薄表層瀝青混合料路用性能研究

劉向杰， 李文凱

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450000； 2.河南交院工程技術(shù)有限公司)

瀝青混凝土路面上面層作為路面結(jié)構(gòu)層的頂層，長期裸露在外面，會受到雨水、空氣和光照的作用，同時(shí)也是傳遞和承受車輛荷載的結(jié)構(gòu)層，因此，瀝青混凝土常見的裂縫、車轍、麻面、水損害等病害會首先出現(xiàn)在路面上面層。薄表層瀝青混凝土路面的攤鋪厚度往往會比正常施工時(shí)的上面層薄1～2 cm，上面層厚度的減小，會導(dǎo)致后期施工時(shí)碾壓不密實(shí)，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部空隙較大，在雨水和車輛荷載的共同作用下，路面水損害病害嚴(yán)重；由于上面層結(jié)構(gòu)層厚度減小，薄表層瀝青混凝土溫度敏感性變大，在晝夜溫差較大時(shí)會在上面層內(nèi)部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，加劇路面裂縫的形成；此外，薄表層瀝青混凝土路面更容易發(fā)生剪切變形，所以對薄表層瀝青混凝土路面的施工更需嚴(yán)格技術(shù)要求。該文通過不同級配類型、不同外加劑摻量的研究來評價(jià)AC-10C、AC-13C、UTL-10、UTL-13共4種瀝青混合料的路用性能。

1 瀝青混合料級配設(shè)計(jì)

1.1 集料性能

粗集料選擇玄武巖碎石，粒徑大小為10～15、5～10、3～5 mm；細(xì)集料為0～3 mm石灰?guī)r碎石；填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，原材料各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。采用的高分散裂解橡膠瀝青由90#基質(zhì)瀝青和橡膠粉為原料，膠粉內(nèi)摻量20%，同時(shí)添加0.4%的裂解劑制作而成，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 高分子裂解橡膠瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 外加劑性能

選用廢渣類外加劑，外加劑的摻入能夠改善瀝青混合料的力學(xué)性能和耐久性。外加劑為黑色、柱狀顆粒，由高分子化合物通過改性合成，能夠室溫儲存，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.3 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

依照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)技術(shù)要求，AC-10C、AC-13C、UTL-10、UTL-13共4種混合料推薦級配范圍和設(shè)計(jì)級配見表3。

表2 外加劑主要技術(shù)指標(biāo)

表3 AC-10C、AC-13C、UTL-10、UTL-13瀝青混合料設(shè)計(jì)級配

對AC-10C、AC-13C、UTL-10和UTL-13瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，4種瀝青混合料最佳油石比和馬歇爾檢測結(jié)果見表4。

表4 最佳油石比和馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 瀝青混合料路用性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

該文瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)均選用裂解橡膠瀝青，依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求成型車轍板試件，并進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可以得出：4種瀝青混合料動穩(wěn)定度都符合規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求，高溫穩(wěn)定性較好。UTL型瀝青混合料比連續(xù)級配 AC型瀝青混合料動穩(wěn)定度大，這是因?yàn)閁TL型瀝青混合料中集料的嵌擠更好，瀝青混合料具有更好的抗剪切性能。當(dāng)粗集料的公稱最大粒徑變小、混合料中瀝青含量增大時(shí)，混合料中集料的骨架強(qiáng)度降低，引起混合料的動穩(wěn)定度下降。

表5 不同類型瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低溫性能試驗(yàn)

對4種薄表層瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，評價(jià)瀝青混合料的低溫抗開裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

由表6可以得出：4種類型混合料最大破壞應(yīng)變都不低于2 500 με，說明都具有較好的低溫穩(wěn)定性。連續(xù)級配AC 型瀝青混合料較UTL型瀝青混合料表現(xiàn)出更好的低溫抗開裂性能，這是因?yàn)锳C 型瀝青混合料細(xì)集料較多，瀝青膠漿的增多對小梁試件在低溫環(huán)境下的彎曲破壞有較好的阻裂作用。當(dāng)粗集料的公稱最大粒徑變小、混合料中瀝青含量增大時(shí)，低溫環(huán)境下混合料的黏韌性增強(qiáng)，瀝青混合料的最大破壞彎拉應(yīng)變變大。

2.3 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

通過對4種瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)，評價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可以得出：隨著公稱最大粒徑的增大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)級配較好的情況下，公稱最大粒徑越小，瀝青混合料更易密實(shí)，內(nèi)部空隙就越小，水穩(wěn)定性也相對增強(qiáng)。

表7 不同類型瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3 外加劑摻量對路用性能的影響

選用廢渣類外加劑對4種瀝青混合料的路用性能展開研究，外加劑摻量分別選用0%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%。

3.1 高溫性能試驗(yàn)

通過改變外加劑用量，對UTL-13型瀝青混合料開展高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 動穩(wěn)定度隨外加劑摻量變化規(guī)律

由圖1可以得出：外加劑的摻入對混合料動穩(wěn)定度有顯著影響，當(dāng)外加劑用量為 0.3%時(shí)，動穩(wěn)定度增加了2 916次/mm；隨著外加劑摻量的增加，瀝青混合料初期動穩(wěn)定度增加較快，當(dāng)用量大于0.4%時(shí)，動穩(wěn)定度的增長幅度降低。

3.2 低溫性能試驗(yàn)

在不同外加劑摻量下，對UTL-13型瀝青混合料進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 破壞應(yīng)變隨外加劑摻量變化規(guī)律

由圖2可以得出：隨著外加劑用量的增大，瀝青混合料最大破壞應(yīng)變先升高后降低，當(dāng)用量為 0.3%時(shí)，瀝青混合料抗低溫開裂性能最好。表明當(dāng)外加劑用量不斷增加時(shí)，在外加劑膠凝作用下，瀝青混合料低溫抗開裂性能先升高后降低；當(dāng)外加劑用量過大時(shí)，瀝青混合料將發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致抗低溫開裂性能下降，因此，外加劑摻量不易大于0.4%。

3.3 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

對不同外加劑用量下UTL-13型瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4。

由圖3、4可以得出：未添加外加劑的薄表層UTL-13型瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好，這是因?yàn)楦叻稚⒘呀庀鹉z瀝青具有很好的黏結(jié)性能，能夠很好地增強(qiáng)瀝青混合料水穩(wěn)定性能。外加劑的摻入對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的改善作用，當(dāng)用量為 0.4% 時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最佳。

圖3 凍融劈裂強(qiáng)度比隨外加劑摻量變化規(guī)律

圖4 浸水殘留穩(wěn)定度隨外加劑摻量變化規(guī)律

4 結(jié)論

通過級配類型、外加劑摻量對AC-10C、AC-13C、UTL-10、UTL-13共4種細(xì)粒式薄表層瀝青混合料路用性能的研究，得出以下結(jié)論：

(1) 4種瀝青混合料動穩(wěn)定度都符合規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求，高溫穩(wěn)定性較好，UTL型瀝青混合料較連續(xù)級配 AC型瀝青混合料動穩(wěn)定度大，具有更好的高溫穩(wěn)定性。

(2) 4種類型混合料最大破壞應(yīng)變都不低于2 500 με，表明都具有較好的低溫穩(wěn)定性，UTL型瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性能，但是其低溫性能卻低于 AC 型瀝青混合料。

(3) 隨著公稱最大粒徑的增大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)級配較好的情況下，公稱最大粒徑越小，瀝青混合料更易密實(shí)，內(nèi)部空隙就越小，水穩(wěn)定性也相對增強(qiáng)。

(4) 未摻外加劑的薄表層UTL-13型瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好，外加劑的摻入對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的改善作用，當(dāng)摻量為 0.4% 時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最佳。