富油型AC-10應(yīng)力吸收層的路用性能研究

彩雷洲，陸圣嘉，王燦升

(1.中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司，北京 100088； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

為防治“白改黑”路面的反射裂縫病害，道路建設(shè)者經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)踐檢驗(yàn)，證明在新瀝青面層和原有的水泥混凝土基層之間加鋪一層應(yīng)力吸收層，能夠有效消減車(chē)輛荷載應(yīng)力，抑制反射裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展[1-5]。應(yīng)力吸收層通常選擇瀝青為膠結(jié)料，碎石集料為傳力介質(zhì)，不僅可以黏結(jié)面層與基層，還具有應(yīng)力吸收、防止?jié)B水、防止反射裂縫的功能[6-7]。

黃衛(wèi)東等[8]研究了連續(xù)密級(jí)配橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層，發(fā)現(xiàn)瀝青針入度會(huì)顯著地影響應(yīng)力吸收層的疲勞壽命；李祖仲等[9]通過(guò)拉伸與拉壓疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用的改性瀝青抗拉伸應(yīng)變能力越強(qiáng)，其混合料抗拉伸能力越強(qiáng)；洪海等[10]通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)應(yīng)力吸收層的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)使用改性瀝青可以有效延緩裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展速度；王海朋等[11]針對(duì)不同級(jí)配的應(yīng)力吸收層進(jìn)行對(duì)比研究；孫潔[12]基于TPS改性劑，對(duì)比分析了普通改性瀝青與TPS改性瀝青對(duì)路應(yīng)力吸收層路用性能的影響。

不同于普通應(yīng)力吸收層[13-14]，本文研究的富油型應(yīng)力吸收層使用6.5%以上的高油石比，增加有效瀝青含量，強(qiáng)化應(yīng)力消減能力。本文分別對(duì)不同瀝青種類(lèi)和油石比的富油型AC-10應(yīng)力吸收層的高溫性能、低溫性能與水穩(wěn)定性等路用性能進(jìn)行對(duì)比研究，為廣西及國(guó)內(nèi)類(lèi)似濕熱地區(qū)的應(yīng)力吸收層施工提供參考依據(jù)。本文所用技術(shù)要求按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)和實(shí)際施工技術(shù)要求確定。

1 原材料

1.1 瀝青

富油型應(yīng)力吸收層具有很好的應(yīng)力消減和抗變形能力，主要是因?yàn)椴捎酶吆繛r青可以有效緩解因基層裂縫而引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，消散裂縫處產(chǎn)生的應(yīng)變，故認(rèn)為瀝青的品質(zhì)是評(píng)價(jià)富油型應(yīng)力吸收層是否合格的關(guān)鍵[15-18]。為研究不同種類(lèi)瀝青的應(yīng)力吸收層瀝青混合料的路用性能，本文分別使用SBS(I-D)改性瀝青和專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青制備AC-10型瀝青混合料[19]。其中，專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青由SBS(I-D)改性瀝青和摻量為8%的高黏改性劑制備而成。SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，高黏高彈瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表2 專(zhuān)用高黏高彈瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 礦料及礦料級(jí)配

本文所用粗集料為4.75～9.5 mm和2.36～4.75 mm兩檔粒徑的石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為0～2.36 mm粒徑的機(jī)制砂，填料為礦粉，AC-10混合料中各組分比例為粗集料(4.75～9.5 mm)∶粗集料(2.36～4.75 mm)∶細(xì)集料(0～2.36 mm)∶礦粉=65∶9∶21∶5[20]。集料性能指標(biāo)及合成級(jí)配滿足本文技術(shù)要求，粗集料、細(xì)集料及填料的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3～5，AC-10混合料的合成級(jí)配見(jiàn)表6。

表3 粗集料的技術(shù)指標(biāo)

表4 細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)

表5 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

表6 合成級(jí)配

2 瀝青混合料性能對(duì)比

2.1 油石比對(duì)比研究

為研究油石比對(duì)AC-10瀝青混合料的影響，本文使用SBS(I-D)改性瀝青，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)與施工經(jīng)驗(yàn)，按5.0%～6.6%、間隔為0.4%的5組油石比制作AC-10型馬歇爾試件。馬歇爾試件擊實(shí)次數(shù)為75次，試驗(yàn)溫度條件見(jiàn)表7，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。空隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值及粉膠比與油石比的關(guān)系見(jiàn)圖1，圖中橫虛線為工程及技術(shù)規(guī)范要求。

表7 馬歇爾試驗(yàn)溫度條件

表8 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖1 油石比關(guān)系

為保證應(yīng)力吸收層的施工和易性，本文使用SBS(I-D)改性瀝青，按5.0%～7.8%、間隔為0.4%的8組油石比進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9，析漏損失率和油石比的關(guān)系見(jiàn)圖2。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

表9 析漏試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖2 油石比和析漏損失率的關(guān)系

(1)為滿足混合料空隙率不小于2.5%及粉膠比不大于1.6的技術(shù)要求，取AC-10瀝青混合料油石比下限為5.9%。

(2)根據(jù)油石比與穩(wěn)定度的關(guān)系圖，當(dāng)混合料使用的油石比從5.0%增加到5.8%時(shí)，試件穩(wěn)定度減小了1.2%，但是當(dāng)油石比從5.8%增加到6.6%時(shí)，穩(wěn)定度減小了10.0%，減小幅度明顯增大。試驗(yàn)結(jié)果表明：雖然增加SBS改性瀝青用量可以有效提高應(yīng)力吸收層的應(yīng)力消減能力，但是油石比越高，穩(wěn)定度越差，對(duì)瀝青混合料的性能不利。

(3)根據(jù)油石比與流值的關(guān)系圖，隨著油石比的增加，混合料流值變化不大，穩(wěn)定在3.2～3.5 mm之間，符合本文技術(shù)要求。

(4)根據(jù)析漏損失率和油石比的關(guān)系圖，析漏損失率隨著瀝青混合料油石比的增大而增大，析漏損失率曲線陡增的拐點(diǎn)出現(xiàn)在油石比為6.5%時(shí)，因此從施工和易性及經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，將6.5%作為瀝青混合料油石比的上限。

綜上所述，AC-10瀝青混合料油石比的推薦范圍為5.9%～6.5%。為研究油石比對(duì)應(yīng)力吸收層路用性能的影響，分別使用5.9%、6.2%和6.5%的油石比，對(duì)AC-10型SBS改性瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1.1 高溫性能

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是指瀝青路面在高溫和車(chē)輛荷載作用下抵抗變形的能力，通常以車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。廣西夏季平均溫度可達(dá)30 ℃以上，應(yīng)力吸收層良好的高溫穩(wěn)定性是其在廣西及類(lèi)似夏季炎熱地區(qū)推廣應(yīng)用的決定性因素。AC-10型SBS改性瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。

表10 車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1.2 低溫性能

當(dāng)瀝青路面溫度降低時(shí)，瀝青混合料體積收縮，甚至?xí)霈F(xiàn)收縮裂縫，對(duì)瀝青路面功能造成極大破壞。應(yīng)力吸收層如果出現(xiàn)溫度收縮裂縫，其應(yīng)力消減能力就會(huì)大大降低，甚至消失，故應(yīng)該嚴(yán)格要求其低溫抗裂性能。本文使用0 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。

表11 小梁彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1.3 水穩(wěn)定性

水損害是瀝青路面最常見(jiàn)的病害之一，其形成機(jī)理是：侵入瀝青混合料中的水在車(chē)輛荷載與溫度的雙重作用下，降低瀝青黏附性，破壞混合料原本穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生各種病害。本文采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表12。

由以上路用性能試驗(yàn)可知，隨著油石比的增加，AC-10型SBS改性瀝青混合料的高溫性能下降。當(dāng)油石比從5.9%增加到6.5%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降了40.5%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著混合料油石比的增加，動(dòng)穩(wěn)定度下降的幅度明顯增大。

表12 水穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

隨著油石比的增加，AC-10瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性都得到增強(qiáng)。當(dāng)油石比從5.9%增加到6.5%時(shí)，混合料的低溫彎拉應(yīng)變提高33.7%，浸水殘留穩(wěn)定度提高2.8%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比提高3.8%。

2.2 專(zhuān)用高黏高彈瀝青研究

為提升工程品質(zhì)，本文通過(guò)在SBS改性瀝青中摻入高黏改性劑來(lái)改善瀝青混合料的性能。本文按6.5%的油石比，分別使用專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青和SBS(I-D)改性瀝青制備AC-10瀝青混合料，通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)驗(yàn)證其高溫性能，通過(guò)0 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證其低溫性能，通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證其水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13～15。

表13 車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表14 小梁彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表15 水穩(wěn)定性數(shù)據(jù)對(duì)比

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在同級(jí)配、油石比條件下，專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青混合料和SBS(I-D)改性瀝青混合料相比，動(dòng)穩(wěn)定度提高了130.0%，低溫彎拉應(yīng)變提高了52.7%，浸水殘留穩(wěn)定度提高了5.3%，凍融劈裂強(qiáng)度提高了11.1%，各方面性能，尤其是高、低溫性能得到大幅度提升。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分別對(duì)比瀝青種類(lèi)及油石比，對(duì)富油型AC-10應(yīng)力吸收層的路用性能進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1)富油型AC-10瀝青混合料的設(shè)計(jì)油石比推薦范圍為5.9%～6.5%。使用SBS改性瀝青時(shí)，隨著油石比的增大，AC-10應(yīng)力吸收層的高溫性能會(huì)有小幅度下降，但是低溫性能、水穩(wěn)定性及應(yīng)力吸收能力都得到加強(qiáng)。

(2)使用專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青可以有效解決油石比增大導(dǎo)致富油型AC-10應(yīng)力吸收層高溫性能下降的問(wèn)題，大幅度提升應(yīng)力吸收層的高溫性能和低溫性能，對(duì)水穩(wěn)定性也有小幅加強(qiáng)的作用。

(3)廣西屬于濕熱地區(qū)，夏季日均最高氣溫在30 ℃以上，對(duì)高溫性能的要求較高。根據(jù)路用性能對(duì)比結(jié)果，推薦廣西省及類(lèi)似濕熱地區(qū)的富油型AC-10應(yīng)力吸收層使用高黏高彈改性瀝青。