改性瀝青混合料在長大縱坡路段的應(yīng)用

程高峰

(山西路橋第二工程有限公司　臨汾　041051)

改性瀝青混合料在長大縱坡路段的應(yīng)用

程高峰

(山西路橋第二工程有限公司臨汾041051)

摘要為解決高速公路長大坡路段車轍病害嚴(yán)重的問題，結(jié)合工程實(shí)例，分別從機(jī)理分析、瀝青混合料設(shè)計(jì)、室內(nèi)車轍試驗(yàn)研究，以及現(xiàn)場效果分析等方面對摻加改性劑RA的瀝青混合料抗車轍能力進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該工程改性劑摻量為0.35%時瀝青混合料的抗車轍能力最優(yōu)；現(xiàn)場試驗(yàn)后車轍平均深度均在2 mm以內(nèi)，改善作用明顯。

關(guān)鍵詞RA抗車轍劑抗車轍性能現(xiàn)場試驗(yàn)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路的交通量不斷增加，重載現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，交通的渠化現(xiàn)象也越來越普遍，造成道路在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期之內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的病害問題[1]，尤其是一些高溫地區(qū)，車轍成為最常見且為最嚴(yán)重的路面病害，給我國經(jīng)濟(jì)和安全方面帶來了負(fù)面作用。而在丘陵山區(qū)，經(jīng)常有長大縱坡段，在這些地段更易出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍現(xiàn)象。長大縱坡路段多為山區(qū)越嶺線，路線高差大、連續(xù)下坡長度長、組合坡長與組合坡度大、且常使用極限半徑、極限坡長與坡度指標(biāo)，導(dǎo)致平縱組合設(shè)計(jì)線形差；而駕駛員在長大下坡段通常通過頻繁制動來控制速度，加上復(fù)雜路況的影響，大大增加了駕駛員的負(fù)荷度，從而加大了事故發(fā)生的幾率。因此，保證長大縱坡路段路面具有良好的行車舒適性具有重要意義。

工程實(shí)例，某高速公路位于三省交界處，修筑的道路是連接三地經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要公路，夏季會出現(xiàn)較長時間的高溫天氣，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，全段路線樁號范圍是K1+748.5~K8+670.4，全長6.861 9 km，由設(shè)計(jì)資料可知，最大的縱坡為4.9%，雖然最初設(shè)計(jì)時已經(jīng)針對高溫地區(qū)車轍預(yù)防采取了一定的措施，如通過增加車道的方法提高通行能力以擴(kuò)大交通荷載的橫向分布范圍，但是在頻繁交通量增加、重載現(xiàn)象嚴(yán)重、長大縱坡段地形限制，以及高溫環(huán)境的綜合作用下，仍出現(xiàn)嚴(yán)重車轍現(xiàn)象，縮短了道路的使用壽命，降低了道路的服務(wù)能力和安全性能。為了延長高速公路瀝青路面在長大縱坡段的壽命，有效減少車轍的產(chǎn)生，提高道路的服務(wù)性能和安全性能，擬采用向混合料摻加RA抗車轍劑[2]的方式進(jìn)行路面車轍性能的改善，文中分別從抗車轍劑機(jī)理分析、瀝青制備、室內(nèi)瀝青混合料車轍試驗(yàn)和現(xiàn)場效果分析等方面進(jìn)行分析。

1機(jī)理分析

1.1　車轍病害產(chǎn)生原因

長大縱坡縱向車轍現(xiàn)象嚴(yán)重，通過現(xiàn)場實(shí)地測量和資料顯示，在深度方向的分布有著顯著的特點(diǎn)，同時與重型車輛的爬坡過程中剪應(yīng)力的變化有極大相關(guān)性。

(1) 在深度方向通過鉆心取樣，發(fā)現(xiàn)在3個面層中的車轍影響情況并不相同，而且最嚴(yán)重的不是上面層，而是中面層，上、中、下面層車轍永久變形平均比例分別為21%，52%和27%，故傳統(tǒng)的僅以上面層的設(shè)計(jì)為最重要的控制原則是不科學(xué)的，在設(shè)計(jì)方面更應(yīng)該注重中下層。

(2) 縱向爬坡過程，車是先減速后勻速，根據(jù)瀝青材料的時溫等效性，上坡時行駛速度較慢，增長了輪胎與路面的接觸時間，加劇了瀝青混合料在高溫下的流動，增大了路面的永久變形。車轍變形較大的地方是坡度、坡長都較大的地方，且分布特點(diǎn)是先增長后平緩；同時在坡頂和坡底的車轍病害最嚴(yán)重。

1.2　RA改性機(jī)理

RA抗車轍劑能夠改善瀝青混合料的抗車轍能力[3]，主要表現(xiàn)在以下方面。

(1) 改善瀝青表面性能。天然巖瀝青和樹脂類聚合物是RA抗車轍劑的主要成分，從元素角度看，其中N，S，O原子的含量大大增加，而這些原子與瀝青的極性有很大的關(guān)系，這就提高了瀝青的粘滯性和粘附力，從而增強(qiáng)其穩(wěn)定性。除此之外，由于存在雜原子，使得瀝青質(zhì)和膠質(zhì)之間有很強(qiáng)的吸引能力，使得瀝青分子能夠形成膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)瀝青與集料之間的吸附性，從而提高瀝青混合料的抗車轍能力。

(2) 結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀，加強(qiáng)約束。RA車轍劑結(jié)構(gòu)的變化主要發(fā)生在瀝青混合料的生產(chǎn)過程中，其與集料混合時，在擠壓、剪切等作用下會均勻散開；當(dāng)噴入瀝青后會融進(jìn)去一部分，最終在集料和瀝青的交界處以特殊形態(tài)(絲狀或扁平狀)存在，在微觀分析時可以視其為短纖維，同時其與瀝青膠漿基體是以二相共存的,這樣就形成了一種“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料”，而這個過程中RA車轍劑的變形體就起到了加緊約束的作用，在破壞時要吸收大量能量，也就提高了高溫狀態(tài)下的抗流變性能和抗車轍能力。

2瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料中摻加RA抗車轍劑后，組成部分主要包括瀝青、集料(粗細(xì))、礦粉，以及RA抗車轍劑，這些材料的來源和選擇不同，會很大程度上影響最終瀝青混合料的物理力學(xué)特性和路用性能。故為了保證混合料具有更好的抗車轍能力，必須保證集料具有良好的堅(jiān)固性、棱角性、與瀝青的粘附性；瀝青膠結(jié)料必須具有良好的高溫性能。主要從以下幾個方面對材料的選擇和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

2.1　瀝青選用

瀝青混合料的性能與瀝青的性能和用量有著密切聯(lián)系。由于瀝青屬于粘彈性材料，在高溫時粘度和勁度較高，同時與石料之間的粘附特性也會增強(qiáng)，進(jìn)而改善瀝青混合料的高溫變形能力，有效減少車轍病害。這里采用普通瀝青A級70號道路石油瀝青，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[4]，瀝青對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　70號石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2　集料選擇

集料包括粗集料和細(xì)集料。為了得到優(yōu)良的混合料高溫性能，在選擇粗集料時盡量采用堅(jiān)硬的、多棱角的、粗糙的、顆粒接近立方體的集料，這樣會增加集料與瀝青的接觸面積，有利于提高瀝青與粗集料之間的粘附性，進(jìn)而提高整體穩(wěn)定性。細(xì)集料的潔凈程度對粘附性的影響更大，其細(xì)度模量也會影響瀝青混合料的高溫性能和強(qiáng)度，也需要采用一定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行控制。本研究采用的粗集料為石灰?guī)r，具體技術(shù)指標(biāo)見表2，細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2　粗集料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

表3　細(xì)集料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

2.3　礦粉選擇

礦粉的主要作用是起到填充密實(shí)的作用，其既可以與瀝青發(fā)生一定的反應(yīng)，同時也可以增強(qiáng)膠結(jié)料的強(qiáng)度，對改善結(jié)合料的抗高溫性能有很大的影響，故采用表4所列的技術(shù)指標(biāo)對其進(jìn)行控制。

表4　礦粉技術(shù)要求

2.4　混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料設(shè)計(jì)必須滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的級配要求，同時嚴(yán)格控制9.5，4.75與0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過率，保證混合料具有良好的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。由于RA抗車轍劑是為了改善抗車轍能力，在進(jìn)行瀝青和礦料混合的配合比設(shè)計(jì)時，要考慮到高溫、重載的影響，最終結(jié)合工程實(shí)例，確定采用AC-20礦料級配，表5為具體級配，對應(yīng)的級配圖見圖1。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[5]相關(guān)規(guī)定采用馬歇爾擊實(shí)方法來確定最佳瀝青用量，最終確定為4.3%，混合料指標(biāo)檢測結(jié)果見表6。

表5　篩分試驗(yàn)結(jié)果及規(guī)范要求

圖1　級配曲線圖

檢測項(xiàng)目檢測結(jié)果油石比/%4.3毛體積密度/(g·cm-3)2.443孔隙率/%4.58礦料間隙率/%22.4飽和度/%62.1穩(wěn)定度/kN14.5流值/mm3.3

3室內(nèi)車轍試驗(yàn)研究

對摻RA抗車轍劑的瀝青混合料的高溫性能的評價，通常采用室內(nèi)車轍試驗(yàn)的動穩(wěn)定度DS指標(biāo)。該法采用模擬實(shí)際車輪荷載作用路面后形成車轍的方法，其效果較為可靠，操作方法簡單。筆者采用4種方案進(jìn)行對比試驗(yàn)：方案一是基質(zhì)瀝青混合料；方案二是摻加含量為0.2%RA的瀝青混合料；方案三是摻加含量為0.35%RA的瀝青混合料；方案四是摻加含量為0.4%RA的瀝青混合料。

3.1　試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)溫度條件是60 ℃，采用的試件尺寸為長300 mm×寬300 mm×厚50 mm，分別對4種試驗(yàn)方案進(jìn)行車轍試驗(yàn)，為確保結(jié)果的有效科學(xué)性，每個方案要做3次平行試驗(yàn)，最終取其平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)溫度的恒定是通過60 ℃恒溫室實(shí)現(xiàn)的，要保持5~12 h。滿足條件后，連同試模移置輪轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺中間部分，往返試驗(yàn)1 h記錄變形量，形成自動記錄的變形曲線。

3.2　動穩(wěn)定度計(jì)算

根據(jù)車轍試驗(yàn)，自動記錄變形曲線，讀取45 min(t1)及60 min(t2)時的車轍變形d1和d2(準(zhǔn)確至0.01 mm)，然后按照式(1)進(jìn)行動穩(wěn)定度計(jì)算。

(1)

式中：DS為瀝青混合料的動穩(wěn)定度，次/mm；d1為對應(yīng)于時間t1的變形量，mm；d2為對應(yīng)于時間t2的變形量，mm；C1為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取1.0；C2為試件系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取1.0；N為試件往返碾壓速度，通常取42次/min。

3.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照式(1)計(jì)算，可將4種實(shí)驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果列于表7中，同時建立各實(shí)驗(yàn)方案與穩(wěn)定度之間的條形圖表，具體見圖2。

表7　4種改性方案車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖2　混合料高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見，摻加RA抗車轍劑的瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯大于沒有摻加的瀝青混合料(即方案一)；比較方案二、三、四可知，隨著RA抗車轍劑含量的增加，由0.2%增加至0.4%，動穩(wěn)定度的變化趨勢是先顯著增加，后來有些下降，故RA的含量對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的影響較大，在所有的含量中，0.35%含量的動穩(wěn)定度均值達(dá)到8 912次/mm，效果最優(yōu)；而對應(yīng)的在45 min和60 min時累積變形均值分別為1.413 mm和1.507 mm，這也是所有方案中的最小值，可見在瀝青混合料中抗車轍劑摻量為0.35%較為科學(xué)合理。

4現(xiàn)場效果分析

由于現(xiàn)場試驗(yàn)效果與室內(nèi)試驗(yàn)存在差異，為了進(jìn)一步驗(yàn)證經(jīng)RA改性后的瀝青混合料的路用性能，在長大縱坡路段鋪設(shè)RA抗車轍瀝青路面的試驗(yàn)路段，試驗(yàn)路段的樁號范圍是K3+400~K4+900，全長1.5 km。通過對試驗(yàn)路段7 d和14 d車轍平均深度的跟蹤觀測調(diào)查記錄，最終試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8　試驗(yàn)路段平均車轍深度檢測表

由表8可見，經(jīng)過7 d現(xiàn)場試驗(yàn)后，左右幅的平均車轍深度分別為1.37 mm和1.43 mm，具有很好的抗車轍能力，其他方面沒有任何病害。而在14 d后的現(xiàn)場試驗(yàn)，左右幅的平均車轍深度分別為1.56 mm和1.63 mm，路面保持良好的平整性，也表現(xiàn)出摻加RA抗車轍劑的瀝青混合料能夠有效提高路面抗車轍能力。

5結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)例，為解決高速公路長大縱坡路段車轍病害嚴(yán)重的工程問題，分別從機(jī)理分析、瀝青混合料設(shè)計(jì)、室內(nèi)車轍試驗(yàn)研究以及現(xiàn)場效果分析等方面對摻加改性劑RA的瀝青混合料抗車轍能力進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：瀝青混合料的抗車轍能力最優(yōu)時抗車轍劑摻量為0.35%；現(xiàn)場試驗(yàn)后車轍平均深度均在2 mm以內(nèi)，改善作用明顯。本研究為相關(guān)工程問題提供了一定的改善思路。

參考文獻(xiàn)

[1]沈金安，李福晉，陳景.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]張業(yè)茂，鄭木蓮，胡光偉.摻加改性劑瀝青混合料抗車轍性能研究[J].路基工程，2012(14)：77-81.

[3]楊紅鎖.抗車轍劑改性瀝青混合料的試驗(yàn)研究[J].山西交通科技，2014(1)：5-7.

[4]JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2011.

Application Research on Asphalt Mixture with Modified

Agent in Highway Longitudinal Slope Section

ChengGaofeng

(Shanxi Road & Bridge Second Engineering Co., Ltd., Linfen 041051, China)

Abstract：To improve the rutting phenomenon in the long steep road, the asphalt mixture with modified agent method is provided. Based on an engineering project, the researches on mechanism analysis, asphalt mixture design, experimental study on indoor rut and field effect analysis and so on are made. The results show that when the rutting resistance of asphalt mixture is optimal, the mixing amount of rut agent is 0.35%. At the same time, the average depth of rut is only within 2mm, and the remarkable effects of the method are verified.

Key words:RA modified agent; rutting resistance; field test

收稿日期：2015-09-01

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.036