高耐久超薄磨耗層的開發(fā)與路用性能研究

王洪偉，金帆，蔡祥，盧吉，郭鵬，黃紹龍

(1. 武漢市市政建設(shè)集團，湖北 武漢 430023；2.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062；3.武漢工科首誠工程咨詢有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

超薄磨耗層作為一種新興的道路預(yù)防性養(yǎng)護措施，具有抗滑、降噪、恢復(fù)路面功能等一系列優(yōu)點[1-3]，但其厚度較薄，在工程應(yīng)用中還存在一些問題，如瀝青膠結(jié)料性能較差、級配設(shè)計不合理、壓實度不足等，導(dǎo)致超薄磨耗層的抗滑性、耐久性迅速衰減[4].使用高粘改性瀝青可以有效提高超薄磨耗層瀝青混合料路用性能，但同時也增加了混合料的拌和與碾壓難度.通過添加反應(yīng)性的樹脂混合料外加劑，可使混合料獲得良好的施工性能的同時，后期具有較好的路用性能.

聚異戊二烯基共聚物(PMM)是一種反應(yīng)性樹脂材料，可與高價(二價及以上)堿性金屬陽離子交聯(lián)形成離子鍵，從而使得自身的粘度逐漸增加并硬化，有效增加瀝青膠結(jié)料的粘度及對集料的粘結(jié)能力，從而提高瀝青混合料的性能.將PMM引入超薄磨耗層瀝青混合料后，同時采用水泥替換礦粉，混合料攤鋪后灑水、自然降雨等方式，即可產(chǎn)生反應(yīng)所需的堿性水化環(huán)境.

1 原材料

1.1 瀝青與礦料瀝青：針對超薄磨耗層厚度較薄的特點，需要選用綜合性能更好的瀝青膠結(jié)料，因此采用江陰泰富瀝青有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，性能如表1所示；集料：采用湖北省京山縣生產(chǎn)的質(zhì)量合格的玄武巖和玄武巖石屑，技術(shù)標(biāo)準如表2、表3所示；填料：選用華新硅酸鹽水泥，性能如表4所示.

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料性能指標(biāo)

表3 細集料性能指標(biāo)

表4 水泥的性能指標(biāo)

1.2 反應(yīng)性樹脂材料反應(yīng)性樹脂材料采用進口的聚異戊二烯共聚物，當(dāng)反應(yīng)性樹脂材料處于堿性氛圍時，其官能團末端的—OH將發(fā)生去質(zhì)子化，即脫去H+，此時剩余的—O-將與高價(二價及以上)金屬陽離子反應(yīng)，橋接分子鏈，形成離子聚合物，從而使混合物的粘度和強度逐漸增加.因此，本文中采用水泥作為瀝青混合料的填料，遇水時，水泥和水反應(yīng)形成堿性環(huán)境，此時聚異戊二烯基共聚物與水泥中的Ca2+交聯(lián)，生成離聚物，固化反應(yīng)過程如圖1所示.

圖1 聚異戊二烯基共聚物固化反應(yīng)過程

2 瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1 礦料級配組成選擇3種常用的瀝青混合料級配組成，即密級配的SMA-10、開級配的OGFC-10和半開級配的NovaChip?Type-B，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的要求，依據(jù)集料篩分結(jié)果進行配合比設(shè)計，設(shè)計出的礦料級配如表5所示，然后運用馬歇爾試驗確定瀝青混合料的最佳油石比.

表5 瀝青混合料級配組成

2.2 馬歇爾試驗與油石比依照規(guī)范，在確定上述3種級配目標(biāo)空隙率的基礎(chǔ)上，運用瀝青混合料馬歇爾設(shè)計法確定其最佳油石比，經(jīng)過馬歇爾試驗檢測，3種級配類型在最佳油石比下的各項馬歇爾指標(biāo)如表6所示.

表6 不同級配瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

3 最佳摻量的確定

分別選用質(zhì)量為瀝青混合料0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的PMM，加入上文確定的OGFC-10、SMA-10、NovaChip?Type-B級配的混合料中進行拌合，然后制作標(biāo)準馬歇爾試件，灑水降溫后靜止冷卻至室溫，然后測試其馬歇爾穩(wěn)定度，測試結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同摻量PPM馬歇爾穩(wěn)定度測試結(jié)果

由圖2可以看到，混合料馬歇爾穩(wěn)定度隨PPM摻量的增加而提高.在OGFC級配混合料中，PPM摻量與混合料質(zhì)量百分比大于0.3%時達到拐點，馬歇爾穩(wěn)定度提升比例146.6%，PPM與瀝青膠結(jié)料質(zhì)量比值為8.1%；在NovaChip級配混合料中，PPM摻量與混合料質(zhì)量百分比大于0.4%時達到拐點，馬歇爾穩(wěn)定度提升比例132.5%，PPM與瀝青膠結(jié)料質(zhì)量比值為8.1%；在SMA級配混合料中，PPM摻量與混合料質(zhì)量百分比大于0.5%時達到拐點，馬歇爾穩(wěn)定度提升比例102.2%，PPM與瀝青膠結(jié)料質(zhì)量比值為7.8%.當(dāng)PPM與瀝青膠結(jié)料質(zhì)量比值大于8%時，繼續(xù)增加PPM摻量對馬歇爾穩(wěn)定度提升幅較小，因此取PPM與瀝青膠結(jié)料質(zhì)量比值8%作為PMM最佳摻量.

4 路用性能測試

采用對比試驗的方法，A組采用SBS改性瀝青分別制備OGFC-10、SMA-10、NovaChip?Type-B級配的混合料；B組分別采用混合料質(zhì)量0.3%、0.5%、0.4%摻量的PPM，分別加入到3種級配的瀝青混合料中.分別成型馬歇爾試件、車轍試件、小梁試件，成型后采用灑水降溫并冷卻至室溫，然后進行肯塔堡分散、車轍試驗、-10 ℃彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗.

4.1 力學(xué)強度圖3、圖4分別為A、B兩組混合料馬歇爾穩(wěn)定度與肯塔堡飛散實驗結(jié)果.PPM的加入增加瀝青的粘度，馬歇爾試件抗壓能力提高；同時隨著瀝青膠結(jié)料粘度的提高，集料表面瀝青膜的粘結(jié)力和抗剝落能力也隨之提高.加入PPM后OGFC-10、SMA-10、NovaChip?Type-B 3種級配的混合料肯塔堡飛散損失分別下降73.1%、70.7%、65.7%.這說明PPM的加入可減少瀝青路面在反復(fù)的交通荷載作用下集料脫落、掉粒、飛散.

圖3 馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

圖4 肯塔堡飛散試驗結(jié)果

4.2 高溫低溫性能圖5、圖6分別為A、B兩組混合料車轍試驗和低溫彎曲試驗的結(jié)果.加入最佳摻量的PMM后，3組瀝青混合料的高溫、低溫性能均有所提升.其中OGFC-10、SMA-10、NovaChip?Type-B 3種級配的混合料的動穩(wěn)定度分別提高45.9%、54.7%、48.6%.加入PPM后，3種級配的瀝青混合料-10 ℃彎曲最大破壞應(yīng)變也有所提高，其中SMA-10提高幅度最大，提升比例為17.1%.

圖5 車轍試驗結(jié)果

圖6 低溫彎曲試驗結(jié)果

4.3 抗水損害性能圖7、圖8分別為A、B兩組混合料殘留穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂試驗的結(jié)果.OGFC-10不加入PMM時馬歇爾穩(wěn)定度較低，殘留馬歇爾穩(wěn)定度不具有較好的代表性，加入PMM后殘留馬歇爾穩(wěn)定度無明顯提升，其凍融劈裂殘留強度比提高4.4%；不加入PMM的SMA-10殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂殘留強度值均高于98%，因此在加入PMM后無明顯提高.加入PMM后，NovaChip?Type-B的殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂殘留強度分別提高4.7%、3.7%.

圖7 殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

圖8 凍融劈裂試驗結(jié)果

5 實驗結(jié)果討論與分析

當(dāng)PPM加入到混合料之后，在高溫下與熔融態(tài)的改性瀝青融合.隨著PPM摻量的提高，SBS改性瀝青的粘度隨之提高，從而提高混合料的馬歇爾穩(wěn)定度；當(dāng)PPM與瀝青質(zhì)量比約為8%時達到最大值，此摻量為PPM的最佳摻量.反應(yīng)性樹脂材料對于OGFC-10瀝青混合料的性能提升最為明顯，這是因為其空隙率較大，透水性好，水和水泥反應(yīng)所提供的Ca2+和堿性環(huán)境加速了反應(yīng)性樹脂材料的固化，從而使瀝青混合料的物理力學(xué)性能得到增強.對于最佳PPM摻量的不同級配瀝青混合料，馬歇爾穩(wěn)定度提升幅度開級配 > 半開級配 > 密集配.

摻加了PMM后的瀝青混合料路用性能隨之提升，3種級配的超薄磨耗層瀝青混合料的力學(xué)強度和集料抗剝落能力、高溫抗車轍能力均大幅提高；低溫性能也有所提升，摻入PMM的SMA-10的低溫抗裂能力可滿足冬寒冷區(qū)公路路面使用要求；摻入PMM的OGFC-10、NovaChip?Type-B也可以滿足冬寒區(qū)公路路面使用要求.加入PMM對于3種混合料的殘留穩(wěn)定度(比值)與凍融殘留強度比的提升并不大，但是對混合料馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度的絕對值提高較大，因而對混合料的抗水損害能力有提升效果.

6 結(jié)論

1)PMM的最佳摻量為瀝青膠結(jié)料質(zhì)量的8%，繼續(xù)增加PMM摻量對瀝青混合料力學(xué)性能增加幅度較小.

2)最佳摻量下PMM對瀝青混合料力學(xué)性能的提升幅度開級配 > 半開級配 > 密集配，最佳摻量下開級配OGFC-10瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度提升146.6%、肯塔堡飛散值減少73.1%.

3)瀝青膠結(jié)料含量較多的SMA-10級配瀝青混合料低溫變形能力提高幅度最大，提升比例17.1%，可滿足冬寒冷區(qū)公路路面使用要求.

4)PMM加入到不同級配超薄磨耗層中后，有效提升混合料的高溫抗車轍能力、低溫變形能力、抗水損害性能，可以改善瀝青混合料的路用性能及耐久性.