摻加抗車轍劑的中面層配合比設(shè)計(jì)

馬光磊

(陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司)

1 概 述

目前隨著交通量的急劇增加，如何從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提高路面使用質(zhì)量顯得尤為重要。現(xiàn)有研究提出全壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以層位分工理論為基礎(chǔ)，上面層為表面功能層，主要考慮的性能為抗低溫縮裂、抗車轍、抗水損和抗滑;中面層為主抗車轍區(qū);下面層為主抗疲勞區(qū)。中面層在設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮抗車轍性能，這是由于一方面根據(jù)力學(xué)計(jì)算，在車輛動(dòng)荷載作用下，瀝青路面最大水平剪應(yīng)力一般發(fā)生在道路表面以下7 ～8 cm 的位置，正好處于中面層的位置;另一方面根據(jù)夏季瀝青路面溫度分布，路表附近的瀝青混合料的溫度最高。通過(guò)摻加抗車轍劑來(lái)提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，能夠有效地提高路面結(jié)構(gòu)的承載能力，避免瀝青路面由于失穩(wěn)或變形導(dǎo)致車轍現(xiàn)象出現(xiàn)。

2 原材料技術(shù)性質(zhì)

2.1 瀝青

本試驗(yàn)中采用殼牌70#瀝青，瀝青的技術(shù)性質(zhì)詳見表1，均滿足相關(guān)要求。

表1 基質(zhì)瀝青與SBS 改性瀝青主要技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 集料

為了提高集料間的嵌擠力，選擇集料時(shí)選擇些有棱角的近似立方體集料。采用的粗集料為輝綠巖，細(xì)集料為河砂，具體技術(shù)指標(biāo)詳見表2，滿足相關(guān)規(guī)定。礦粉為石灰?guī)r磨制的石粉，表觀密度為2.693 g/cm3。輝綠巖的粘附性等級(jí)為4 級(jí)，滿足規(guī)范要求。

表2 集料技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)

2.3 抗車轍劑

采用的抗車轍劑為黑色顆粒狀固體，具體技術(shù)性質(zhì)詳見表3?？管囖H劑在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先與集料拌和均勻后，再加入瀝青拌和，試驗(yàn)室中干拌時(shí)間增加10 s。實(shí)際工程中可根據(jù)具體情況適當(dāng)增加拌和時(shí)間。

表3 抗車轍劑的技術(shù)性質(zhì)

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 級(jí)配選擇

中面層級(jí)配通常采用中粒式級(jí)配，采用AC －20 進(jìn)行設(shè)計(jì)，級(jí)配通過(guò)百分率如表4 所示，級(jí)配曲線如圖1 所示。

表4 級(jí)配通過(guò)百分率 %

圖1 AC－20 合成級(jí)配曲線

一般來(lái)說(shuō)，隨著空隙率的降低，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)升高，抵抗變形的能力會(huì)增加。但空隙率也不可過(guò)低，在添加抗車轍劑的混合料中，適當(dāng)?shù)目障犊梢杂扇廴诘目管囖H劑填充，增加混合料的變形能力。因此進(jìn)行級(jí)配選擇時(shí)，混合料的空隙率不宜過(guò)高，亦不宜過(guò)小，一般介于4% ～5%。

3.2 最佳瀝青用量

瀝青用量對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性的影響很大，需根據(jù)實(shí)際情況合理的確定瀝青用量，對(duì)于夏季溫度較高的地方，在最佳瀝青用量的基礎(chǔ)上減少0.1% ～0.5%瀝青用量。

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇五個(gè)油石比，分別為3. 4%、3.8%、4.2%、4.6%及5.0%。采用上述級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 不同油石比下瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

瀝青混合料油石比過(guò)小，空隙率較大，造成壓密型車轍的可能性會(huì)增加，因此油石比不宜過(guò)小。隨著瀝青用量增加，瀝青混合料壓密的時(shí)間減小，剪切破壞的時(shí)間越早。在油石比較高的情況下，車轍曲線沒有明顯的階段性，變形會(huì)不斷增大。從抗車轍的角度來(lái)講，為了避免瀝青混合料的剪切變形，油石比一般不宜過(guò)大，考慮實(shí)際情況，綜合密度、流值、穩(wěn)定度等方面的因素，選擇最佳瀝青用量為4.3%。

3.3 路用性能驗(yàn)證

按照已確定的級(jí)配和最佳油石比，對(duì)瀝青混合料的路用性能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)包括動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)以及室內(nèi)滲水試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果見表6。與規(guī)范對(duì)比，各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿足要求，所選擇的的級(jí)配和最佳瀝青用量合適。

表6 路用性能檢測(cè)結(jié)果

4 確定抗車轍劑劑量

抗車轍劑的改善機(jī)理是抗車轍劑在高溫熔融狀態(tài)下，進(jìn)一步填充集料的空隙，加強(qiáng)混合料之間的嵌擠作用，同時(shí)具有一定的勁度，增強(qiáng)瀝青膠漿的粘結(jié)作用，同時(shí)改善路面彈性變形性能以增強(qiáng)路面的整體穩(wěn)定性。在前述確定的級(jí)配和最佳瀝青用量的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步確定合適的抗車轍劑劑量。

在確定的最佳級(jí)配和油石比下，改變抗車轍劑的劑量來(lái)試拌瀝青混合料，成型試件并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際情況選擇抗車轍劑的摻量分別為0.3%、0.5%和0.6%，路用性能試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 不同抗車轍劑摻量瀝青混合料路用性能檢測(cè)結(jié)果

從表7 中能夠看出，通過(guò)添加抗車轍劑能夠有效地提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，增加混合料的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)抗車轍劑劑量為0.3%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度較未摻加抗車轍劑瀝青混合料增加了1 倍左右，說(shuō)明抗車轍劑能夠進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青與集料的粘結(jié)性能，填充瀝青混合料的空隙，增加瀝青混合料整體穩(wěn)定性。對(duì)比抗車轍劑摻量為0.3%、0.5%和0.6%的動(dòng)穩(wěn)定度的數(shù)值，可以看出，隨著抗車轍劑的摻量增加瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增加。這說(shuō)明隨著劑量的增加，抗車轍劑填充瀝青混合料的空隙更充實(shí)，降低了變形的可能性。

從表6 中可以看出，抗車轍劑摻量發(fā)生變化時(shí)，瀝青混合料的破壞應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度變化幅度不大，凍融劈裂強(qiáng)度比雖有所上升，但相差不大。這說(shuō)明抗車轍劑對(duì)瀝青混合料的低溫性能有所改善，但改善幅度不大。

一般抗車轍劑的價(jià)格過(guò)高，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮最終選擇抗車轍劑的劑量為0.6%，此時(shí)能夠達(dá)到較好的路用效果，成本相對(duì)合理。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在中面層瀝青混合料中添加抗車轍劑能夠有效地提高路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，避免由于承載能力不足發(fā)生結(jié)構(gòu)型車轍，或由于路面材料失穩(wěn)，在剪切力作用下發(fā)生的橫向蠕變位移。在進(jìn)行級(jí)配選擇時(shí)，混合料的空隙率不宜過(guò)大，一般介于4% ～5%。最佳瀝青用量選擇時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮，夏季溫度較高的地區(qū)，瀝青用量需適當(dāng)降低，但不宜過(guò)低，避免造成空隙率過(guò)大，產(chǎn)生壓密型車轍。從瀝青混合料路用性能和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，最終確定抗車轍劑的摻加量為0.3%。

［1］沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防［M］. 北京:人民交通出版社，2001.

［2］王輝.重載高溫區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料研究［D］. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)博士論文，2008.

［3］李志遠(yuǎn).西銅高速全壽命周期瀝青路面設(shè)計(jì)方法研究［D］. 西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2011.