高膠改性ECA-10瀝青混合料的試驗研究及應(yīng)用

毛新征， 周德寶， 陳國強， 曹元浩

(1.南京南部路橋建設(shè)(集團)有限公司，江蘇 南京 211300；2.江蘇道智公路科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

目前我國對道路的養(yǎng)護實施理念多以矯正性養(yǎng)護、按需養(yǎng)護為主，但常規(guī)大中修處理方案存在資金投入大、施工周期長、交通管制久等問題。一條道路在其前75%的使用壽命內(nèi)性能僅下降40%的階段，其稱為預(yù)防性養(yǎng)護階段。研究發(fā)現(xiàn)，若整個路面壽命周期內(nèi)進行3～4次的預(yù)防性養(yǎng)護可延長公路使用壽命10～15 a，節(jié)約養(yǎng)護費用45%～50%[1-5]。

國內(nèi)外常用的預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)有霧封層、微表處、同步碎石封層和超薄罩面等技術(shù)，但上述封層和表處類技術(shù)壽命短、對病害處治能力弱，采用超薄磨耗層在這兩方面得到改善[6-8]。目前常用超薄磨耗層各有不足：SBS改性AC-10超薄罩面價格低、工藝簡單，但耐久性和抗滑能力不足；Novachip雖然路用性能優(yōu)異，但卻需專業(yè)施工設(shè)備，造價高昂且對施工技術(shù)要求高[9-11]。

針對上述不足，課題組基于PG等級到達82～22的高膠瀝青，并采用抗車轍性能優(yōu)異的骨架密實型ECA-10級配[12-13]，形成獨有的高膠超薄磨耗層技術(shù)，旨在提供一種高性能、低施工難度的徹底解決疲勞、溫度裂縫和輕微車轍病害的技術(shù)方案。本文將通過高膠改性ECA-10瀝青混合料的配合比設(shè)計、室內(nèi)性能試驗、工程應(yīng)用及現(xiàn)場檢測，探究本技術(shù)在預(yù)防性養(yǎng)護階段的工程適用性。

1 原材料性能及配合比設(shè)計

1.1 原材料性能

(1)瀝青：研究中所設(shè)計的SMA-10、AC-10級配的膠結(jié)料，均選用中國江蘇保利瀝青股份有限公司生產(chǎn)的SBS瀝青。

(2)高膠改性劑：性能檢測結(jié)果如表1所示。

表1 高膠改性劑檢測結(jié)果

(3)集料：粗集料選用玄武巖石料，細集料選用石灰?guī)r石料，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)技術(shù)要求。

(4)填料：為石灰?guī)r加工磨細得到的礦粉，符合規(guī)范(JTG F40-2004)的技術(shù)要求。

1.2 高膠改性瀝青性能

室內(nèi)高膠改性瀝青制備采用濕法工藝，即將SBS改性瀝青質(zhì)量10%的高膠改性劑加入到已加熱至流動狀態(tài)SBS改性瀝青中，并用高速剪切機保持轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，剪切時間為90 min，便可使用。高膠改性瀝青和SBS改性瀝青的性能指標(biāo)如表2所示。

根據(jù)表2可知，與高溫穩(wěn)定性相關(guān)的軟化點、135 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度和PG高溫等級等指標(biāo)的檢測結(jié)果，均表明高膠改性瀝青優(yōu)于SBS改性瀝青，尤其是60 ℃動力黏度，高膠改性瀝青大大超過SBS改性瀝青，反映高膠改性瀝青優(yōu)秀的高溫抵抗永久變形能力。因此，高膠改性瀝青在高溫抗車轍性能方面優(yōu)勢顯著，為適用超薄磨耗層的膠結(jié)材料。

表2 瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)

1.3 配合比設(shè)計

ECA-10是通過在常規(guī)的4.75-9.50 mm篩之間增加6.70 mm的篩孔規(guī)格，且對5-10 mm粒徑石料要求6.70 mm篩孔通過率小于20%，以確保形成骨架密實結(jié)構(gòu)的間斷級配形式，提高混合料的抗車轍性能。

ECA-10高膠改性的膠結(jié)料采用SBS改性瀝青+10%高膠改性劑，AC-10、SMA-10膠結(jié)料均采用SBS改性瀝青，并設(shè)置SBS改性EAC-10作為對比組，參考《超薄易密實瀝青混凝土(ECA)技術(shù)應(yīng)用規(guī)范》(DB33/T 2118-2018)，進行配合比設(shè)計如表3所示。

表3 瀝青混合料級配設(shè)計(質(zhì)量百分比) %

對比ECA-10與SMA-10級配設(shè)計，可知ECA-10級配通過增添6.70 mm篩孔，較大程度控制了6.70 mm以上粗集料的含量，且4.75 mm以上石料含量也高于SMA-10級配，形成了6.70 mm篩孔以上粗集料占比約60%的高摻量骨架密實結(jié)構(gòu)，與SMA-10同屬于間斷級配形式，但其間斷級配的趨勢更加顯著，是ECA-10級配媲美甚至超過SMA-10級配高溫穩(wěn)定性的保證。

2 室內(nèi)試驗及結(jié)果分析

不同瀝青混合料的性能試驗結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青混合料室內(nèi)試驗結(jié)果

(1)高溫穩(wěn)定性。由不同瀝青混合料動穩(wěn)定度大小依次為：高膠改性ECA-10>SBS改性ECA-10>SBS改性SMA-10>SBS改性AC-10，說明ECA結(jié)構(gòu)中更高的粗集料尤其是6.70 mm篩以上的粗集料摻量使其嵌鎖效果好于SMA-10結(jié)構(gòu)，證明了ECA-10級配抗車轍性能更優(yōu)異。

對于ECA-10級配而言，高膠改性的動穩(wěn)定度高出SBS改性的3 252次/mm，進一步說明高膠瀝青高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

(2)水穩(wěn)定性。由浸水馬歇爾試驗可知，4種改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均高于規(guī)范要求的85.0%，均展現(xiàn)了較好的水穩(wěn)定性能，后期將會大大降低由于水的作用而導(dǎo)致瀝青的黏附性降低、瀝青路面產(chǎn)生坑槽等病害的發(fā)生概率，有助于延長道路的使用壽命。

(3)低溫抗裂性。通過中低溫小梁彎曲試驗的破壞應(yīng)變指標(biāo)，可知不同改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變大小依次為：SBS改性SMA-10>SBS改性ECA-10>SBS改性AC-10>高膠改性ECA-10，均滿足規(guī)范要求的2 800 με，說明都具備較好的低溫抗裂性能。雖然高膠改性ECA-10的破壞應(yīng)變略小于SBS改性SMA-10，分析原因可能是ECA瀝青用量低于SMA，但影響很小，說明了高膠改性瀝青在低溫性能上不弱于SBS改性瀝青。

3 實體工程驗證

3.1 試驗段概況

依托南京南部路橋建設(shè)集團承建的高淳區(qū)縣道大中修工程施工項目晶定線K15+000—K15+500，開展高膠超薄磨耗層試驗，全長共計0.5 km，雙向兩車道，路面寬9.0 m，設(shè)計厚度為2.5 cm，施工面積為4 500 m2?，F(xiàn)場工況如圖1～圖3所示。

圖1 高膠改性劑直投工藝 圖2 混合料碾壓 圖3 碾壓成型 圖4 ECA-10(左)、AC-13(右)取芯切割對比

3.2 施工工藝

試驗段采用ECA-10型高膠改性瀝青混合料，高膠改性劑摻加工藝為干法直投式，摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的10%，油石比為5.4%。高膠改性劑加入拌和倉以后，首先要和礦料干拌，通過礦料揉擠實現(xiàn)分離高膠改性劑顆粒和均勻分布，干拌時間在10～15 s為宜，濕拌時間35～40 s，以拌合均勻不出花白料為準(zhǔn)。具體生產(chǎn)溫度控制要求為：石料加熱溫度180～190 ℃，SBS改性瀝青溫度160～170 ℃，出料溫度175～185 ℃。

對于碾壓工藝而言，與普通路面施工相比，高膠瀝青混合料碾壓溫度應(yīng)做適當(dāng)提高，與普通橡膠瀝青混合料基本一致，具體要求見表5。

表5 高膠瀝青混合料現(xiàn)場攤鋪及碾壓溫度實測(平均值) ℃

3.3 現(xiàn)場檢測

不同瀝青混合料的現(xiàn)場取芯試樣見圖4所示。

每種混合料取樣三處現(xiàn)場檢測，數(shù)據(jù)取平均值，如表6所示。

表6 試驗路現(xiàn)場檢測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，ECA-10高膠改性瀝青混凝土的檢測指標(biāo)均優(yōu)于AC-13且遠高于規(guī)范要求，說明了ECA-10高膠改性瀝青混凝土具備優(yōu)異密水性能，且構(gòu)造深度與擺式摩擦系數(shù)都表明ECA-10路面抗滑性能優(yōu)于AC-13。

3.4 經(jīng)濟性分析

以本次實施500 m試驗段為例，原設(shè)計全部銑刨瀝青層后重新加鋪AC-20和AC-13混合料；現(xiàn)計劃對裂縫等病害進行貼縫處理，局部嚴(yán)重病害路段進行銑刨并修補處理后，加鋪ECA-10高膠超薄磨耗層，計劃變更前后工程造價對比如表7、表8所示。現(xiàn)計劃瀝青層的銑刨體積僅為49.3 m3，瀝青混合料的銑刨工程量減少了83.7%，減少熱拌瀝青混合料約660 t，則原計劃總金額970 750.9元，現(xiàn)計劃節(jié)約總金額621 261.64元，采用ECA-10高膠超薄磨耗層后總造價比原計劃減少約63.9%。

表7 工程造價對比1

表8 工程造價對比2

4 結(jié)論

(1)高膠改性瀝青的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于SBS改性瀝青，為適用超薄磨耗層的膠結(jié)材料。

(2)通過車轍試驗表明，采用SBS改性瀝青時，ECA-10的6.7 mm篩以上高摻量粗集料帶來的骨架嵌擠作用，在抗車轍性能方面，要優(yōu)于SMA-10的瀝青馬蹄脂與粗集料嵌擠的共同作用。高膠改性ECA-10瀝青混合料比SBS改性SMA-10瀝青混合料的抗車轍性能更強的主要原因是摻加了高膠改性劑。

(3)ECA-10高膠超薄磨耗層的現(xiàn)場檢測指標(biāo)高于SBS改性AC-13瀝青混凝土，表明其具備優(yōu)異的抗滑、密水性能。

(4)經(jīng)濟性分析表明ECA-10高膠超薄磨耗層技術(shù)能大幅度降低工程成本，具備廣闊的應(yīng)用空間。