嚴(yán)寒地區(qū)高黏高彈改性瀝青應(yīng)力吸收層瀝青混合料路用性能研究

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

河北省張家口市北部壩上地區(qū)由于受到內(nèi)蒙古高壓控制，冬季寒冷，冰凍期長。受氣候條件和交通荷載影響，當(dāng)?shù)貫r青路面存在嚴(yán)重的反射裂縫問題。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毓坊鶎哟罅坎捎梅€(wěn)定類半剛性材料，這種材料雖然有著很高的強(qiáng)度和較低的成本，但由于其本身的溫縮和干縮裂縫會(huì)隨著車輛荷載作用而反射到瀝青層[1，2]，因而產(chǎn)生了大量的反射裂縫。在當(dāng)?shù)氐呐f路加鋪改建過程中，許多舊瀝青路面加鋪瀝青面層后，短時(shí)間內(nèi)又出現(xiàn)了大量的反射裂縫，它會(huì)影響新鋪設(shè)的瀝青路面的質(zhì)量，并降低路面完整性和使用壽命。鑒于如何延緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，國內(nèi)外已采取了許多措施，并開展了大量研究和工程實(shí)踐[3-7]。近年來，在歐洲、美國及我國的經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)力吸收層可有效防治反射裂縫。本文主要研究了3種應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料的性能及其混合料的路用性能，為解決河北省張家口市北部壩上地區(qū)瀝青路面反射裂縫嚴(yán)重的問題提供技術(shù)支撐。

1 瀝青原材料

應(yīng)力吸收層瀝青混合料是由大量的細(xì)骨料、礦物填料和特殊高含量、高彈性聚合物改性瀝青結(jié)合料組成，瀝青在應(yīng)力吸收層瀝青混合料中所占比重大，其性能直接決定了應(yīng)力吸收層瀝青混合料路用性能的優(yōu)劣，也是能否實(shí)現(xiàn)混合料路用性能優(yōu)良的保障。本研究通過對(duì)不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的高黏高彈Ⅰ型改性瀝青(以下稱A瀝青)、高黏高彈Ⅱ型改性瀝青(以下稱B瀝青)和I-D SBS改性瀝青(以下稱C瀝青)的技術(shù)性能進(jìn)行研究，來評(píng)價(jià)3種瀝青結(jié)合料。

1.1 應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料的常規(guī)試驗(yàn)評(píng)價(jià)

3種改性瀝青常規(guī)技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 3種改性瀝青的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果Table1 Testresultsofroutinetechnicalindexesofthreemodifiedasphalts瀝青品種針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/cm軟化點(diǎn)TR&B/℃60℃動(dòng)力粘度/(Pa·s)布氏黏度135℃/(Pa·s)閃點(diǎn)/℃彈性恢復(fù)25℃/%離析,48h/℃旋轉(zhuǎn)薄膜老化質(zhì)量變化/%針入度比25℃/%延度5℃/cmA瀝青8963.5852179813.95288981.6-0.1958036B瀝青85.265.7892547942.5613181000.54-0.098555C瀝青56.632.989.3647402.664334921.60.0627815.1試驗(yàn)方法T0604T0605T0606T0620T0619T0611T0662T0661T0610T0604T0605

從3種瀝青的常規(guī)指標(biāo)值來看，3種瀝青的軟化點(diǎn)和135 ℃的布氏黏度相差不多，然而，就針入度、延度、60 ℃的動(dòng)力黏度及RTFOT老化后的延度等技術(shù)指標(biāo)而言，通過添加各種改性劑制成的A、B兩種高黏高彈改性瀝青，與普通改性瀝青C相比，均有大幅提高。

1.2 按PG分級(jí)評(píng)價(jià)應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料

美國SHRP瀝青結(jié)合料規(guī)范主要是根據(jù)瀝青老化前后的性能變化對(duì)瀝青結(jié)合料進(jìn)行分級(jí)，本研究基于SHRP的分級(jí)試驗(yàn)，研究了3種應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料的性能。

1.2.1高溫PG分級(jí)

a.原樣瀝青結(jié)合料的高溫流變性能研究。

采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)對(duì)3種瀝青原樣樣品進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 原樣瀝青結(jié)合料抗車轍因子(G*/sinδ)值Figure 1 Primary asphalt anti-rutting factor G*/sinδ

b.RTFOT殘留物瀝青結(jié)合料高溫流變性能研究。

對(duì)上述3種瀝青原樣樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT)，以模擬拌合、運(yùn)輸及施工過程中瀝青材料實(shí)際發(fā)生的短期老化。然后進(jìn)行老化瀝青樣品的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 RTFOT殘留瀝青抗車轍因子(G*/sinδ)值Figure 2 RTFOT leftover asphalt anti-rutting factor G*/sinδ

瀝青結(jié)合料的抗車轍因子(G*/sinδ)用來表征瀝青的抗車轍變形能力，其值越大，說明其流動(dòng)變形能力越小，其瀝青混合料的抗永久變形能力越強(qiáng)。從圖1和圖2可以清楚地看出3種瀝青結(jié)合料之間的差別，A、B瀝青原樣的抗車轍因子要顯著高于C瀝青原樣，但經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜老化后，這種優(yōu)勢(shì)明顯減弱。B瀝青無論是原樣瀝青還是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青，都具有良好的高溫性能(82 ℃)，A瀝青原樣表現(xiàn)出了良好的高溫性能，但經(jīng)過短期老化后，其高溫性能與C瀝青相接近。

1.2.2低溫PG分級(jí)

瀝青路面在寒冷的氣候狀況下容易產(chǎn)生裂縫，防裂是應(yīng)力吸收層的基本功能。瀝青結(jié)合料的低溫變形能力是瀝青混合料低溫抗裂性能的主要影響因素。為了確定3種瀝青結(jié)合料的低溫性能，對(duì)3種瀝青進(jìn)行了RTFOT短期老化和PAV長期老化，然后對(duì)老化殘留瀝青樣品進(jìn)行了彎曲梁試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：A瀝青的低溫PG分級(jí)為PG34，B、C瀝青的低溫PG分級(jí)為PG22。A瀝青的低溫性能明顯優(yōu)于B和C，考慮到應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，對(duì)于壩上氣候嚴(yán)寒地區(qū)，建議使用具有更好低溫性能的A瀝青，進(jìn)行應(yīng)力吸收層技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料路用性能研究

本研究的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)采用美國科氏推薦的礦料級(jí)配范圍，礦料合成級(jí)配如表2所示。采用8.2%的油石比成型混合料，然后研究其路用性能。

表2 3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料礦料合成級(jí)配Table2 Syntheticgradationofthreeasphaltmixturewithstressabsorbinglayers篩孔尺寸/mm級(jí)配上限下限合成級(jí)配篩孔尺寸/mm級(jí)配上限下限合成級(jí)配13.2100100100.00.6552529.69.510010099.80.3351520.24.751008091.90.1520815.92.36856074.90.07514612.51.18704043.0

2.1 高溫穩(wěn)定性

應(yīng)力吸收層屬于砂粒式瀝青混合料，集料偏細(xì)，礦粉和瀝青用量偏多，它的強(qiáng)度主要是依靠集料跟瀝青與礦粉組成的膠漿之間的黏結(jié)力。在本文中，車轍試驗(yàn)被用來評(píng)價(jià)3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，其試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Figure 3 Rutting test results of asphalt mixtures with different stress absorbing layers

根據(jù)圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于礦料級(jí)配偏細(xì)和高瀝青含量，3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度都比較低，國內(nèi)技術(shù)規(guī)范對(duì)應(yīng)力吸收層瀝青混合料的高溫性能也沒相關(guān)技術(shù)要求，考慮到應(yīng)力吸收層主要是用來抑制受氣候條件影響產(chǎn)生的低溫開裂和反復(fù)行車荷載造成的疲勞破壞而非高溫車轍破壞，對(duì)其高溫穩(wěn)定性的要求并不是很嚴(yán)格。此外，應(yīng)力吸收層主要用作結(jié)構(gòu)層，攤鋪在舊瀝青路面與瀝青加鋪層之間，只要設(shè)置適當(dāng)厚度的瀝青加鋪層，路面整體結(jié)構(gòu)便可以擁有良好的抗車轍能力。

2.2 低溫彎曲性能

在低溫下，瀝青混合料的勁度將增加，其抗變形能力將顯著降低，比較容易產(chǎn)生開裂。在壩上氣候嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)力吸收層的低溫抗裂性能更顯得重要。本文采用小梁彎曲試驗(yàn)來對(duì)應(yīng)力吸收層瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料-10 ℃低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Figure 4 Low temperature bending test results of asphalt mixtures with different stress absorbing layers at-10 ℃

從圖4的結(jié)果可知，A、B兩種瀝青混合料在-10 ℃的低溫彎拉應(yīng)變滿足冬嚴(yán)寒區(qū)≥3 000 με的技術(shù)要求，表明A、B兩種高黏高彈改性瀝青應(yīng)力吸收層瀝青混合料具有優(yōu)良的低溫抗裂性能，且A瀝青混合料的低溫彎曲性能明顯優(yōu)于B和C。

2.3 水穩(wěn)定性

水損害在瀝青路面損害中較為常見，許多瀝青路面的早期破損多是由于水損害而引起的。應(yīng)力吸收層混合料攤鋪在舊瀝青路面上，如果水穩(wěn)定性不好，結(jié)構(gòu)層滲水或混合料自身產(chǎn)生水損害，則會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致原基層的水損害，進(jìn)而引起整體路面結(jié)構(gòu)的承載力下降。浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)是用來評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的2種最常用的試驗(yàn)方法，本文也采用這2種試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Figure 5 Test results of marshall immerion test and freeze-thaw spilitting test of asphalt mixtures with different stress absorbing layers

根據(jù)圖5中的試驗(yàn)結(jié)果，3種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度都高于85%，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比也都大于80%，三者都具有良好的抗水損害能力。分析其原因，可能與應(yīng)力吸收層的材料組成特點(diǎn)有關(guān)，級(jí)配連續(xù)、集料細(xì)、瀝青含量高且孔隙率小，水分很難浸入。綜合對(duì)比3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性，C瀝青混合料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于A和B。

2.4 抗疲勞性能

應(yīng)力吸收層瀝青混合料應(yīng)具備很強(qiáng)的抗疲勞性能，這是其防治反射裂縫的特定功能所必需的。本文通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，來分析3種瀝青混合料的疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table3 Fatiguetestresultsofasphaltmixtureswithdifferentstressabsorbinglayers混合料類型試驗(yàn)條件疲勞作用次數(shù)Nf/次A瀝青混合料266740B瀝青混合料20℃,2000με,10Hz163546C瀝青混合料6580

3 結(jié)論

a.從3種瀝青的常規(guī)指標(biāo)來看，A、B兩種高黏高彈改性瀝青的針入度、延度和60 ℃的動(dòng)力黏度都要明顯高于普通改性瀝青C。

b.根據(jù)3種瀝青結(jié)合料的高低溫PG分級(jí)結(jié)果，A瀝青的PG分級(jí)是76-34，B瀝青的PG分級(jí)是82-22，C瀝青的PG分級(jí)是76-22，A瀝青的低溫性能要優(yōu)于B和C。

c.從高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果來看，3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料由于礦料級(jí)配偏細(xì)，瀝青含量較高，高溫穩(wěn)定性均不是很好。從低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果來看，A、B兩種高黏高彈改性瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能，且A的低溫性能要明顯優(yōu)于B和C。從水穩(wěn)定性來看來看，3種瀝青混合料都具有良好的水穩(wěn)定性，且C瀝青混合料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于A和B。從四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果來看，3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的疲勞壽命排序?yàn)锳>B>C。

d.通過對(duì)3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的路用性能的研究發(fā)現(xiàn)，高黏高彈改性瀝青混合料相比常規(guī)的改性瀝青混合料，具有更好的路用性能，推薦在河北省張家口市北部壩上地區(qū)和國內(nèi)氣候類似地區(qū)采用高黏高彈Ⅰ型改性瀝青進(jìn)行應(yīng)力吸收層技術(shù)的推廣應(yīng)用。