路橋工程瀝青混合料試驗檢測的有效方法

安建鑫?李哲?黃燕

摘 要：為了改善路橋工程瀝青混合料的使用性能，本文提出把地聚合物作為一種新型瀝青改性劑摻加到瀝青混合料中，并通過試驗檢測的方式，對摻加地聚合物的瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性及低溫性能進行評定，以優(yōu)化瀝青混合料，延長工程使用壽命。

關鍵詞：路橋工程;瀝青混合料;高溫性能;地聚合物

中圖分類號：U415;U445 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0104-03

Effective Test Method of Asphalt Mixture in Road and Bridge Engineering

AN Jianxin LI Zhe HUANG Yan

（Xuchang Huasheng Highway Engineering Testing Co.， Ltd.， Xuchang Henan 461000）

Abstract： In order to improve the service performance of asphalt mixture for road and bridge engineering， geopolymer is proposed to be added to asphalt mixture as a new asphalt modifier， and the high-temperature performance， water stability and low-temperature performance of asphalt mixture mixed with geopolymer are evaluated through test， so as to improve the asphalt mixture and prolong the service life of the project.

Keywords： road and bridge engineering;asphalt mixture;high temperature performance;geopolymer

瀝青路面具有行車舒適、穩(wěn)定性好、便于養(yǎng)護等優(yōu)勢，在我國路橋工程中應用十分廣泛。然而，在行車荷載和惡劣的自然環(huán)境下，傳統(tǒng)的瀝青路面已不堪重負。在通車運營1～2年后，很多瀝青路面會出現(xiàn)早期病害，尤其是裂縫問題，無疑會增加行車風險。為了解決這一問題，需要采取切實可行的措施提高工程質(zhì)量，改善瀝青混合料的質(zhì)量。目前，我國路橋工程多采用SBS類的有機聚合物改性瀝青材料，但此類材料存在一定缺陷，如儲存穩(wěn)定性不好、易出現(xiàn)離析現(xiàn)象等，變相地增加了工程成本[1-2]。相比之下，地聚合物不僅性能優(yōu)良，而且適用性強，是一種價格較低的膠凝材料，應用前景廣闊[3-5]。為此，本文針對路橋工程摻加地聚合物瀝青混合料的性能進行試驗檢測與評價分析。

1 試驗方案及材料分析

1.1 試驗原材料

1.1.1 瀝青。根據(jù)規(guī)定要求，選取70#基質(zhì)瀝青、3%摻地聚合物改性瀝青、5%摻地聚合物改性瀝青、7%摻地聚合物改性瀝青及9%摻地聚合物改性瀝青共5種不同配比的材料進行對比分析，要求選取的瀝青材料各項技術指標均滿足規(guī)定要求。

1.1.2 集料。本研究選取輝綠巖集料，對其各項原材料進行試驗檢測，確定其符合技術要求。

1.1.3 礦粉。本研究選取石灰石礦粉，其表觀密度、外觀、含水量及親水系數(shù)等各項指標均要滿足規(guī)定要求。

1.2 瀝青混合料配合比設計

為了確定地聚合物改性瀝青混合料的性能，需要在試驗前先制備混合料試件。所需的試件有3類，具體如表1所示。

在瀝青混合料中，骨架結(jié)構(gòu)為粗集料。為了填充骨架間的空隙，需要摻加一定量的細集料、礦粉。瀝青材料在混合料中主要起到黏結(jié)的作用。因此，為了確保瀝青混合料的質(zhì)量，需要保障礦料級配合理，同時要確定瀝青混合料的最佳油石比。具體來說，可采取馬歇爾法確定瀝青混合料的最佳油石比，瀝青混合料采取濕法進行拌和處理。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，設置5組馬歇爾試件，油石比范圍為4.2%～5.4%，油石比間隔以0.3%為準，每組試件不少于4個。在馬歇爾試驗中，選定基質(zhì)瀝青為最佳油石比，按照馬歇爾試件規(guī)定要求，確定具體尺寸，并對每個試件的兩面進行擊實，擊實次數(shù)均為75次。在室溫條件下，冷卻24 h以上，而后測定瀝青混合料的各項指標，最終得出最佳油石比為4.9%。

1.3 確定試驗方案

按照試驗要求，需要確定瀝青混合料的各項性能。試驗檢測的重點在于高溫性能、水穩(wěn)定性和低溫性能，可利用車轍試驗確定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，利用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗確定瀝青混合料的水穩(wěn)定性，利用低溫彎曲試驗確定瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2 路橋工程瀝青混合料試驗檢測分析

2.1 高溫穩(wěn)定性檢測

高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料試驗檢測的重點之一，是指在高溫環(huán)境下瀝青路面抵抗車轍荷載的性能。通過檢測瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，可以詳細地了解瀝青路面的使用性能，確保路面滿足規(guī)定要求。瀝青混合料屬于一種黏彈性材料。在高溫條件下，瀝青混合料的黏性流動較強，會出現(xiàn)變軟的現(xiàn)象，因而瀝青路面在車輛碾壓作用下極易出現(xiàn)車轍問題，對路橋面的使用性能影響較大，甚至會加大行車危險性。為了檢驗改性瀝青混合料的高溫性能，本研究采取混合料高溫車轍試驗進行測定。根據(jù)試驗要求，對4種不同摻量的地聚合物改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進行對比分析。試驗過程中，試驗參數(shù)如下：試驗溫度為60 ℃，荷載輪壓為0.7 MPa，試驗測定45 min、60 min兩個時間的變形量，試件各3個，確定動穩(wěn)定度范圍、平均值及變異系數(shù)。試驗結(jié)果如表2所示。

按照現(xiàn)行標準要求，基質(zhì)瀝青的動穩(wěn)定度技術指標為不少于1 000次/mm，可見70#基質(zhì)瀝青滿足規(guī)定要求;地聚合物改性瀝青的動穩(wěn)定度技術指標為不少于3 200次/mm。由表2可知，4類地聚合物改性瀝青均滿足該要求。同時，通過對比分析，得出如下結(jié)論。

第一，與70#基質(zhì)瀝青相比，地聚合物改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度提升幅度較大。由此得出，基質(zhì)瀝青混合料內(nèi)摻加一定量地聚合物，可以提高基質(zhì)混合料的高溫穩(wěn)定性。究其原因，主要有兩點：一是地聚合物自身的耐高溫性能良好，瀝青混合料內(nèi)摻加一定量地聚合物，可以明顯提高瀝青的高溫性能;二是瀝青改性后，黏附性能有所改善，同樣可以提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

第二，當?shù)鼐酆衔飺搅坎粩嘣黾訒r，瀝青混合料的動穩(wěn)定度會隨之提高。當摻加量達到9%時，與基質(zhì)瀝青混合料相比，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度約是它的2倍。需要注意，當?shù)鼐酆衔飺搅吭?%以上時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度增長幅度在逐漸下降。

第三，瀝青混合料摻加地聚合物后，混合料的動穩(wěn)定度變異系數(shù)有所下降。當摻量為5%時，其變異系數(shù)明顯小于摻量7%時?？梢?，隨著地聚合物摻量的改變，瀝青混合料的動穩(wěn)定度變異系數(shù)并沒有明顯的變化規(guī)律。但與基質(zhì)瀝青混合料相比，地聚合物改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性更好。究其原因，瀝青內(nèi)地聚合物均勻分散的情況，可以均勻提升改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，使其更加穩(wěn)定。

2.2 水穩(wěn)定性檢測分析

在瀝青混合料水穩(wěn)定性檢測中，本研究選擇兩個評價指標：殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比。根據(jù)試驗要求，同樣以70#基質(zhì)瀝青混合料和4類地聚合物摻量瀝青混合料進行對比研究。

2.2.1 浸水馬歇爾試驗。根據(jù)4.9%最佳油石比確定馬歇爾試件，每種瀝青混合料均成型2組試件，在60 ℃恒溫水浴內(nèi)浸泡全部試件，第一組和第二組放置時間分別為30 min和48 h。完成浸泡后，便可進行穩(wěn)定度值測定，同時進行殘留穩(wěn)定度計算，從而獲取瀝青混合料的水穩(wěn)定性。結(jié)果顯示：70#基質(zhì)瀝青的殘留穩(wěn)定度為86%，3%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為91%，5%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為94%，7%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為95%，9%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為96%。由此可見，地聚合物改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均在90%以上，且均在70#基質(zhì)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度以上。這說明瀝青混合料內(nèi)摻入一定量地聚合物，可以提高混合料的抗水損壞能力。究其原因，在于摻加地聚合物后，改性瀝青混合料具有良好的黏附性能，且抗剝落能力明顯增強。

2.2.2 凍融劈裂試驗。對基質(zhì)瀝青和地聚合物改性瀝青混合料進行對比分析，共做兩組試件（一組為凍融循環(huán)組，另一組為對照組），由此進行凍融劈裂試驗，獲取瀝青混合料的劈裂抗拉強度及凍融劈裂抗拉強度比（Tensile Strength Ratio，TSR）。試驗結(jié)果如表3所示。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標準，要求基質(zhì)瀝青的劈裂抗拉強度比不小于75%。本試驗中，70#基質(zhì)瀝青的劈裂抗拉強度比為82.02%，滿足要求;地聚合物改性瀝青的劈裂抗拉強度比指標為不小于80%。本試驗中，4種不同摻量的地聚合物改性瀝青混合料的劈裂抗拉強度均在80%以上，滿足規(guī)定要求。

同時，與基質(zhì)瀝青混合料相比，地聚合物改性瀝青混合料的劈裂抗拉強度比明顯較大，表明地聚合物摻加瀝青混合料內(nèi)，可以增強混合料的水穩(wěn)定性。除此之外，由試驗結(jié)果可知，當?shù)鼐酆衔飺搅吭?%以上時，混合料的劈裂抗拉強度比變化逐漸變小，說明地聚合物摻量在5%的情況下，瀝青混合料水穩(wěn)定性能具有良好的提升效果。

2.3 低溫性能檢測分析

在路橋工程中，低溫開裂是一種十分普遍的病害形式。裂縫過多會對路橋通行的舒適性和安全性造成極大影響。當前，路橋面低溫性能檢測方法較多，如彎曲法、切口小梁彎曲法及直接拉伸法等。本文采用低溫彎曲試驗測定地聚合物改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，評價指標為最大彎拉應變和彎曲勁度模量。

試驗過程中，采用小梁試件，試驗尺寸符合規(guī)定要求，并確定支座支點間距、加載速率及試驗溫度等試驗參數(shù)。試驗所得結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在瀝青混合料低溫性能檢測中，70#基質(zhì)瀝青混合料的最大彎拉應變值大于4種不同摻量的地聚合物改性瀝青混合料的最大彎拉應變值。隨著地聚合物摻量不斷增加，混合料的最大彎拉應變值不斷下降，尤其是地聚合物摻量達到9%時，最大彎拉應變降為3 050 με，與基質(zhì)瀝青混合料相比，降低了25%左右。通常來講，低溫條件下混合料的柔韌性可由最大彎拉應變值表示，即瀝青混合料的彎拉應變值越大，說明瀝青混合料具有越高的柔韌性，具有越好的低溫抗裂性能。這也說明當瀝青混合料內(nèi)摻加一定量的地聚合物后，混合料的低溫性能會有所下降，原因在于地聚合物具有較高的界面結(jié)合強度，若界面結(jié)合強度較高，容易造成材料脆性破壞，導致改性瀝青混合料開裂。

3 結(jié)語

瀝青路面是最常見的一種路面形式，在路橋工程中應用較為廣泛。然而在行車荷載和自然因素的反復作用下，瀝青路面開裂，坑槽、車轍等病害層出不窮。為了提高行車舒適性和安全性，在瀝青混合料中摻加改性劑成為一種理想的改良方式。改性瀝青混合料的應用不僅可以改善瀝青混合料的路用性能，而且能進一步提升工程質(zhì)量。

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