不同礦料級配對抗車轍劑瀝青混合料高溫性能的影響

樊長昕

（山西省交通科學(xué)研究院 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

目前，高溫車轍已成為高等級公路的主要破壞形式。為提高瀝青路面的抗車轍性能，通常在中上面層采用改性瀝青或添加抗車轍劑[1]。抗車轍劑由于良好的路用性能和簡便的添加使用方式，近年來得到快速的發(fā)展[2]。

董澤蛟等人認(rèn)為調(diào)整級配及加入抗車轍劑均可以改善瀝青路面的高溫穩(wěn)定性[3]。朱止波等人通過引入單軸貫入試驗并結(jié)合車轍試驗對不同抗車轍劑的瀝青混合料高溫性能對比研究[4]。國內(nèi)眾多研究主要對添加抗車轍劑的性能評價，對影響抗車轍劑瀝青混合料高溫性能的礦料級配因素很少[5]。

因此，為保證摻入抗車轍劑的瀝青混合料高溫性能，對不同礦料級配的瀝青混合料高溫性能研究十分必要。本文選取不同類型的礦料級配，采用車轍試驗動穩(wěn)定度作為評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，對比分析得出結(jié)論。

1 試驗部分

1.1 主要原材料

試驗所用瀝青為加德士70號石油瀝青，常規(guī)三大指標(biāo)分別為25℃針入度67.0（0.1 mm）、15℃延度大于100 cm、軟化點49.0℃。

抗車轍劑選用自主研發(fā)的德路加D-Ⅱ抗轍裂劑，熔體質(zhì)量流動速率為1.428 g/10 min，黑色松散顆粒，常溫存儲無黏結(jié)聚集現(xiàn)象。

根據(jù)抗車轍劑在路面施工中的應(yīng)用情況，礦料選取AC-13輝綠巖、AC-16輝綠巖和AC-20石灰?guī)r。粗細(xì)集料來自山西省交口縣晉申碎石場，填料為廣西興安礦石粉總廠生產(chǎn)的礦粉。

1.2 試驗工藝

根據(jù)工程項目經(jīng)驗，油石比采用4.4%，抗車轍劑摻加量為瀝青混合料質(zhì)量的0.4%。

瀝青混合料拌合溫度為180℃，壓實溫度為150℃～160℃。

室內(nèi)進(jìn)行瀝青混合料的拌合，拌合順序為：

1）D-Ⅱ與加熱到190℃的石料干拌90 s；

2）加入160℃的瀝青濕拌90 s；

3）加入礦粉拌合90 s。

車轍試驗按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行[6]。車轍實驗儀為北京航天航宇測控技術(shù)研究所的HYCZ-5型，試件采用碾壓成型的300 mm×300 mm×50 mm車轍試件，試驗溫度為60℃。

1.3 試驗方案

本文采用我國最普及的車轍試驗，以60℃動穩(wěn)定度作為評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室內(nèi)試驗研究。每種礦料合成3種級配類型，分析對比不同礦料、級配類型對摻入抗車轍劑的瀝青混合料的高溫性能的影響，得出結(jié)論。

2 結(jié)果與討論

2.1 AC-13輝綠巖級配的影響

AC-13瀝青混合料主要應(yīng)用在高速公路路面的上面層，厚度一般為4 cm。上面層作為和交通荷載直接接觸的面層，其高溫抗車轍性能十分必要[7]。目前我國絕大部分高速公路面層主要采用SBS改性或抗車轍劑改性瀝青路面。

本次研究采用AC-13輝綠巖礦料，合成3種不同級配分別進(jìn)行車轍試驗。其中：級配AC-13-1為去粉50%目標(biāo)配合比；級配AC-13-2為未去粉目標(biāo)配合比；級配AC-13-3為實驗室調(diào)整配合比，細(xì)料用量加大，粗料相對少。AC-13輝綠巖3種級配合成曲線見圖1，動穩(wěn)定度車轍試驗數(shù)據(jù)見表1。

圖1 AC-13輝綠巖3種級配合成曲線

從圖1 AC-13輝綠巖各級配合成曲線可以看出：級配AC-13-1與級配AC-13-2相比，2.36 mm以上的篩孔基本沒有變化，主要是細(xì)集料中小于0.075 mm的細(xì)粉減少，進(jìn)而級配曲線2.36 mm以下各篩孔通過率都會少1%。級配AC-13-3將粗集料10～15 mm的用量減少13%，相應(yīng)細(xì)集料0～3 mm機(jī)制砂用量增加13%，與AC-13-2相比各篩孔通過率增加10%左右，其中9.5 mm的通過率已經(jīng)超過上限[8]。

從表1 AC-13輝綠巖3種級配車轍試驗表明：摻入抗車轍劑之后，3種級配的瀝青混合料動穩(wěn)定度均在5000次/mm以上，滿足規(guī)范中摻入抗車轍劑后動穩(wěn)定度大于2800次/mm的要求[8]。級配AC-13-2與AC-13-1相比，動穩(wěn)定度從6659次/mm下降到5236次/mm，級配AC-13-3動穩(wěn)定度大于10000次/mm以上。

通過AC-13輝綠巖3種級配合成曲線與車轍試驗結(jié)果分析，3種級配隨著各篩孔的通過率增高，即級配合成曲線越靠上，車轍動穩(wěn)定度越大。動穩(wěn)定度隨著混合料中細(xì)礦料的增多而出現(xiàn)增大的趨勢，主要由于AC-13混合料中最大公稱粒徑石料為16 mm，礦料中起主要作用的是4.75 mm以下的細(xì)礦料。當(dāng)混合料中細(xì)料的含量增多時，車轍試件整體的壓實度會增大，在測試中很難壓下去。

表1 AC-13輝綠巖3種級配車轍試驗結(jié)果

2.2 AC-16輝綠巖級配的影響

AC-16瀝青混合料一般是用在市政道路的面層或者高速公路的中面層。厚度一般為4～6 cm。城市高溫條件下的市政路面和重交通荷載下的高速路面中面層均需要優(yōu)良的高溫抗車轍性能。

本次研究采用AC-16輝綠巖礦料，在實驗室條件下合成3種不同級配，分別進(jìn)行車轍試驗。其中：級配AC-16-1為未去粉工程級配；級配AC-16-2為未去粉實驗室合成級配；級配AC-16-3為去粉70%實驗室合成級配。AC-16輝綠巖3種級配合成曲線見圖2，動穩(wěn)定度車轍試驗數(shù)據(jù)見表2。

圖2 AC-16輝綠巖3種級配合成曲線

從圖2中AC-16輝綠巖各級配合成曲線可以看出：3種級配在9.5 mm以上篩孔的通過率基本一樣，變化主要在4.75 mm及以下篩孔，3種級配各篩孔通過率之間大概差5%左右。級配AC-16-1細(xì)礦料用量相對多，級配合成曲線整體偏上，0.6 mm及以下各篩孔通過率已超過《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的上限。級配AC-16-3的細(xì)礦料0.075 mm以下量去粉70%，AC-16-2未去粉，使得級配AC-16-3比AC-16-2整體偏下，且在規(guī)定的上限之內(nèi)[8]。

表2 AC-16輝綠巖3種級配車轍試驗結(jié)果

從表2 AC-16輝綠巖3種級配車轍試驗表明：瀝青混合料摻入抗車轍劑之后，級配AC-16-1的動穩(wěn)定度只有2288次/mm，AC-16-2的動穩(wěn)定度為3502次 /mm，滿足規(guī)范中不小于 2800次 /mm的要求[8]，而級配AC-16-3的動穩(wěn)定度達(dá)到5720次/mm，性能優(yōu)良。

AC-16輝綠巖3種合成級配說明，隨著瀝青混合料中4.75 mm以下各篩孔通過率的提高，動穩(wěn)定度逐漸變小。AC-16輝綠巖瀝青混合料的高溫性能會隨著4.75 mm以下細(xì)礦料的增多而變差。主要由于AC-16混合料中細(xì)礦料的用量增多后，特別是0.6 mm及以下各篩孔通過率超過AC-16級配上限時，瀝青混合料大料之間存在多余的細(xì)料，很難形成相互嵌擠的骨架密實結(jié)構(gòu)。在荷載的作用下，大料之間會相互滑動，形成難以恢復(fù)的車轍病害，影響瀝青路面的高溫性能。因此在AC-16輝綠巖的施工過程中，細(xì)集料的用量和去粉十分重要。

2.3 AC-20石灰?guī)r級配的影響

我國擁有大量的石灰?guī)r資源，為減少工程造價就地取材，在絕大部分省份的高速公路中下面層建設(shè)均采用AC-20或AC-25石灰?guī)r[9]。其中AC-20石灰?guī)r廣泛應(yīng)用在中面層并摻入抗車轍劑以提高路面的抗車轍性能。

本次研究采用AC-20石灰?guī)r礦料，為與AC-16輝綠巖性能比較，采用同樣的方式在實驗室條件進(jìn)行車轍試驗。其中：級配AC-20-1為未去粉工程級配；級配AC-20-2為未去粉實驗室合成級配；級配AC-20-3為去粉70%實驗室合成級配。AC-20石灰?guī)r3種級配合成曲線見圖3，動穩(wěn)定度車轍試驗數(shù)據(jù)見表3。

圖3 AC-20石灰?guī)r3種級配合成曲線

從圖3中AC-20石灰?guī)r各級配合成曲線可以看出：級配AC-20-1整體偏細(xì)，即細(xì)礦料用量相對多，級配合成曲線整體偏上，0.6 mm及以下各篩孔通過率已超過《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的上限。級配 AC-20-2中 0.3 mm、0.15 mm及0.075 mm的通過率已超過規(guī)定上限。級配AC-20-3比級配AC-20-2整體偏下，且在規(guī)定的上限之內(nèi)[8]。

表3 AC-20石灰?guī)r3種級配車轍試驗結(jié)果

表3 AC-20石灰?guī)r3種級配動穩(wěn)定度車轍試驗表明：瀝青混合料摻入抗車轍劑之后，級配AC-20-1的動穩(wěn)定度只有2059次/mm，AC-20-2的動穩(wěn)定度為2716次/mm。級配AC-20-3的動穩(wěn)定度達(dá)到5408次/mm，高溫性能很好。

AC-20石灰?guī)r3種合成級配的車轍試驗說明，同AC-16輝綠巖混合料的變化趨勢一致。隨著礦料中細(xì)礦料用量的增多，混合料的動穩(wěn)定度降低，即高溫性能下降。當(dāng)混合料難以形成穩(wěn)定相互嵌擠的骨架密實結(jié)構(gòu)時，路面很容易發(fā)生車轍病害。因此在AC-20石灰?guī)r的施工過程中，細(xì)集料的用量和去粉同樣十分重要。

2.4 AC-16輝綠巖與AC-20石灰?guī)r的性能對比

為了解摻入抗車轍劑的AC-16輝綠巖與AC-20石灰?guī)r瀝青混合料高溫性能優(yōu)劣，采用同樣方式分別合成3種級配進(jìn)行瀝青混合料的高溫抗車轍試驗。即未去粉工程級配、未去粉實驗室合成級配、去粉70%實驗室合成級配。動穩(wěn)定度車轍試驗數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 AC-16輝綠巖與AC-20石灰?guī)r性能對比

圖4試驗結(jié)果說明：AC-16輝綠巖與AC-20石灰?guī)r隨級配的變化，瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度變化趨勢一致。而每種級配下，輝綠巖的高溫抗車轍性能均略優(yōu)于石灰?guī)r。主要由于輝綠巖具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，其極限抗壓強(qiáng)度在200～300 MPa，而石灰?guī)r的強(qiáng)度很低，本實驗用泥質(zhì)石灰?guī)r只有25～50 MPa。在同樣的荷載作用下，混合料中的個別石灰?guī)r會自身擠壓破碎，失去骨架的作用，而輝綠巖則不會。因此，在同樣工藝條件下，輝綠巖的高溫抗車轍性能要優(yōu)于石灰?guī)r。

3 結(jié)論

a）礦料級配的差異性對抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能影響很大。AC-13、AC-16及AC-20三種類型瀝青混合料均受到不同程度的影響。

b）摻入抗車轍劑的AC-13瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度隨著細(xì)集料的增多而出現(xiàn)增大的趨勢。

c）AC-16輝綠巖與AC-20石灰?guī)r變化趨勢一致，隨著礦料中細(xì)集料用量的增多，混合料的動穩(wěn)定度降低，路面的高溫抗車轍性能下降。

d）在同樣工藝條件下，輝綠巖的高溫抗車轍性能要優(yōu)于石灰?guī)r。

e）為保證抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能，必須選取合適的礦料級配。其中，細(xì)集料的用量和去粉十分重要。