Superflex 改性瀝青抗裂層混合料路用性能試驗(yàn)研究

陳善祥，黃艷芳，姚 勇，周 棟

（1.嘉應(yīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，廣東 梅州 514015；2.梅縣區(qū)公路事務(wù)中心；廣東 梅州 514700；3.長(zhǎng)沙比盟云信息科技有限公司，長(zhǎng)沙 414004）

在當(dāng)前建養(yǎng)并重時(shí)期的舊路大修和改造中，加鋪瀝青混合料罩面能有效地改善舊路的使用性能，但舊路存在的反射裂縫嚴(yán)重影響了加鋪層的使用質(zhì)量和壽命[1-3].傳統(tǒng)的處理措施如設(shè)置玻纖格柵、土木布等土工織物未能取得很好的抗裂效果[4-8].加鋪抗裂層能很好地有效地消解或減輕接縫或裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低上面層層底應(yīng)力，延緩反射裂縫產(chǎn)生，延長(zhǎng)加鋪層的使用壽命.已有研究表明[9-11]，Superflex 改性瀝青是一種天然屑粒橡膠濃縮改性瀝青,粘度和軟化點(diǎn)高，與集料粘結(jié)性好,抗車轍能力強(qiáng)；生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，與基質(zhì)瀝青進(jìn)行機(jī)械攪拌即可；Superflex 改性瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗裂性和耐久性.摻加纖維Superflex 改性瀝青抗裂層的研究不多，針對(duì)南方濕熱地區(qū)Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究很有實(shí)際價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

1 原材料性質(zhì)

1.1 Superflex 改性瀝青

本研究以SK70#基質(zhì)瀝青作為調(diào)和瀝青，選用印尼生產(chǎn)的Superflex 濃縮瀝青采用濕法工藝制備Superflex 改性瀝青，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)優(yōu)選出Superflex 濃縮瀝青與基質(zhì)瀝青的最佳摻量為18∶82.先將基質(zhì)瀝青和Superflex 濃縮瀝青加熱到160℃左右，把Superflex 濃縮瀝青按摻量加入基質(zhì)瀝青中，然后維持在180 ℃±5 ℃溫度環(huán)境中高速剪切改性45 min，由此制得Superflex 改性瀝青，Superflex 濃縮瀝青和Superflex 改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示.

表1 Superflex 濃縮瀝青和Superflex 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗集料

采用的粗集料為玄武巖，其技術(shù)性質(zhì)如表2 所示.

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

1.3 細(xì)集料

采用的細(xì)集料為玄武巖，其技術(shù)性質(zhì)如表3 所示，采用的礦粉是石灰?guī)r礦粉.

表3 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

1.4 聚酯短纖維

選用單絲聚酯短纖維改善Superflex 改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、抗裂性能、疲勞性能和水穩(wěn)定性，其技術(shù)性質(zhì)如表4.

表4 聚酯短纖維技術(shù)性質(zhì)

2 抗裂層混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)的Superpave 設(shè)計(jì)方法

抗裂層因其變形能力強(qiáng)、密實(shí)不透水、結(jié)構(gòu)層厚度小、瀝青含量高、空隙率小及其級(jí)配細(xì)的特點(diǎn)，不適合采用傳統(tǒng)馬歇爾方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì).因此采用superpave 體積設(shè)計(jì)法進(jìn)行Superflex 改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，但鑒于其特殊的層位功能及其性能要求，對(duì)superpave 體積設(shè)計(jì)法進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，具體參數(shù)要求如下：試件尺寸為直徑150 mm，高度約115 mm；設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為125次；設(shè)計(jì)空隙率為0.5%～3%；瀝青填隙率為85%～98%；礦料間隙率要求大于20%；粉膠比為0.5～1.6；目標(biāo)空隙率為2.0%±0.2%.

2.2 抗裂層混合料級(jí)配

根據(jù)粗細(xì)集料級(jí)配合成滿足要求的Superflex 改性瀝青抗裂層混合料級(jí)配如表5 所示.

表5 抗裂層混合料級(jí)配

2.3 最佳瀝青用量

本試驗(yàn)初定混合料油石比為7%、8%、9%，用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）制備直徑為150 mm、高度約115 mm 的圓柱體試件如圖1 所示，測(cè)試其體積性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)Superflex 改性瀝青抗裂層混合料空隙率隨油石比的增大而減小，當(dāng)油石比為7%、8%、9%時(shí)，其空隙率分別為2.713%、2.232%、1.985%，依據(jù)目標(biāo)空隙率可確定Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的最佳用油量為8.9%，其體積性能如表6 所示.

圖1 利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）制備試件

表6 抗裂層混合料體積性能

3 抗裂層混合料路用性能

主要從Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、常溫彎曲性能和疲勞性能等路用性能開(kāi)展試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)比分析了聚酯短纖維（摻量為0.2%）對(duì)Superflex 改性瀝青抗裂層混合料路用性能的影響.

3.1 水穩(wěn)定性能

根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配和最佳油石比，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法制備尺寸符合直徑101.6 mm±0.2 mm、高度63.5 mm±1.3 mm 要求的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件如圖2，以通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)得到的浸水殘留穩(wěn)定度和劈裂試驗(yàn)得到的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比來(lái)表征Superflex 改性瀝青抗裂層混合料水穩(wěn)定性能，對(duì)比分析纖維對(duì)Superflex 改性瀝青抗裂層混合料水穩(wěn)定性能的影響，其結(jié)果如表7 所示.

圖2 馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件

表7 抗裂層混合料水穩(wěn)定性能

由試驗(yàn)結(jié)果可知，纖維對(duì)Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的水穩(wěn)定的影響不大，提升了穩(wěn)定度和抗拉強(qiáng)度，浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比有所降低，但完全滿足規(guī)范中浸水殘留穩(wěn)定度大于75%和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比大于75%的技術(shù)要求，并分別超出15.3%和12.7%以上，水穩(wěn)定性能良好.

3.2 高溫穩(wěn)定性能

本試驗(yàn)試件采用由輪碾成型的長(zhǎng)300 mm，寬300 mm，高50 mm 的板塊狀試件，進(jìn)行摻加纖維和不摻纖維的Superflex 改性瀝青抗裂層混合料單層車轍試驗(yàn)，并進(jìn)行雙層組合結(jié)構(gòu)“4 cmAC-13+3 cmSuperflex改性瀝青”的車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示.

表8 抗裂層混合料高溫穩(wěn)定性能

由此可知：未摻纖維單層Superflex 改性瀝青抗裂層的抗車轍能力不滿足規(guī)范中DS 大于800 次/mm的技術(shù)要求，但其用于中面層或下面層而非上面層，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的高溫抗車轍性能影響有限.摻加纖維纖維單層Superflex 改性瀝青抗裂層和雙層組合（抗裂層+上面層）結(jié)構(gòu)的動(dòng)穩(wěn)定度滿足要求，纖維對(duì)Superflex改性瀝青抗裂層混合料的高溫性能有一定的提升.

3.3 低溫抗開(kāi)裂性能

采用250 mm×30 mm×35 mm 棱柱體小梁試件，試驗(yàn)溫度-10 ℃±0.5 ℃，以通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)得出的最大彎拉應(yīng)變表征Superflex 改性瀝青抗裂層混合料低溫抗開(kāi)裂性能，其結(jié)果如表9 所示.

表9 抗裂層混合料低溫抗開(kāi)裂性能

由試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加纖維后Superflex 改性瀝青抗裂層混合料最大拉應(yīng)變減小了34.5%，抗彎拉強(qiáng)度降低了17.2%，彎曲勁度模量增大了7.9%，纖維的摻入降低了其低溫抗開(kāi)裂性能，但最大彎拉應(yīng)變遠(yuǎn)超出規(guī)范中大于2000 με的技術(shù)要求，低溫抗開(kāi)裂性能良好.

3.4 常溫彎曲性能

采用250 mm×30 mm×35 mm 棱柱體小梁試件，試驗(yàn)溫度20 ℃±0.5 ℃，以通過(guò)彎曲試驗(yàn)分析Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的常溫彎曲性能，其結(jié)果如表10 所示.

表10 抗裂層混合料常溫彎曲性能

由試驗(yàn)結(jié)果可知，Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的常溫彎曲性能良好，摻加纖維后Superflex 改性瀝青抗裂層混合料最大拉應(yīng)變?cè)黾恿?9.2%，抗彎拉強(qiáng)度提高了10.5%，彎曲勁度模量減小了25%，纖維的摻入較大幅度提升了其常溫彎曲性能.

3.5 疲勞性能

利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)MTS 采用300 mm×50 mm×50 mm 棱柱體小梁試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以控制應(yīng)力加載模式進(jìn)行加載，加載頻率10HZ，加載波形為半正弦波，試驗(yàn)溫度為20 ℃±0.5 ℃.試驗(yàn)分析了應(yīng)力比為0.3 0.4、0.5、0.6 四個(gè)狀況下的疲勞壽命變化規(guī)律，結(jié)果如表11.

表11 抗裂層混合料疲勞性能

由此可以看出，在應(yīng)力控制模式下，未摻纖維Superflex改性瀝青抗裂層混合料的疲勞壽命隨應(yīng)力比的增大而減小，疲勞壽命與應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系，擬合得到疲勞方程為Nf=11 531.9σ-1.077，R2=0.943 1；摻加纖維Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的疲勞壽命隨應(yīng)力比的增大而急劇減小，疲勞壽命與應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系，擬合得到疲勞方程為Nf=576 9σ-3.5777，R2=0.974 0；摻加纖維能明顯提高低應(yīng)力比狀態(tài)時(shí)的疲勞壽，降低高應(yīng)力比狀態(tài)下的疲勞壽命，且應(yīng)力比越大降幅越大；低應(yīng)力比狀態(tài)下的疲勞性能較高應(yīng)力比狀態(tài)好得多，應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分考慮抗裂層所處的層位及其受力狀況.

4 結(jié)論

（1）利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀SGC 成型混合料試件，采用改進(jìn)的Superpave 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行Superflex 改性瀝青抗裂層混合料配合比設(shè)計(jì)是適合的.

（2）Superflex 改性瀝青抗裂層具有良好的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和低應(yīng)力比狀態(tài)下的疲勞性能，具有較好的應(yīng)力吸收能力和抗裂效果，但高溫性能欠缺，可通過(guò)層位和路面結(jié)構(gòu)予以增強(qiáng).

（3）Superflex 改性瀝青抗裂層單層混合料的高溫性能不足，組合雙層結(jié)構(gòu)高溫抗車轍性能良好，完全滿足規(guī)范要求.

（4）纖維能明顯提升Superflex 改性瀝青抗裂層混合料低應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞壽命，與應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系，相關(guān)性較好，擬合得到疲勞方程為Nf=5 769σ-3.5777，R2=0.974.摻加纖維Superflex 改性瀝青混合料具有良好的疲勞性能和較好的抗裂效果.

（5）纖維可較大幅度提高Superflex 改性瀝青抗裂層混合料常溫彎曲性能，但對(duì)其低溫彎曲性能有不小的降幅作用，摻加纖維的Superflex 改性瀝青抗裂層混合料抗裂層適用于南方濕熱地區(qū).