高速公路AC-20C中面層SBS改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

胡小金，高繼明，馬慶偉，周 雄

(1.陜西路橋集團(tuán)路面工程有限公司，陜西 西安 710054； 2.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

0 引 言

瀝青路面由于具有良好的行車舒適性、優(yōu)異的使用性能，因此在中國(guó)高速公路的建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前隨著交通量的急劇增加，在重載車比例升高，高胎壓的作用下，重載交通車道、道路交叉口、長(zhǎng)大縱坡、公交專用道、公交港灣等路段的車轍損壞現(xiàn)象尤為突出[2]。此類車轍產(chǎn)生的主要原因是混合料高溫穩(wěn)定性不足，高溫變形大。夏季瀝青路表面溫度可達(dá)60 ℃以上，車輪邊緣處路面易發(fā)生剪切變形破壞。

為了解決道路車轍問(wèn)題，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出全壽命設(shè)計(jì)方法，以層位分工理論為基礎(chǔ)，主要以中面層為主抗車轍區(qū)。中面層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性關(guān)系到整體路面結(jié)構(gòu)的使用質(zhì)量和壽命[3]。而聚合物改性瀝青是一種技術(shù)含量和附加值較高的新型優(yōu)質(zhì)筑路材料[4]。它通過(guò)把聚合物摻入道路瀝青中而改善使用性能，能顯著延長(zhǎng)路面壽命、降低噪聲、提高行車舒適性和安全性。針對(duì)高速公路重交通，地形復(fù)雜、縱坡大、橋隧比例大，彎道多，重載交通車流量大等特點(diǎn)，本文確定中面層配合比設(shè)計(jì)思路應(yīng)為：以抗車轍為主、兼顧抗疲勞性能；礦料級(jí)配采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

1 原材料技術(shù)性質(zhì)

1.1 礦料

1.1.1 粗集料

采用陜西鐵力耐特綠色建材有限公司生產(chǎn)的19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm閃長(zhǎng)巖碎石。集料試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)的要求和方法進(jìn)行。

1.1.2 細(xì)集料和填料

機(jī)制砂采用陜西鐵力耐特綠色建材有限公司生產(chǎn)的9.5～19 mm閃長(zhǎng)巖碎石自行加工，礦粉采用山陽(yáng)鐘嶺碎石場(chǎng)生產(chǎn)的9.5～19 mm的鈣質(zhì)灰?guī)r碎石自行加工。

表2 機(jī)制砂試驗(yàn)結(jié)果

表3 填料試驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青

采用新加坡產(chǎn)“SPC”牌90#A級(jí)道路石油瀝青，其性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 90#A級(jí)瀝青試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

1.3 改性瀝青加工工藝

SBS改性瀝青加工設(shè)備均采用北京金凱越瀝青材料有限公司生產(chǎn)的高精度間隙可調(diào)的膠體磨設(shè)備，SBS改性瀝青加工分為溶脹、研磨、發(fā)育3個(gè)階段。

1.3.1 準(zhǔn)備工作

對(duì)用于改性的新加坡SPC牌90#A級(jí)道路石油瀝青按要求進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果符合規(guī)范要求。采用SBS改性劑材料(北京燕山石化星型4303)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小型剪切設(shè)備進(jìn)行改性瀝青配伍性試驗(yàn)，確定改性配方為：改性劑摻量為4.5%(內(nèi)摻)，穩(wěn)定劑摻量為1‰，抽出油摻量為1.5%。

表5 改性瀝青試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2 溶脹

把90#A級(jí)道路石油瀝青(溫度控制在150 ℃左右)，經(jīng)流量計(jì)準(zhǔn)確計(jì)量后通過(guò)板式換熱器快速加熱到165 ℃～175 ℃，按確定配方要求的數(shù)量送入預(yù)混罐，并啟動(dòng)攪拌。按確定配方對(duì)SBS改性劑計(jì)重稱量(計(jì)重稱量和包裝袋計(jì)數(shù)雙控)，將稱重好的SBS改性劑加入至預(yù)混罐中，罐中溫度控制在165 ℃～175 ℃。將預(yù)混的改性劑和瀝青的混合液送入溶脹罐中溶脹20 min。

1.3.3 研磨

將溶脹完的混合液通過(guò)2個(gè)串聯(lián)式的膠體磨研磨2次。

1.3.4 發(fā)育

將完成研磨后的改性瀝青送入發(fā)育罐中(加入配比確定的穩(wěn)定劑和抽出油)，攪拌發(fā)育3～4 h(溫度控制在175 ℃～180 ℃之間)。最后，將發(fā)育完成并檢測(cè)合格的SBS改性瀝青送入瀝青拌合樓的儲(chǔ)存罐(配攪拌系統(tǒng))備用。

2 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

2.1 礦料級(jí)配合成

預(yù)定拌合機(jī)產(chǎn)量為280 t·h-1，根據(jù)目標(biāo)配合比礦料級(jí)配控制冷料倉(cāng)上料比例及速度，骨料加熱至180 ℃～190 ℃，上料30 min(模擬正常生產(chǎn)情況)。骨料放料次序由大到小，分2次放料，取第2次所放集料，熱料倉(cāng)礦料合成級(jí)配如圖1、2所示。

圖1 AC-20C瀝青混合料礦料級(jí)配(路基段)

圖2 AC-20C瀝青混合料礦料級(jí)配(橋梁段)

2.2 成型Marshall試件

根據(jù)目標(biāo)配合比確定的最佳油石比及《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求，以最佳油石比浮動(dòng)±0.3%，分別采用4.0%、4.3%、4.6%成型Marshall試件，各標(biāo)段礦料級(jí)配比例見表6。

表6 礦料級(jí)配比例

2.3 馬歇爾試驗(yàn)

Marshall試件成型溫度控制：礦料加熱溫度為180 ℃～190 ℃，瀝青加熱溫度為160 ℃～165 ℃，混合料拌和溫度為170 ℃～175 ℃，試件擊實(shí)溫度為160 ℃±2 ℃，雙面擊實(shí)75次。瀝青混合料理論最大相對(duì)密度采用計(jì)算法。

Marshall試件自然冷卻至室溫后脫模，體積指標(biāo)及力學(xué)指標(biāo)結(jié)果見表7。

表7 Marshall試件物理力學(xué)指標(biāo)

2.4 確定最佳油石比

綜合考慮，路基段落生產(chǎn)配合比最佳油石比均為4.3%，橋梁段生產(chǎn)配合比最佳油石比均為4.4%，具體見表8。

表8 AC-20C型瀝青混合料最佳油石比時(shí)Marshall試件試驗(yàn)結(jié)果

2.5 路用性能

對(duì)AC-20C瀝青混合料采用最佳油石比進(jìn)行水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 AC-20C瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法主要包括浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知SBS改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強(qiáng)度比符合JTG E20—2011改性瀝青混合料潮濕區(qū)水穩(wěn)定性檢驗(yàn)技術(shù)要求。

高溫穩(wěn)定性是驗(yàn)證瀝青混合料路用性能的重要指標(biāo)，目前對(duì)瀝青混合料高溫性能的室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法主要是車轍試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)結(jié)果表明SBS改性瀝青混合料符合高溫穩(wěn)定性規(guī)范技術(shù)要求。

采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青混合料的抗裂性能。由表9可得，SBS改性瀝青混合料破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變符合規(guī)范技術(shù)要求。

3 施工質(zhì)量檢測(cè)

3.1 試驗(yàn)段鋪筑

3.1.1 黏層施工

黏層油采用SBR改性乳化瀝青，采用A-90#基質(zhì)瀝青現(xiàn)場(chǎng)改性。黏層油的灑布量為0.4 kg·m-2，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其質(zhì)量和外觀均較好。

3.1.2 橋面防水層施工

防水層采用SBR改性乳化瀝青，改性方式為采用A-90#基質(zhì)瀝青現(xiàn)場(chǎng)改性。防水層的噴灑分2次進(jìn)行，每次噴灑量為0.3 kg·m-2，總量控制在0.6 kg·m-2，待第1次噴灑的防水層破乳完全后再進(jìn)行第2次噴灑，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其質(zhì)量和外觀均較好。

3.1.3 同步碎石封層施工

橋面SBS改性瀝青同步碎石封層采用改性瀝青SBS I-C和4.75～9.5 mm碎石。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，SBS改性瀝青灑布量為1.30 kg·m-2，碎石撒布量為9.3 kg·m-2，黏結(jié)性及均勻性均良好。

3.1.4 AC-20C中面層施工

(1)AC-20C瀝青混合料的拌和。AC-20C瀝青混合料的拌和時(shí)間應(yīng)以混合料拌和均勻、所有集料顆粒全部裹覆瀝青為度。經(jīng)試拌確定，干拌時(shí)間為5 s、濕拌時(shí)間為44 s。瀝青加熱溫度為160 ℃±5 ℃，礦料加熱溫度為185 ℃±5 ℃，瀝青混合料出廠溫度為175 ℃±5 ℃。

(2)AC-20C混合料的攤鋪。采用1臺(tái)中大DT1800攤鋪機(jī)單機(jī)攤鋪，攤鋪速度為2.0～2.5 m·min-1(路基段落)或1.5～2.0 m·min-1(橋梁段落)，松鋪系數(shù)為1.23。攤鋪溫度不低于160 ℃。

(3)AC-20C混合料的壓實(shí)。對(duì)于路基試驗(yàn)段，初壓采用2臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)前靜后振各碾壓2遍：碾壓速度為40～60 m·min-1。在初壓完成后，2臺(tái)30 t輪胎壓路機(jī)各碾壓2遍，碾壓速度為40～60 m·min-1，1臺(tái)37 t膠輪壓路機(jī)碾壓2遍，碾壓速度為60～100 m·min-1。終壓采用1臺(tái)振蕩壓路機(jī)靜壓2遍，碾壓速度為60～100 m·min-1。碾壓連續(xù)進(jìn)行，直到所有的輪跡全部消失。

對(duì)于橋梁試驗(yàn)段，初壓采用1臺(tái)振蕩壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)后振碾壓2遍，碾壓速度為60～80 m·min-1。在初壓完成后，2臺(tái)30 t輪胎壓路機(jī)各碾壓2遍，碾壓速度為30～50 m·min-1，1臺(tái)37 t膠輪壓路機(jī)碾壓2遍，碾壓速度為60～80 m·min-1。終壓采用2臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)各靜壓2遍，碾壓速度為30～50 m·min-1。碾壓連續(xù)進(jìn)行，直到所有的輪跡全部消失。

3.2 試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.2.1 厚度及壓實(shí)度檢測(cè)

試驗(yàn)段后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了厚度和壓實(shí)度檢測(cè)，厚度、馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度及理論密度壓實(shí)度均滿足設(shè)計(jì)要求，具體數(shù)據(jù)見表10。

表1 粗集料質(zhì)量規(guī)格試驗(yàn)結(jié)果

表10 厚度及壓實(shí)度檢測(cè)

3.2.2 平整度檢測(cè)

平整度檢測(cè)采用連續(xù)式平整度儀(八輪儀)分別對(duì)每個(gè)車道進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合項(xiàng)目要求，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表11。

表11 平整度檢測(cè)結(jié)果

3.2.3 滲水檢測(cè)

經(jīng)檢測(cè)，施工段中面層試驗(yàn)段滲水均滿足設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表12所示。

表12 滲水檢測(cè)結(jié)果匯總

AC-20C中面層SBS改性瀝青混合料路面具有較好的密實(shí)性、抗?jié)B水性能，且表面平整密實(shí)，無(wú)明顯離析、推擠、擁抱及輪跡現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)對(duì)AC-20C中面層SBS改性瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定了合理的級(jí)配范圍，得出路基段最佳油石比為4.3%，橋梁段最佳油石比為4.4%， 并對(duì)SBS改性瀝青混合料進(jìn)行了馬歇爾體積指標(biāo)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性及滲水等路用性能指標(biāo)檢驗(yàn)，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)都均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，表明配合比設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定性。

(2)根據(jù)配合比結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果顯示，SBS改性AC-20C中面層的壓實(shí)度、厚度、平整度和滲水系數(shù)等使用性能均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，從而驗(yàn)證了AC-20C中面層SBS改性瀝青混合料配合比是合理的。