硬質(zhì)瀝青高模量混合料研究及應(yīng)用

呂秀杰，馮雯雯，金光來

(1. 嘉興學(xué)院，嘉興 314001； 2. 江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，南京 211806)

在日益增加的交通荷載和變化多端的環(huán)境溫度的綜合作用下，車轍問題成為瀝青路面工程領(lǐng)域亟須解決的關(guān)鍵問題。為了提高路面抗車轍性能，國內(nèi)外研究者開展了大量研究，高性能抗車轍材料研發(fā)是重要技術(shù)路徑之一。滿新耀等[1]、鄒桂蓮等[2]和肖慶一[3]分別通過摻加湖瀝青、巖瀝青和抗車轍劑研發(fā)抗車轍混合料，陳振華[4]采用SBS、膠粉等改性劑進(jìn)行改性，以提升混合料的高溫穩(wěn)定性。通過摻加天然瀝青、改性劑等材料所制備的瀝青混合料性質(zhì)不穩(wěn)定，低溫性能和耐久性較差，且技術(shù)成本較高。

高模量技術(shù)是一種提升路面性能的有效技術(shù)，高模量混合料起源于20世紀(jì)60年代法國的高模量混合料，其動(dòng)態(tài)模量性能優(yōu)異，高溫抗變形能力和抗疲勞開裂能力突出?；诖?，國內(nèi)研究者先后對(duì)高模量技術(shù)展開研究，張業(yè)茂[5]、楊濤[6]先后開展抗車轍瀝青高模量混合料設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)，徐占磊[7]開展抗車轍高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)響應(yīng)分析。然而由于國內(nèi)缺乏針入度約20(0.1 mm)的高品質(zhì)瀝青，且中法瀝青混合料設(shè)計(jì)方法存在差異，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)模量、抗車轍等性能提升不顯著，高模量抗車轍瀝青混合料技術(shù)的實(shí)現(xiàn)亟待研究。

本文采用硬質(zhì)瀝青，開展硬質(zhì)瀝青高模量混合料設(shè)計(jì)與路用性能綜合評(píng)價(jià)，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行應(yīng)用論證，綜合提升瀝青路面的路用性能。

1 原材料

1.1 瀝青

采用中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院研制的硬質(zhì)瀝青，結(jié)合歐洲《瀝青和瀝青黏合劑——硬質(zhì)路面等級(jí)瀝青規(guī)范》(EN13924)[8]和法國《瀝青混合物——材料規(guī)范 第1部分：瀝青混凝土》(NF EN 13108—1)[9]相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求，對(duì)材料性能進(jìn)行檢測(cè)，硬質(zhì)瀝青性能如表1所示。

表1 硬質(zhì)瀝青性能

1.2 集料

采用集料均為玄武巖石料，集料規(guī)格為9.5～16 mm(1#)、4.75～9.5 mm(2#)、2.36～4.75 mm(3#)和0～2.36 mm(4#)，集料技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 集料技術(shù)指標(biāo) (%)

1.3 礦粉

礦粉主要由石灰?guī)r堿性石料磨細(xì)而得，礦粉技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)選級(jí)配

參考法國《高模量瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)》(NFP98—140)[10]設(shè)計(jì)要求，明確高模量瀝青混合料的典型級(jí)配要求，級(jí)配要求如表4所示。結(jié)合每種規(guī)格集料篩分結(jié)果，通過試算確定級(jí)配曲線。優(yōu)選級(jí)配曲線如圖1所示。

表4 級(jí)配要求

圖1 優(yōu)選級(jí)配曲線

2.2 最佳瀝青用量

參考法國高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)要求，對(duì)瀝青用量的確定采用豐度系數(shù)K>3.4進(jìn)行控制，其計(jì)算公式見式(1)。

(1)

100∑=0.25G+2.3S+12s+135f
α=2.65/ρG

式中，TLext為油石比，%；G為粒徑>6.3 mm的集料占比，%；S為粒徑為0.25～6.3 mm的集料占比，%；s為粒徑為0.063～0.25 mm的集料占比，%；f為粒徑<0.063 mm的集料占比，%；ρG為集料的有效密度，g/cm3。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)油石比為5.9%時(shí)，K滿足要求，故而確定瀝青混合料最佳油石比為5.9%。

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，分析所設(shè)計(jì)硬質(zhì)瀝青高模量混合料的技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

綜合上述分析和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，確定硬質(zhì)瀝青高模量混合料最佳配合比，即油石比、1#(粒徑為9.5～16 mm的集料)、2#(粒徑為4.75～9.5 mm的集料)、3#(粒徑為2.36～4.75 mm的集料)、4#(粒徑為0～2.36 mm的集料)和礦粉的比例，配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果 (%)

3 路用性能評(píng)價(jià)

基于配合比設(shè)計(jì)研究，對(duì)所得硬質(zhì)瀝青高模量混合料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與粒徑較為接近、抗車轍性能較好的常規(guī)SBS改性瀝青SMA-13進(jìn)行性能對(duì)比。

3.1 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

采用單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，對(duì)比分析硬質(zhì)瀝青高模量混合料和SMA-13的動(dòng)態(tài)模量。動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。硬質(zhì)瀝青高模量混合料在15 ℃、10 Hz試驗(yàn)條件下，其動(dòng)態(tài)模量為18 619 MPa，遠(yuǎn)高于法國規(guī)范中14 000 MPa要求，其動(dòng)態(tài)模量比SMA-13高94.6%。

表7 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果 (MPa)

3.2 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用60 ℃車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青高模量混合料和SMA-13的高溫性能。車轍試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。硬質(zhì)瀝青高模量混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為6 349次/mm，較SMA-13高21.7%。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果 (次/mm)

3.3 低溫抗裂性試驗(yàn)

采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青高模量混合料和SMA-13的低溫性能，溫度為-10 ℃，速率為50 mm/min。小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。硬質(zhì)瀝青高模量混合料的破壞應(yīng)變?yōu)? 468.7 με，與SMA-13基本相當(dāng)。

表9 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用常規(guī)浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)，評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青高模量混合料和SMA-13的水穩(wěn)定性能。水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。與SMA-13相比，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度(S0)、凍融劈裂比(TSR)分別提升了2.3%和9.9%。

表10 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.5 疲勞性能試驗(yàn)

采用四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青高模量混合料與SMA-13的疲勞性能，試驗(yàn)?zāi)Ｊ綖閼?yīng)變控制模式，應(yīng)變水平設(shè)置為230 με。疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。硬質(zhì)瀝青高模量混合料疲勞壽命超過90萬次，遠(yuǎn)高于SMA-13，表明硬質(zhì)瀝青高模量混合料的抗疲勞性能優(yōu)異。

表11 疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果 (次)

4 工程應(yīng)用與效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證硬質(zhì)瀝青高模量混合料的技術(shù)可行性，在借鑒類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)選定配合比的瀝青混合料進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用。

4.1 試驗(yàn)段概述

將所得硬質(zhì)瀝青高模量混合料在江廣高速公路改擴(kuò)建工程JG-LM-3標(biāo)和宣堡服務(wù)區(qū)廣場路面進(jìn)行鋪筑，應(yīng)用層位均為中下面層，江廣高速公路鋪設(shè)時(shí)間為2017年10月，試驗(yàn)段為主線拼寬新建三、四車道，樁號(hào)為K1015+100～K1018+020(右幅)，路面結(jié)構(gòu)形式由上至下依次為4 cm SMA-13+8 cm硬質(zhì)瀝青高模量混合料+8 cm硬質(zhì)瀝青高模量混合料，施工面積為30 660.0 m2。宣堡服務(wù)區(qū)廣場路面施工時(shí)間為2018年4月，路面結(jié)構(gòu)形式由上至下依次為4 cm SMA- 13+8 cm硬質(zhì)瀝青高模量混合料+8 cm硬質(zhì)瀝青高模量混合料，試驗(yàn)段總工程量為57 918.1 m2。

4.2 施工工藝研究

采用瑪連尼MAC400-5000型瀝青混凝土拌和站進(jìn)行拌制，施工溫度如表12所示，保證運(yùn)送到施工現(xiàn)場的瀝青混合料溫度不低于160 ℃。根據(jù)試拌確定拌和時(shí)間為50 s，其中干拌時(shí)間不少于10 s，濕拌時(shí)間為30 s。

表12 施工溫度 (℃)

(續(xù)表)

攤鋪速度控制2.5 m/min，碾壓組合方式如表13 所示。

表13 碾壓組合方式

4.3 效果分析

由室內(nèi)檢測(cè)和現(xiàn)場檢測(cè)結(jié)果可知，混合料級(jí)配和油石比滿足設(shè)計(jì)要求，路面滲水、平整度和壓實(shí)度均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[11]要求。

鋪筑9個(gè)月后進(jìn)行回訪觀測(cè)，試驗(yàn)段路面整體路況良好，無裂縫和坑槽病害，車轍深度全部小于2 mm，沒有車轍病害；鋪筑1年后進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，在經(jīng)歷了夏季高溫季節(jié)后，試驗(yàn)段車轍深度基本為1～3 mm，且平整無破損，路面狀況較好。

5 結(jié)論

本文采用硬質(zhì)瀝青制備硬質(zhì)瀝青高模量混合料，并對(duì)其進(jìn)行路用性能檢驗(yàn)與工程應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

(1) 硬質(zhì)瀝青高模量混合料最佳油石比為5.9%，1#(粒徑為9.5～16 mm的集料)、2#(粒徑為4.75～9.5 mm的集料)、3#(粒徑為2.36～4.75 mm的集料)、4#(粒徑為0～2.36 mm的集料)和礦粉比例為35.5∶17.5∶12∶30∶5。

(2) 硬質(zhì)瀝青高模量混合料在15 ℃、10 Hz條件下的動(dòng)態(tài)模量為18 619 MPa，60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度為6 349 次/mm，低溫破壞應(yīng)變?yōu)? 468.7 με，殘留穩(wěn)定度為88.7%，凍融劈裂比為91.4%，應(yīng)力水平230 με條件下的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命超過90萬次，與SMA-13相比，性能得到顯著提升。

(3) 硬質(zhì)瀝青高模量混合料能夠顯著提升路面綜合性能，試驗(yàn)段跟蹤觀測(cè)顯示路面整體狀況良好，無裂縫和坑槽病害，車轍為1～3 mm，證明該路面材料耐久性良好，為解決路面車轍等問題提供了解決方案。