［10］，對該天然巖瀝青復合改性瀝青P G分級試驗，試驗結果如表2、3所示。根據(jù)試驗結果，該天然巖瀝青復合改性瀝青P G分級為P G 82－22，即該天然巖瀝青復合改性瀝青可以適應的瀝青路表最高溫度為82℃，最低溫度為－22℃的氣候條件。對比該天然巖瀝青復合改性瀝青的性能分級評價結果及SBS改性瀝青性能分級P G 76－22和70號瀝青性能分析P G 64－22，可知在瀝青高溫性能方面，該天然巖瀝青復合改性瀝青較SBS改性瀝青提高了1個等級，較70號瀝青提高了3個等級，同時其低溫性能保持不變。

表2 天然巖瀝青復合改性瀝青性能分級數(shù)據(jù)（DSR）

表3 天然巖瀝青復合改性瀝青性能分級數(shù)據(jù)（BBR）

2 天然巖瀝青復合改性瀝青混合料配合比設計

2.1 目標配合比設計

針對該天然巖瀝青復合改性瀝青進行A C 16中面層和SMA－13表面層目標配合比設計。采用馬歇爾試驗配合比設計方法優(yōu)選礦料級配，確定最佳瀝青含量，并進行規(guī)定實驗條件的性能檢驗。礦料級配采用山東省交通科研所推薦的工程級配，混合料設計空隙率較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料空隙率小，且由于天然巖瀝青復合改性瀝青粘度較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青大，為了便于現(xiàn)場施工壓實，并提高混合料抗低溫開裂性能，適當增加瀝青用量提高混合料瀝青飽和度。混合料合成級配如圖1所示，設計瀝青用量及馬歇爾試驗結果見表4。

圖1 混合料合成級配曲線

表4 設計瀝青用量及馬歇爾試驗結果

2.2 性能檢驗

按照JTGF 40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》［11］規(guī)定，對瀝青混合料進行水穩(wěn)定性檢驗、高溫穩(wěn)定性和低溫性能檢驗，試驗結果如表5所示。為了體現(xiàn)出天然巖瀝青復合改性瀝青抗高溫車轍性能，將其車轍性能試驗的標準溫度由60℃提高到70℃，標準輪壓力由0.7 MPa提高到1.0 MPa。由表5中試驗結果數(shù)據(jù)可知，天然巖瀝青復合改性瀝青混合料的車轍深度小于2 m m，并且其低溫破壞應變＞3000μ ε，反應水穩(wěn)定性的TSR＞80%。由以上試驗結果可知，該天然巖瀝青復合改性瀝青混合料的高低溫性能優(yōu)良。

3 天然巖瀝青復合改性瀝青工程應用

環(huán)”高等級公路網(wǎng)規(guī)劃中“一縱”的重要組成路段，起于濱州市西部，在沾化大高與G 205連接，全長28.2 k m，按雙向四車道高速公路標準建設，于2005年12月1日建成通車。長深高速公路是中國交通量最大和軸重最重的高速公路之一。根據(jù)實測資料，長深高速濱州段的大型貨車車重平均超過32 t，其中平均車重超過55 t的大型貨車占33%。長深高速濱州段在經(jīng)歷8年多的運營后，在重載交通作用下，加上頻頻出現(xiàn)的極端高溫氣候，全線路面出現(xiàn)不同程度的病害，以車轍病害最為嚴重，已經(jīng)影響到公路的行車速度和行車安全。因此，山東省公路管理局計劃2014年6月對該路段進行車轍維修以恢復路面的正常行駛功能、滿足不斷增長的交通量需求和延長路面結構的使用壽命。經(jīng)過專家論證，在G 25長深高速濱州段的2014年車轍維修工程中采用了天然巖瀝青－SBS復合改性瀝青，并針對該瀝青進行了目標、生產(chǎn)配比設計，開發(fā)了復合改性瀝青現(xiàn)場加工設備。

表5 目標配比性能試驗結果

3.1 工程概況

G 25長深高速濱州段是山東省“五縱、四橫、一

原路面結構瀝青層為4 c m的SMA－13上面層、5 c m的A C－16中面層、6 c m的A C－20面層，在重載交通和夏季高溫的綜合作用下，行車道路面車轍最大深度達到30 m m，如圖2所示。2014年中修工程車轍維修處理方案為：銑刨行車道原路面結構SMA－13上面層及局部車轍深度較大路段的A C－16中面層后攤鋪4 c m的A C－16中面層（銑刨了原路面結構中上面層的局部路段A C－16攤鋪厚度為9 c m）然后全斷面加鋪SMA－13上面層。

圖2 行車道車轍深度圖

圖3 原路面行車道銑刨后圖

原路面行車道銑刨后如圖3所示。其中，東幅樁號K 1292＋920～K 1292＋120共計800 m長試驗路段中上面層采用了天然巖瀝青復合改性瀝青，瀝青生產(chǎn)方式為拌和站現(xiàn)場加工，拌和站及天然巖瀝青復合改性瀝青生產(chǎn)設備如圖4所示。

圖4 拌和站及天然巖瀝青復合改性瀝青現(xiàn)場生產(chǎn)設備圖

3.2 現(xiàn)場取芯性能檢測

為了檢驗成品瀝青路面的高溫抗車轍性能及水穩(wěn)定性能，目前最直接、最成熟可靠的快速檢測方法為路面現(xiàn)場取芯進行浸水漢堡輪轍試驗［12－13］。漢堡輪轍試驗（Hamburg Wheel-tracking Test）用于測定瀝青混合料的水穩(wěn)定性及抗車轍性能性［14］。試驗的基本過程：使一定規(guī)格和重量的鋼制輪子在浸泡于溫度為40到55℃水中的瀝青混合料試件表面上來回碾過20000遍，通過測量瀝青混合料的輪轍深度和變形曲線的特征判斷瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗車轍性能。德克薩斯州交通部公路施工及維護規(guī)范根據(jù)瀝青膠結料的P G等級提出相應的指標要求［15］，見表6。

表6 德克薩斯州漢堡輪轍試驗要求

G 25長深高速2014年中修工程車轍修復處理東幅樁號K 1292＋920～K 1292＋120上面層SMA－13和中面層A C－16采用了天然巖瀝青復合改性瀝青。成品路面高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性檢測采用現(xiàn)場取芯（芯樣直徑150 m m）切割、加工成漢堡試樣進行浸水漢堡輪轍試驗。取芯賬號為K 1292＋520和K 1292＋860，取芯平面位置選擇在行車道中心線上，該位置處在施工熱接縫部位，為壓實最不利部位，同時也可遠離輪跡帶，減小對路面結構的破壞。

試件的漢堡輪轍試驗結果見表7所示。輪轍試驗變形曲線如圖5所示。

表7 漢堡輪轍試驗結果

圖5 現(xiàn)場芯樣漢堡輪轍試驗曲線圖

該工程中面層A C－16和上面層SMA－13采用的天然巖瀝青復合改性瀝青P G分級為P G 82－22。對照德克薩斯州交通部（TxDOT）公路施工及維護規(guī)范中提出的根據(jù)瀝青膠結料的P G等級提出的指標要求，采用P G 76以上的最高要求進行評價，此次漢堡試驗最大變形量為5.88 m m，小于6 m m，遠遠小于德克薩斯州漢堡試驗最大變形量為12.7 m m的標準。由此可見，該天然巖瀝青復合改性瀝青混合料抗車轍性能優(yōu)良，在G 25長深高速濱州段應用效果較好。

4 結論

提高瀝青膠結料的高溫粘度是增強路面瀝青混合料抗車轍性能的重要措施，而在實際工程應用中瀝青膠結料的選擇應綜合考慮其高低溫性能。文章對所研發(fā)的天然巖瀝青－SBS復合改性瀝青進行了高低溫性能評價，針對該復合改性瀝青進行A C－16和SMA－13配合比設計，并應用到高速公路車轍維修工程，結果表明：瀝青P G分級達到P G 82－22，較70號瀝青高溫性能提高3個等級，較SBS改性瀝青高溫性能提高1個等級而低溫性能不變；混合料TSR大于80%，低溫破壞應變小于3000μ ε，現(xiàn)場芯樣浸水漢堡輪轍試驗深度小于6 m m，該復合改性瀝青混合料在滿足低溫性能的同時大大提高了抗高溫車轍性能；該復合改性瀝青對于解決重交通國省道和渠化交通嚴重的市政道路車轍問題具有較高的應用價值。

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（學科責編：李雪蕾）

Performance evaluation and app lication in highway maintenance project of Gilsonite-SBS com pound modified asphalt

Yu Sixin1，Wei Jincheng1，Cai Changsong2，et al.
（1.Key Laboratory for Expressway Maintenance Technology of Ministry of Transport，Jinan 250031，China；2.Highway Management Bureau of Binzhou，Binzhou 250031，China）

It's an importantmethod of improving rutting resistance performance of asphalt concrete to enhance viscosity of asphalt at high temperature.However，the performance of asphalt at both high and low temperature must be considered in the field.The performance of the compound modified asphalt is evaluated by laboratory testing based on PGmethod of SHRP.The result shows that the PG grade of the compound modified asphalt is PG82－22.The production equipment used in the field is also developed，which applied Gilsonite-SBS asphalt in ruttingmaintenance project of G25 highway. Themixture gradation is specifically designed for the asphalt concrete of AC16 and SMA13 using Gilsonite-SBS asphalt.The hamburger wheel tracking test result of the cores cored form the field implies that the rutting depth is less than 6mm after 20000 passes of wheel load at 50℃.All of the performance test results revealed that the rutting resistance is highly enhanced without reduction of performance at low temperature，which would be a reference in highway ruttingmaintenance project.

road engineering；asphalt pavement；maintenance project；Gilsonite-SBS compound modified asphalt；rutting

U416.217

A

2015－05－09

余四新（1982－），男，工程師，碩士，主要從事道路結構與材料方面的研究.E-mail：chd008＠126.com

1673－7644（2015）05－0435－06