瀝青瑪蹄脂碎石混合料壓實(shí)特性及相關(guān)高溫性能試驗(yàn)研究

王紅祥 陳 波 楊 杰 馬 翔* 胡緒泉

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司1) 南京 210049) (南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院2) 南京 210037)

0 引 言

SMA瀝青混合料作為一種優(yōu)質(zhì)的路面材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速公路瀝青路面的上面層，SMA瀝青混合料所采用的間斷、嵌擠的級(jí)配，以及優(yōu)質(zhì)的改性瀝青為其優(yōu)良的路用性能提供了基礎(chǔ)，但也影響了其壓實(shí)特性，提高了碾壓成型過(guò)程中的壓實(shí)難度.

針對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)特性，余森開(kāi)等[1]研究了級(jí)配、瀝青混合料回收料、壓實(shí)溫度對(duì)再生瀝青混合料壓實(shí)特性的影響.延西利等[2]通過(guò)變化擊實(shí)次數(shù)和擊實(shí)溫度對(duì)三種溫拌瀝青，兩種熱拌瀝青制備的瀝青混合料的壓實(shí)特性進(jìn)行了研究.南秋彩[3]研究了溫拌劑摻量、集料棱角性和級(jí)配特征對(duì)瀝青混合料4種壓實(shí)特性參數(shù)的影響.雷勇等[4]采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀研究了拌和次序?qū)嵩偕鸀r青混合料壓實(shí)特性的影響.陳杰等[5]根據(jù)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線(xiàn)對(duì)比分析了油石比、壓實(shí)方式，以及水泥替換礦粉對(duì)花崗巖瀝青混合料壓實(shí)性能的影響.張琛等[6]通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀和自行研制的和易性測(cè)試設(shè)備研究了不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料和易性與壓實(shí)特性之間的相關(guān)性.紀(jì)小平[7]基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(SGC)密實(shí)曲線(xiàn)的壓實(shí)特性參數(shù)對(duì)比分析了熱拌再生瀝青混合料和溫拌再生瀝青混合料之間的壓實(shí)特性.Dessouky等[8]通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀評(píng)價(jià)了瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)壓實(shí)特性的影響.這些研究結(jié)論表明：瀝青混合料壓實(shí)的難易程度受原材料性質(zhì)、材料組成、壓實(shí)功和壓實(shí)溫度的影響，在瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修工況下，因?yàn)樯鐣?huì)車(chē)輛的通行給瀝青混合料的運(yùn)輸時(shí)間、攤鋪溫度等都帶來(lái)了不利的影響，如運(yùn)輸時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)增加瀝青的老化程度、攤鋪溫度的降低會(huì)增加瀝青黏度，這些因素會(huì)進(jìn)一步影響瀝青混合料的壓實(shí)特性.因此，結(jié)合養(yǎng)護(hù)維修工況分析瀝青混合料的壓實(shí)特性很有必要.

江蘇省某高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修工程中新鋪的上面層材料采用SMA-13瀝青混合料，而高溫車(chē)轍病害是江蘇省高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修的主因，養(yǎng)護(hù)工程中新鋪的SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性顯得尤為重要.文中結(jié)合該瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程SMA-13瀝青混合料實(shí)際應(yīng)用工況研究其壓實(shí)特性，評(píng)價(jià)不同壓實(shí)狀況下瀝青混合料的高溫性能，為提升這類(lèi)瀝青混合料在養(yǎng)護(hù)維修工程中的實(shí)際應(yīng)用效果提出合理化建議.

1 研究方案

1.1 試驗(yàn)方案

1) 成型溫度 模擬瀝青混合料拌和樓的出料溫度，將SBS改性瀝青SMA-13瀝青混合料室內(nèi)拌和后的溫度控制在170～180 ℃，然后將拌和好的瀝青混合料分別置于100，115，130，145，160和175 ℃的烘箱中2 h后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，模擬施工過(guò)程中不同碾壓溫度的影響.

2) 存儲(chǔ)時(shí)間 將拌制好的SMA-13瀝青混合料，置于175 ℃的烘箱中分別保溫2，4，6，8和10 h，模擬施工過(guò)程中在運(yùn)輸車(chē)中不同存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)瀝青混合料性能的影響.

1.2 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

瀝青混合料在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過(guò)程中，其密實(shí)度與旋轉(zhuǎn)次數(shù)之間的關(guān)系可以反映瀝青混合料的壓實(shí)特性，在已有相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，選擇SMA-13瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型所獲取的密實(shí)曲線(xiàn)的密實(shí)度斜率K和能量指數(shù)CEI兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)SMA-13瀝青混合料的壓實(shí)特性.

密實(shí)度斜率K、能量指數(shù)CEI的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[8].其中，計(jì)算密實(shí)度斜率K時(shí)，旋轉(zhuǎn)次數(shù)Nini=8次，Ndes=100次；壓實(shí)能量指數(shù)CEI用初始?jí)簩?shí)次數(shù)Nini=8至密實(shí)度為94%的壓實(shí)曲線(xiàn)下面積進(jìn)行表征.

采用JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄F中瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)SMA-13瀝青混合料的高溫性能.試驗(yàn)過(guò)程中將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的直徑為150 mm的圓柱形試件置于60 ℃的環(huán)境箱中保溫5 h后，采用多功能材料試驗(yàn)機(jī)以1 mm/min的速度通過(guò)直徑42 mm×高50 mm的壓頭對(duì)試件進(jìn)行加載，獲取試件破壞時(shí)的極限荷載，基于極限荷載算得試件的貫入強(qiáng)度值.其計(jì)算式為

Rτ=fτσp

σp=P/A

式中：Rτ為貫入強(qiáng)度，MPa；σp為貫入應(yīng)力，MPa；P為試件破壞時(shí)的極限荷載，N；A為壓頭橫截面面積,mm2；fτ為貫入應(yīng)力系數(shù)，參照規(guī)范，本研究取0.35.

2 原材料及混合料組成設(shè)計(jì)

2.1 原材料檢測(cè)

集料為玄武巖，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1.

表1 玄武巖集料技術(shù)性能

瀝青為PG76-22的SBS改性瀝青，為了充分考慮養(yǎng)護(hù)工程中瀝青混合料在運(yùn)輸車(chē)中儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)其性能的影響，對(duì)不同老化時(shí)間后的瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，為了評(píng)價(jià)瀝青混合料性能與瀝青性能之間的相關(guān)，原材料檢測(cè)階段也對(duì)165 ℃旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中老化不同時(shí)間的瀝青進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 SBS改性瀝青技術(shù)性能

2.2 級(jí)配及最佳油石比

按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)方法對(duì)三種級(jí)配進(jìn)行初試后，確定表3的級(jí)配作為SMA-13的目標(biāo)級(jí)配.

表3 SMA-13設(shè)計(jì)級(jí)配

確定級(jí)配后采用馬歇爾方法確定其最佳油石比，試件成型過(guò)程中添加集料質(zhì)量0.3%的木質(zhì)素纖維，其最佳油石比為6.1%，后續(xù)研究SMA-13瀝青混合料試件的成型均采用該油石比.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1 壓實(shí)特性

對(duì)不同工況下SMA-13瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到其密實(shí)度斜率K和能量指數(shù)CEI的值.試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖1.

圖1 成型溫度和存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)壓實(shí)特性的影響

由圖1a)可知：

1) 隨著成型溫度的提高SMA-13瀝青混合料的密實(shí)度斜率增加、能量指數(shù)較小，提高成型溫度使得SMA-13瀝青混合料更容易壓實(shí).

2) 使用Sasobit添加劑后CEI變小，可見(jiàn)瀝青混合料達(dá)到94%密實(shí)度所需要的壓實(shí)功變小，更容易達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)度，隨著成型溫度的提高，這種差別減小，添加劑的作用變小.

3) 使用添加劑可以緩解SMA-13瀝青混合料壓實(shí)特性的溫度敏感性，利于較低溫度條件下的壓實(shí).

由圖1b)可知：

1) 隨著存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青混合料達(dá)到94%壓實(shí)度的壓實(shí)功增加，4～6 h的增量尤為顯著，為了避免因存儲(chǔ)老化對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生較大的不利影響，應(yīng)在出料后4 h左右完成攤鋪.

2) 存儲(chǔ)老化時(shí)間由2 h增加至4 h時(shí)，其壓實(shí)度斜率顯著減小，說(shuō)明此期間瀝青老化使得其粘度變化更加顯著，從而對(duì)其壓實(shí)特性的影響顯著.

3) 使用Sasobit添加劑后，存儲(chǔ)老化時(shí)間對(duì)壓實(shí)功的影響明顯減小，說(shuō)明可以使用這種添加劑改善老化對(duì)瀝青混合料壓實(shí)度的不利影響.

3.2 壓實(shí)度與高溫性能的相關(guān)性

將不同成型溫度和存儲(chǔ)老化時(shí)間條件下的瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次得到試驗(yàn)試件，對(duì)試件進(jìn)行壓實(shí)度和貫入強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖2.

圖2 不同成型溫度和存儲(chǔ)時(shí)間壓實(shí)度與貫入強(qiáng)度

由圖2a)可知：綜合考慮提升溫度對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性、高溫性能有利影響和瀝青老化的不利影響，本文所采用的SMA-13瀝青混合料最佳成型溫度為160 ℃，摻加Sasobit添加劑后其最佳成型溫度可以降至130 ℃.

由圖2b)可知：

1) 未使用Sasobit添加劑時(shí)，隨著存儲(chǔ)老化時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青混合料的壓實(shí)度和貫入強(qiáng)度均降低逐步降低.

2) 使用Sasobit添加劑早期存儲(chǔ)老化時(shí)間對(duì)壓實(shí)度有顯著的不利影響，但4 h后存儲(chǔ)老化進(jìn)一步的影響很小，Sasobit添加劑可以緩解老化對(duì)其壓實(shí)度的不利影響；老化后Sasobit添加劑試件的貫入強(qiáng)度并未顯著降低，甚至后期有所增加.

研究過(guò)程中通過(guò)不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)考慮成型瀝青混合料成型過(guò)程中的壓實(shí)功，進(jìn)一步研究不同壓實(shí)功條件下，瀝青混合料的壓實(shí)度及其高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 壓實(shí)度與貫入強(qiáng)度的相關(guān)性

由圖3可知：從高溫性能的角度出發(fā)，SMA-13瀝青混合料存在最合理有效的壓實(shí)度值，本研究的瀝青混合料對(duì)應(yīng)在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)105次時(shí)的96.5%.

4 結(jié) 論

1) 隨著成型溫度的增加，改性瀝青SMA-13瀝青混合料壓實(shí)度增加，其高溫貫入強(qiáng)度也增加，最佳成型溫度為160 ℃，摻加Sasobit添加劑后其最佳成型溫度可以降至130 ℃.

2) 施工過(guò)程中的儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)SMA-13瀝青混合料壓實(shí)特性有不利的影響，儲(chǔ)存不宜超過(guò)4 h，可以采用摻加Sasobit添加劑的措施緩解存儲(chǔ)老化對(duì)其壓實(shí)度的不利影響.

3) 綜合考慮提高壓實(shí)度對(duì)高溫性能有利作用和施工時(shí)的壓實(shí)效率，SMA-13瀝青混合料存在最合理有效的壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，本研究的合理值標(biāo)準(zhǔn)為96.5%，當(dāng)原材料和級(jí)配調(diào)整時(shí)合理標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)有差異.