水-溫相互作用下高模量瀝青混合料路用性能研究*

寧毅，郭志堅(jiān)，劉向杰

(1.河南中州路橋建設(shè)有限公司，河南 周口 466000；2.中國河南國際合作集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450004；3.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

SBS改性瀝青路面在通車運(yùn)營一定年限后瀝青會(huì)逐漸老化，瀝青與礦料之間的黏附性逐漸降低，路面車轍、松散、裂縫、泛油及坑槽等病害逐漸發(fā)生，嚴(yán)重影響路面的使用性能及行車安全性。為延長路面使用年限，改善高等級(jí)公路服務(wù)水平，采用高模量劑來改善瀝青路面性能。宋樂春等對(duì)AM 系列高模量劑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)AM-1 更適合多雨地區(qū)，AM-2 更適合夏季高溫地區(qū)；汪于凱等對(duì)高模量瀝青混合料動(dòng)靜態(tài)模量開展研究，得出在低頻條件下高模量劑種類與試驗(yàn)結(jié)果成指數(shù)關(guān)系；王知樂等將PP、HDPE 、EVA 3種高模量劑摻入瀝青混合料中進(jìn)行高溫及低溫性能試驗(yàn)，結(jié)果表明混合料高溫及低溫性能得到很大提高；戚林玲等將低標(biāo)號(hào)瀝青及高模量劑摻入瀝青混合料中進(jìn)行高溫性能及動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，結(jié)果表明瀝青路面抗車轍能力及動(dòng)態(tài)模量均得到很大提高；劉華敏將湖瀝青摻入瀝青混合料中進(jìn)行高溫及水穩(wěn)定性能試驗(yàn)，結(jié)果表明湖瀝青改性瀝青混合料更適合高溫多雨地區(qū)。該文選取RA、PR.M 和BRA 3種高模量劑，針對(duì)AC-13C、AC-20C 2種級(jí)配，在不同試驗(yàn)條件下進(jìn)行高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害等路用性能研究，為高模量瀝青路面的應(yīng)用提供理論支撐。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

瀝青作為路面結(jié)構(gòu)層的黏結(jié)材料，對(duì)瀝青路面性能起關(guān)鍵作用。選用70#A級(jí)瀝青展開研究，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 70#A級(jí)道路石油瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 外加劑

溫度高于100 ℃時(shí)，高模量劑逐漸融化，能較好地分散到混合料中，與瀝青膠漿共同填充礦料之間的空隙，達(dá)到增韌、膠結(jié)的效果，提高混合料內(nèi)部的內(nèi)摩阻力，增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)模量。將RA(Resin Alloy)、PR.M(PR Module)和BRA(天然瀝青)3種高模量劑(見圖1)分別以不同摻量摻入AC-13C、AC-20C瀝青混合料中開展相關(guān)性能研究。

圖1 3種高模劑

1.3 配合比設(shè)計(jì)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

選用工程上常用的AC-13C、AC-20C 2種密級(jí)配瀝青混合料進(jìn)行研究，粗集料分別為3～5、5～10、10～15、10～20 mm石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為0～3 mm機(jī)制砂，填料為礦粉。2種混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。配合比設(shè)計(jì)時(shí)，RA 摻量分別為0.35%、0.4%、0.45%，PR.M 摻量分別為0.4%、0.45%、0.5%，BRA 摻量分別為3%、3.5%、4%(占瀝青混合料質(zhì)量)。不同高模量劑種類及摻量的AC-13C和AC-20C瀝青混合料的最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 AC-13C最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4 AC-20C最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 吸水試驗(yàn)

參照J(rèn)TG E20—2011進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，4個(gè)試件為一組。將AC-13C、AC-20C馬歇爾試件分別浸泡在40、60 ℃水中，記錄不同浸泡時(shí)間時(shí)普通混合料、3.5%BRA高模量瀝青混合料馬歇爾試件的吸水量。以試件不同浸泡周期的吸水量與試件飽和狀態(tài)時(shí)吸水量的比值作為試件吸水率?；旌狭衔考拔试囼?yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

從圖2、圖3可看出：礦料級(jí)配及水溫相同時(shí)，隨浸水時(shí)間的增加，普通瀝青混合料、3.5%BRA瀝青混合料試件的吸水量與吸水率變化趨勢相當(dāng)；礦料級(jí)配及浸水時(shí)間相同時(shí)，水溫越大，試件吸水量越大，吸水率越??；浸水時(shí)間及水溫相同時(shí)，AC-20C瀝青混合料的吸水量大于AC-13C；相同條件下，普通瀝青混合料與3.5%BRA瀝青混合料的吸水量相差不大。

圖2 不同水溫時(shí)試件吸水量隨浸水時(shí)間的變化

3 路用性能分析

瀝青路面是一種柔性結(jié)構(gòu)，是道路工程中最上層結(jié)構(gòu)層，直接承受車輛軸載、高溫、紫外線及雨雪等綜合外部環(huán)境的作用，需具備良好的路用性能才能滿足運(yùn)營年限及服務(wù)水平要求。在RA、PR.M 和BRA不同摻量的基礎(chǔ)上，對(duì)AC-13C、AC-20C 2種瀝青混合料在不同試驗(yàn)條件下進(jìn)行高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害試驗(yàn)，評(píng)價(jià)瀝青混合料的路用性能。

3.1 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

瀝青路面的高溫穩(wěn)定性對(duì)溫度及車輛軸載較敏感，隨著溫度增加，車輛軸載增大，其高溫抗車轍能力逐漸降低。高溫環(huán)境下，瀝青路面在車輛軸載的重復(fù)作用下會(huì)發(fā)生彈性及塑性變形，塑性變形長期積累即形成永久性車轍，擁包、泛油等路面病害也是瀝青路面高溫穩(wěn)定性差的表現(xiàn)形式。目前對(duì)高溫及軸載共同作用下瀝青混合料高溫性能的研究較多，且技術(shù)趨于成熟，但對(duì)水-溫相互作用下混合料抗車轍能力的研究較少。不同含水率、不同試驗(yàn)溫度下動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖4，不同保養(yǎng)時(shí)間、不同試驗(yàn)溫度下動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

從圖4、圖5可以看出：含水率、礦料級(jí)配、試驗(yàn)溫度、保養(yǎng)周期、高模量劑種類及摻量對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度均有很大影響；相同試驗(yàn)條件下，溫度越高、試件含水率越大、保養(yǎng)周期越長，動(dòng)穩(wěn)定度越小，而高模量劑摻量越大，動(dòng)穩(wěn)定度越大；相同試驗(yàn)條件下，AC-20C瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于AC-13C，RA高模量劑對(duì)瀝青路面高溫性能的改善效果優(yōu)于PR.M、BRA 。

圖4 不同含水率、不同車轍試驗(yàn)溫度下動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同保養(yǎng)時(shí)間、不同車轍試驗(yàn)溫度下動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 低溫抗裂性

低溫環(huán)境下，瀝青膠漿脆性變大，韌性降低，這是北方季節(jié)性冰凍區(qū)瀝青路面產(chǎn)生裂縫的主要原因。當(dāng)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部因溫度變化產(chǎn)生的溫縮應(yīng)力高于其極限容許拉應(yīng)力時(shí)，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂縫，這些裂縫如果不能及時(shí)得到處治就會(huì)形成龜裂、坑槽等嚴(yán)重病害。選用-10 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)AC-13C、AC-20C瀝青混合料的低溫抗開裂能力，試驗(yàn)結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 不同含水率、不同保養(yǎng)溫度下彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同保養(yǎng)時(shí)間、不同保養(yǎng)溫度下彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

從圖6、圖7可看出：含水率、礦料級(jí)配、養(yǎng)生溫度、保養(yǎng)周期、高模量劑種類及摻量均對(duì)混合料彎曲破壞應(yīng)變有較大影響；相同條件下，含水率越大、養(yǎng)生溫度越高、養(yǎng)生周期越長，小梁試件彎曲破壞應(yīng)變越小，而高模量劑摻量越大，小梁試件彎曲破壞應(yīng)變越大；相同試驗(yàn)條件下，AC-13C瀝青混合料的低溫抗開裂性能優(yōu)于AC-20C，PR.M高模量劑對(duì)瀝青路面低溫性能的改善效果優(yōu)于RA、BRA。

3.3 水穩(wěn)定性

瀝青與礦料之間的黏附性對(duì)瀝青路面的抗水損害能力起著決定性作用，而車輛軸載、雨水及紫外線的綜合作用會(huì)降低瀝青與礦料之間的黏附性，造成瀝青膠漿從混合料孔隙中脫落，松散、坑槽等病害是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式。選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)AC-13C、AC-20C瀝青混合料的抗水損害能力，試驗(yàn)結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖9 凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

由圖8、圖9可看出：高模量劑種類及摻量均對(duì)瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留穩(wěn)定度有較大影響；隨著不同種類高模量劑摻量的增加，2種級(jí)配類型瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留穩(wěn)定度均增大；相同條件下，AC-13C瀝青混合料抵抗水損害的能力優(yōu)于AC-20C，RA高模量劑對(duì)瀝青路面水穩(wěn)定性能的改善效果優(yōu)于PR.M、BRA。

4 結(jié)論

通過對(duì)3種高模量AC-13C、AC-20C瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及水-溫相互作用下吸水、高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)級(jí)配類型相同時(shí)，高模量劑種類及摻量對(duì)瀝青混合料最佳油石比的影響不大；相同條件下，隨著浸水時(shí)間的增加，混合料的吸水量與吸水率變化趨勢相當(dāng)；溫度越高，混合料吸水量越大，吸水率越??；AC-20C瀝青混合料的吸水量大于AC-13C。

(2)相同條件下，含水率、試驗(yàn)溫度、養(yǎng)生溫度、養(yǎng)生周期、高模量劑種類及摻量對(duì)瀝青混合料路用性能有較大影響；相同條件下，AC-20C瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于AC-13C，AC-13C瀝青混合料的低溫及水穩(wěn)定性能優(yōu)于AC-20C，RA高模量劑對(duì)2種瀝青混合料高溫及水穩(wěn)定性能的改善效果優(yōu)于PR.M、BRA，PR.M高模量劑對(duì)瀝青混合料低溫性能的改善效果最優(yōu)。