巖瀝青改性瀝青微表處混合料路用性能試驗(yàn)研究

張樹春，代　考

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州　510000； 2.廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州　510000)

巖瀝青改性瀝青微表處混合料路用性能試驗(yàn)研究

張樹春1，代考2

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州510000； 2.廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州510000)

摘要：巖瀝青是一種天然瀝青改性劑，具有瀝青混合料路用性能的特性。以“輪胎驅(qū)動(dòng)式路面功能加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)”作為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同摻量巖瀝青的改性乳化瀝青微表處混合料進(jìn)行室內(nèi)加速加載試驗(yàn)。通過模擬實(shí)際道路特點(diǎn)，研究微表處混合料抗滑性能變化規(guī)律，并定量評(píng)價(jià)巖瀝青摻量對(duì)其路用性能的影響。研究成果對(duì)推動(dòng)微表處技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：巖瀝青；改性乳化瀝青；微表處；加速加載試驗(yàn)；路用性能

瀝青路面因具有很好的穩(wěn)定性和舒適性而被廣泛應(yīng)用于路面鋪設(shè)。然而，隨著現(xiàn)代交通量不斷增大以及受降雨、高溫等氣候條件的影響，瀝青路面的抗滑性能逐漸衰減，已經(jīng)嚴(yán)重影響到車輛的行車安全。

微表處技術(shù)引入到我國(guó)已經(jīng)有很多年了。以往大量工程應(yīng)用表明，工程質(zhì)量好的微表處對(duì)瀝青路面確實(shí)具有良好的保護(hù)作用，能夠有效改善路面的抗滑性能、封堵微細(xì)裂縫、處置輕微車轍等，延長(zhǎng)路面使用壽命和大修周期[1]。然而，目前所實(shí)施的微表處工程其表面功能并非都令人滿意，這是由于現(xiàn)有《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》中規(guī)定微表處和稀漿封層中所用的乳化瀝青的針入度指標(biāo)范圍是40～100，該范圍過于寬泛，所制成的微表處質(zhì)量差異性較大，不能完全保證微表處攤鋪后的抗滑耐久性[2]。筆者認(rèn)為，在綜合考慮瀝青混合料的粘結(jié)性、抗裂性和脆性時(shí)，對(duì)《指南》提出的針入度范圍具有優(yōu)化和細(xì)化的余地[3]。基于此，筆者采用向成品乳化瀝青中外摻不同比例的巖瀝青來獲取低標(biāo)號(hào)乳化瀝青，并利用所得的改性乳化瀝青制成微表處試件，采用室內(nèi)加速加載裝置來研究和評(píng)價(jià)微表處混合料在加速加載條件下其抗滑性能和抗剝落性能的變化情況，進(jìn)而對(duì)其路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

1原材料選用

1.1集料

試驗(yàn)采用粒徑5～10、0～5 mm的集料，石料采用廣東省梅州長(zhǎng)大生產(chǎn)基地生產(chǎn)的凝灰?guī)r[5]。集料性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.2級(jí)配

經(jīng)由試驗(yàn)驗(yàn)證MS-3型級(jí)配下限在抗滑性能衰減和抗剝落2方面都表現(xiàn)出了較好的性能。因此，為消除級(jí)配對(duì)微表處表面功能的影響，本次試驗(yàn)采用MS-3下限[6]。微表處礦料級(jí)配如表2所示。

表1　集料性能試驗(yàn)結(jié)果匯總

表2　微表處礦料級(jí)配

1.3乳化瀝青

試驗(yàn)采用“威森德”牌改性乳化瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表3所示。試驗(yàn)采用天然巖瀝青，黑褐色，粉末狀，且具有不規(guī)則的棱角斷面。組分中瀝青質(zhì)含量很高，經(jīng)燃燒法測(cè)定，改性乳化瀝青的總體比例約89.8%。

1.4巖瀝青改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《乳化瀝青蒸發(fā)殘留物測(cè)定法》中所規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目，按其規(guī)定的方法檢測(cè)巖瀝青改性乳化瀝青的性能，檢驗(yàn)瀝青是否合格[7]。

本次試驗(yàn)巖瀝青摻量分別選為0、2.0%、4.0%、6.0%(相對(duì)于乳化瀝青質(zhì)量的百分?jǐn)?shù))，采用人工物理拌和方法，共獲得了4種巖瀝青改性乳化瀝青，其性能指標(biāo)如表4所示。

1.5環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《乳化瀝青蒸發(fā)殘留物測(cè)定法》中所規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目，按其規(guī)定的方法檢測(cè)環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的性能，檢驗(yàn)瀝青是否合格[8]。

表3　改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

通過采用人工物理拌和方法檢驗(yàn)得出摻量為2.0%環(huán)氧樹脂改性瀝青的性能技術(shù)指標(biāo)，如表5所示。

表4　不同摻量巖瀝青改性乳化瀝青的性能指標(biāo)

表5　環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2室內(nèi)試驗(yàn)

2.1試件制作

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，按照《瀝青改性乳化瀝青微表處指南》規(guī)定的常規(guī)試驗(yàn)檢測(cè)混合料的可拌和時(shí)間、粘聚力和油石比，確定瀝青和水的用量。

把8個(gè)水泥混凝土底模分成4組，每組各2個(gè)，每組底模攤鋪同一種微表處混合料，如圖1及表6所示。

圖1　微表處混合料試件

試件編號(hào)分組級(jí)配瀝青油石比/%1#2#3#4#5#6#7#8#第1組第2組第3組第4組MS-3下限改性乳化瀝青+0%巖瀝青改性乳化瀝青+2%巖瀝青改性乳化瀝青+4%巖瀝青改性乳化瀝青+2%環(huán)氧樹脂10

根據(jù)《瀝青改性乳化瀝青微表處指南》中的規(guī)定配制不同油石比及不同巖瀝青摻量的混合料。模擬實(shí)際施工方法，將配制成的4種微表處混合料攤鋪在相同的水泥混凝土試件載體上，待改性乳化瀝青破乳后便開始測(cè)試初始條件下試件的重量和擺值，并安裝試件。

2.2磨耗試驗(yàn)

選取的試驗(yàn)條件為：輪胎接地壓力0.7 MPa，輪胎荷載225 kN，運(yùn)行速度1 500 ms/r，溫度控制30 ℃，總作用次數(shù)設(shè)置為70 000次，分別在標(biāo)準(zhǔn)輪胎作用次數(shù)達(dá)到5 000、10 000、30 000、50 000、70 000次時(shí)用擺式儀對(duì)各個(gè)試件在不同作用次數(shù)后的擺值(BPN)進(jìn)行測(cè)量，以觀察其抗滑性能的變化。同時(shí)，使用手工鋪砂法測(cè)量試件表面的構(gòu)造深度。通過這2種試驗(yàn)方法來評(píng)價(jià)不同巖瀝青摻量和2%環(huán)氧樹脂微表處混合料的抗滑性能[2]。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1摻入巖瀝青的改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)

改性乳化瀝青是微表處的良好粘結(jié)材料，其質(zhì)量的好壞對(duì)封層質(zhì)量的影響最直接、最明顯。評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用3種不同巖瀝青摻量的改性乳化瀝青。改性乳化瀝青摻加巖瀝青技術(shù)的性能試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7數(shù)據(jù)可以看出，改性乳化瀝青中摻入巖瀝青可以降低其針入度，且隨著巖瀝青摻量的增大，改性乳化瀝青針入度降低就越明顯。

此外，摻入巖瀝青的乳化瀝青其延度也大幅降低，且遠(yuǎn)小于20，不符合JTG/T F40-02—2005《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》對(duì)乳化瀝青的延度要求，不能用于制作微表處混合料[8]。

表7　改性乳化瀝青+巖瀝青的瀝青性能指標(biāo)

3.2巖瀝青和環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青對(duì)微表處抗滑性能的影響

3.2.1微表處混合料擺值測(cè)量結(jié)果

對(duì)摻巖瀝青和環(huán)氧樹脂的改性乳化瀝青微表處進(jìn)行抗滑性能影響研究，并對(duì)微表處混合料的擺值(BPN)進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)值如圖3所示。

圖3　微表處混合料的擺值(BPN)統(tǒng)計(jì)

從圖3可以清楚看出，試驗(yàn)初期所有微表處混合料抗滑性能迅速降到一定數(shù)值(10 000次輪胎作用)后便平緩下降。特別是加載到5 000次后，抗滑性能衰減速度特別快，但這個(gè)現(xiàn)象與添加巖瀝青含量關(guān)系不大，因?yàn)楫?dāng)加載到10 000次后，隨著輪胎作用次數(shù)增加，所有微表處混合料抗滑性能均表現(xiàn)出溫和下降的趨勢(shì)。從原材料性質(zhì)看，摻巖瀝青的改性乳化瀝青其殘留物的針入度越小，則其混合料抗滑性能就越好，由此可以判斷微表處混合料中摻加巖瀝青對(duì)其微表處摩擦系數(shù)的影響不大，即摻加巖瀝青不能顯著改善微表處混合料的抗滑性能。

混合料中摻加不同類型的外摻劑，其抗滑性能也有一定差別。通過對(duì)微表處混合料的擺值(BPN)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，可以看出，采用環(huán)氧樹脂的混合料其抗滑性損失均明顯小于采用巖瀝青乳的混合料。由此可知，采用環(huán)氧樹脂改性劑的混合料其抗滑性能更強(qiáng)[9]。

3.2.2微表處混合料的構(gòu)造深度測(cè)量結(jié)果

路面表面構(gòu)造深度是評(píng)價(jià)路面抗滑性能的另一重要指標(biāo)，本試驗(yàn)對(duì)對(duì)各種微表處混合料構(gòu)造深度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4　抗滑性能(構(gòu)造深度)變化

由圖4可以看出，從加載次數(shù)看，從0到5 000次加載過程中，微表處混合料構(gòu)造深度顯著下降，5 000次后構(gòu)造深度趨于平穩(wěn)，這個(gè)變化趨勢(shì)與添加巖瀝青和添加的巖瀝青含量幾乎無關(guān)。數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)表明，微表處材料在輪胎作用下首先發(fā)生壓實(shí)、壓密，該過程中對(duì)應(yīng)于荷載作用次數(shù)小于5 000次構(gòu)造深度發(fā)生變化，在混合料密度達(dá)到某一穩(wěn)定值后，構(gòu)造深度下降趨于平緩，而構(gòu)造深度可反映摻加不同摻量乳化瀝青和摻環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料之間的差異。隨著輪胎作用次數(shù)增加，所有微表處混合料抗滑性能均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，到達(dá)一定次數(shù)后就趨于穩(wěn)定。由此可知，微表處混合料中摻加巖瀝青與否對(duì)構(gòu)造深度的影響不大，即摻加巖瀝青和環(huán)氧樹脂不能顯著改善微表處混合料的抗滑性能。

3.3不同摻量巖瀝青改性乳化瀝青對(duì)微表處抗剝落性能的影響

試驗(yàn)過程中，微表處混合料受輪胎壓力、摩擦力以及離心力3者的合力作用，會(huì)發(fā)生材料剝落。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)各個(gè)試件在不同荷載作用次數(shù)后的質(zhì)量損失進(jìn)行了測(cè)量，以觀察其抗剝落性能的變化。這種試驗(yàn)方法可評(píng)價(jià)不同改性瀝青微表處混合料的抗剝落性能。本次試驗(yàn)測(cè)得的混合料質(zhì)量損失率如圖5所示。

圖5　質(zhì)量損失率

從圖5可以看出，未摻加巖瀝青的微表處混合料質(zhì)量損失明顯，摻加巖瀝青的微表處混合料質(zhì)量損失卻大幅減少，且在加載50 000次后質(zhì)量損失都不再增加，趨于一個(gè)定值，表明摻加巖瀝青的微表處混合料試驗(yàn)中抗剝落性能有所提高。分析圖5中的數(shù)據(jù)還可以看出，巖瀝青摻量為2%左右的微表處混合料其抗剝落性能最佳，且摻加環(huán)氧樹脂的改性乳化瀝青微表處混合料在試驗(yàn)過程中其剝落質(zhì)量最大；而未摻加和摻加4%的巖瀝青改性乳化瀝青微表處混合料其剝落質(zhì)量相對(duì)較小。對(duì)于抗剝落性能來說，摻加越軟的瀝青則混合料抗剝落性能就較好。這是由于越硬的瀝青其剪切剛度(模量)就越大，對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力也就越大，在相同荷載作用下，其更容易產(chǎn)生剪切破壞并剝落。

4試驗(yàn)結(jié)論

通過上述分析得出以下結(jié)論。

1) 摻入巖瀝青可以降低乳化瀝青的針入度，且?guī)r瀝青外摻量越大，改性乳化瀝青針入度降低就越明顯。

2) 巖瀝青摻量為2%左右的微表處混合料其抗剝落性能最佳，而摻環(huán)氧樹脂的改性乳化瀝青微表處混合料在試驗(yàn)過程中其剝落質(zhì)量最大。

3) 微表處材料在10 000次輪胎作用下且混合料密度達(dá)到某一穩(wěn)定值后，擺值(BPN)與構(gòu)造深度的下降趨于平緩，用摻加巖瀝青或摻加環(huán)氧樹脂的乳化瀝青制備的微表處混合料其擺值有明顯改善，由此可知，摻加入巖瀝青對(duì)微表處混合料的抗滑性能有明顯影響[10]。

參 考 文 獻(xiàn)

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Experimental Research on Road Performance of Mixture at Micro Surface of Rock Asphalt Modified Asphalt

ZHANG Shuchun1, DAI Kao2

Abstract:Rock asphalt is a natural asphalt modifier with the characteristic of improving the road performance of asphalt mixture. With the "tire-driven acceleration loading test system of pavement functions" as the test platform, this paper carries out the indoor acceleration loading test for the mixture at micro-surfacing of modified emulsified asphalt with different contents of rock asphalt. By simulating the features of actual roads, the paper studies the change rules of skid resistance of the mixture at micro surface and quantitatively evaluates the influences of the contents of rock asphalt on its road performance. The results of research are significantly important for promoting application and development of micro surface technologies.

Keywords:rock asphalt; modified emulsified asphalt; micro surface; acceleration loading test; road performance

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.011

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278203)

收稿日期：2016-01-15

作者簡(jiǎn)介：張樹春(1987-)，男，江西省贛州市人，碩士，助工。

文章編號(hào)：1009-6477(2016)03-0043-05中圖分類號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A