不同種類瀝青混合料抗車轍性能研究

郭亮亮 朱金標(biāo)

摘 ?要：為提升瀝青路面抗車轍性能，通過車轍試驗(yàn)對常用抗車轍材料（SBS改性瀝青混合料、半柔性瀝青路面材料、摻加抗車轍劑瀝青混合料）進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，并對3種瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能及低溫性能等路用性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用半柔性瀝青路面材料與摻加抗車轍劑瀝青混合料可顯著提高瀝青路面的抗車轍性能，老化后半柔性瀝青路面材料抗車轍性能優(yōu)于摻加抗車轍劑瀝青混合料；半柔性瀝青路面材料的抗水損壞性能較優(yōu)，但是，半柔性瀝青路面材料的低溫彎拉應(yīng)變指標(biāo)略低于規(guī)范值，摻加抗車轍劑瀝青混合料低溫性能優(yōu)于半柔性瀝青路面材料。研究結(jié)果為不同應(yīng)用場景下瀝青路面提升抗車轍性能提供思路。

關(guān)鍵詞：道路工程；抗車轍性能；半柔性路面材料；抗車轍劑；瀝青混合料

中圖分類號：U416.217 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0066-04

Abstract： In order to improve the rutting resistance of asphalt pavement， rut test was carried out to analyze the commonly used rutting resistance materials （SBS modified asphalt mixture， semi-flexible asphalt pavement material， asphalt mixture mixed with rutting agent）， and road performance tests such as high temperature stability， water stability and low temperature performance were carried out on the three asphalt mixtures. The results show that， the anti-rutting performance of asphalt pavement can be significantly improved by using semi-flexible asphalt pavement material and adding anti-rut agent asphalt mixture， and the anti-rutting performance of semi-flexible asphalt pavement material is better than that of anti-rut agent asphalt mixture after aging. The water damage resistance of semi-flexible asphalt pavement material is better， but the low temperature bending and tensile strain index of semi-flexible asphalt pavement material is slightly lower than the standard value， and the low temperature performance of asphalt mixture with anti-rut agent is better than that of semi-flexible asphalt pavement material. The research results provide an idea for improving the anti-rutting performance of asphalt pavement in different application scenarios.

Keywords： road engineering; rutting resistance; semi-flexible pavement material; anti-rut agent; asphalt mixture

隨著城市道路建設(shè)加快，道路交通量日趨增大，使得道路病害頻發(fā)，尤其是在紅綠燈路口處，車輛起步剎車頻繁，使得瀝青路面反復(fù)受到車輛急停急起帶來的推移剪切作用力，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)車轍等病害[1]。為增強(qiáng)路面抗車轍性能，國內(nèi)眾多學(xué)者對此展開研究，通過提高瀝青混合料模量以提高瀝青路面抗車轍性能。吳尤東等[2]針對半柔性路面材料開展不同試驗(yàn)條件下的三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，研究其在循環(huán)荷載作用下的變形規(guī)律，并建立疲勞方程能預(yù)測半柔性路面材料的疲勞壽命。陳瑞考等[3]通過對特定抗車轍劑在瀝青混合料中摻加后的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性在一定范圍內(nèi)與抗車轍劑摻量正相關(guān)，而對于水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能則無可確定的單一相關(guān)趨勢。雖然2種方式均可提升瀝青路面抗車轍性能，但是對于2種方式的抗車轍性能及適用性等對比研究較少[4-6]。因此，本研究對SBS改性瀝青混合料、半柔性瀝青路面材料、摻加抗車轍劑瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能等路用性能試驗(yàn)進(jìn)行分析研究。

1 ?原材料指標(biāo)及試件成型工藝

1.1 ?原材料指標(biāo)

本研究分別制備SBS改性瀝青混合料、半柔性瀝青路面材料及摻加抗車轍劑瀝青混合料，原材料技術(shù)指標(biāo)見表1—表3。

1.2 ?試件制備工藝

1.2.1 ?半柔性瀝青路面材料試件制備

本研究基體瀝青混合料采用SFAC-20級配，根據(jù)固定的粗細(xì)集料用量，初擬幾個瀝青用量（3.0%、3.3%、3.6%、3.9%、4.2%）。試件成型后，開展謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，測定其析漏量和飛散損失，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可知，隨著瀝青用量的增加，大空隙基體瀝青混合料的析漏量逐步增加，在油石比超過3.78%后析漏量迅速增加。而肯塔堡飛散試驗(yàn)的結(jié)果表明，油石比越高，飛散損失越小，當(dāng)油石比超過3.83%后飛散損失的變化趨緩。因此，由圖1（a）和圖1（b）可得2個拐點(diǎn)：油石比為3.76%和3.84%，分別對應(yīng)瀝青用量的最大、最小值。結(jié)合空隙率的測量結(jié)果，最終確定24%空隙率的大空隙基體瀝青混合料的油石比為3.8%。

確定最佳油石比后，成型基體混合料。將灌漿料按0.3水膠比配置好后，在30 min內(nèi)灌入到基體混合料中。分次灌入并放到振動臺上振動，使灌漿料更好地填充到基體混合料孔隙中。對制備好的半柔性瀝青混合料試件進(jìn)行灌漿飽滿度、馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比等路用性能試驗(yàn)。

1.2.2 ?基于GTM法摻加抗車轍劑瀝青混合料試件制備

本研究基于GTM法摻加抗車轍劑瀝青混合料采用AC-20C級配，制備方法參照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，首先將集料置于180 ℃烘箱中加熱5 h，將加熱后的粗集料與細(xì)集料放入攪拌鍋中干拌90 s，攪拌完成后加入路面抗車轍劑，繼續(xù)干拌90 s。其次加入瀝青，拌和90 s。將拌和好的摻加抗車轍劑瀝青混合料分裝至搪瓷盆中，放入180 ℃烘箱中保溫。最后用溫度計測量摻加抗車轍劑瀝青混合料溫度，達(dá)到180 ℃時取出成型GTM試件，試件成型條件：垂直壓力0.8 MPa，拌和溫度180 ℃，成型溫度180～185 ℃，控制方式為極限平衡狀態(tài)。

選擇油石比3.9%、4.2%、4.5%和4.8%，按上述條件成型GTM試件。按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0705—2011《壓實(shí)瀝青混合料密度試驗(yàn)（表干法）》測定試件毛體積相對密度，根據(jù)瀝青浸漬法實(shí)測合成級配礦料混合料的有效相對密度（表4）并計算瀝青混合料最大理論相對密度。GTM試件體積參數(shù)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表5，GTM試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。其中瀝青混合料試件的礦料間隙率VMA依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，采用礦料混合料的合成毛體積相對密度計算。

由圖2可見，GSI（穩(wěn)定系數(shù)）隨油石比的增加而增大，當(dāng)油石比大于4.2%，GSI大幅度增大，曲線已呈急劇增加趨勢，表明混合料中的瀝青已過量，試件的塑性變形過大；從反映瀝青混合料抗剪強(qiáng)度方面的參數(shù)GSF（安全系數(shù)）隨油石比的變化情況來看，油石比等于4.2%時，GSF值最大，當(dāng)油石比大于4.2%，隨油石比的增加，GSF值減小。綜合考慮GTM試驗(yàn)結(jié)果并參考體積參數(shù)的大小及變化趨勢，將AC-20C型瀝青混合料最佳油石比確定為4.2%。

2 ?不同種類瀝青混合料路用性能研究

分別對SBS改性瀝青混合料、半柔性瀝青路面材料及摻加抗車轍劑瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

2.1 ?高溫抗車轍性能

根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)可以看出，半柔性瀝青路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度最高，摻加抗車轍劑瀝青混合料次之，SBS改性瀝青混合料最小。半柔性瀝青路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度較摻加抗車轍劑瀝青混合料及SBS改性瀝青混合料增長約17.2%、28.8%。說明半柔性瀝青路面材料的高溫穩(wěn)定性較優(yōu)。根據(jù)車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，半柔性瀝青路面材料與摻加抗車轍劑瀝青混合料的動穩(wěn)定度均大于10 000 次/mm，是SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度2倍以上，說明采用半柔性瀝青路面材料與摻加抗車轍劑瀝青混合料可顯著提高瀝青路面的抗車轍性能，由于動穩(wěn)定度大于10 000 次/mm以后難以準(zhǔn)確評價高溫性能。因此，無法進(jìn)一步判別半柔性瀝青路面材料與摻加抗車轍劑瀝青混合料的抗車轍性能優(yōu)劣，為得到2種材料抗車轍性能對比情況，對3種材料老化后車轍性能進(jìn)行對比分析。首先成型3種材料車轍試件，將成型好的車轍試件進(jìn)行熱氧老化（即置于70 ℃烘箱中保溫3 d），其次置于氙燈老化試驗(yàn)箱中3 d，將老化后的試件在70 ℃車轍試驗(yàn)儀中進(jìn)行車轍試驗(yàn)，動穩(wěn)定度值見表7。

由表7可知，3種材料老化后動穩(wěn)定度值顯著下降，SBS改性瀝青混合料、半柔性瀝青路面材料、摻加抗車轍劑瀝青混合料較老化前動穩(wěn)定度值降幅分別為28.6%，35.4%，38.2%，其中摻加抗車轍劑瀝青混合料降幅最大。老化后半柔性瀝青路面材料動穩(wěn)定度值最大，綜合老化前后動穩(wěn)定度大小及變化情況，3種材料抗車轍性能強(qiáng)度大小依次為：半柔性瀝青路面材料，摻加抗車轍劑瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料。

2.2 ?抗水損壞性能

根據(jù)表6凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果得到，半柔性瀝青路面材料的凍融劈裂強(qiáng)度比最高，并超過了100%，摻加抗車轍劑瀝青混合料次之，SBS改性瀝青混合料最小。半柔性瀝青路面材料及摻加抗車轍劑瀝青混合料較SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別增長約30.1%、3%。說明半柔性瀝青路面材料的抗水損壞性能較優(yōu)。究其原因在于隨著水泥水化的進(jìn)行，試件中的灌漿料強(qiáng)度不斷增加，試件空隙率減小，提升了半柔性瀝青路面材料的抗水損壞性能。

2.3 ?低溫抗裂性能

根據(jù)表6小梁彎曲試驗(yàn)得到混合料的低溫彎拉應(yīng)變，低溫彎拉應(yīng)變越大說明混合料的低溫抗裂性能越好。通過表6中3種混合料的彎拉應(yīng)變可知，SBS改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變最高，摻加抗車轍劑瀝青混合料次之，半柔性瀝青路面材料最小，并且半柔性瀝青路面材料的低溫彎拉應(yīng)變指標(biāo)略低于規(guī)范值。半柔性瀝青路面材料的低溫彎拉應(yīng)變較摻加抗車轍劑瀝青混合料及SBS改性瀝青混合料降低約11.8%、23.7%。灌漿料材料增加了半柔性瀝青路面材料的低溫脆性，并且由于灌漿料與瀝青混合料的溫度敏感性不同，導(dǎo)致試件發(fā)生低溫形變時，灌漿料-基體瀝青混合料界面強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致半柔性瀝青路面材料發(fā)生低溫裂縫破壞。

3 ?結(jié)論

本研究分別制備成型SBS改性瀝青混合料、半柔性瀝青路面材料及摻加抗車轍劑瀝青混合料試件，并對3種瀝青混合料高溫穩(wěn)定性等性能指標(biāo)測試，評價其抗車轍性能及路用性能。主要結(jié)論如下。

1）半柔性瀝青路面材料與摻加抗車轍劑瀝青混合料動穩(wěn)定度均大于10 000次/mm，老化后半柔性瀝青路面材料動穩(wěn)定度值最大，綜合老化前后動穩(wěn)定度大小及變化情況，半柔性瀝青路面材料高溫性能優(yōu)于摻加抗車轍劑瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料。

2）隨著水泥水化的進(jìn)行，試件中的灌漿料強(qiáng)度不斷增加，試件空隙率減小，提升了半柔性瀝青路面材料的抗水損壞性能。

3）半柔性瀝青路面材料低溫性能較差，在低溫地區(qū)，使用摻加抗車轍劑瀝青混合料提升瀝青路面抗車轍性能較優(yōu)。

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