基于室內(nèi)試驗(yàn)分析的交叉口抗車(chē)轍瀝青混合料路用性能研究

張洪波，蔣龍松，鄒雪峰

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211110)

1 原材料試驗(yàn)

外摻劑的性能直接影響混合料的使用效果，而性能又由其化學(xué)組成來(lái)決定[1]。對(duì)于聚合物改性添加劑可通過(guò)差示掃描量熱法試驗(yàn)(DSC)來(lái)對(duì)其熔融溫度及熱熔進(jìn)行測(cè)定。熔融是指聚合物從固態(tài)向具有不同粘度的液態(tài)的轉(zhuǎn)變，在DSC曲線上表現(xiàn)為吸熱峰。通過(guò)DSC曲線，比較相應(yīng)的吸熱熔融起止溫度及峰值，可判斷聚合物外摻劑在混合料生產(chǎn)時(shí)，正常時(shí)間內(nèi)通過(guò)熔融改性，形成穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的難易程度[2-4]。鑒于此，研究采用差示掃描量熱法試驗(yàn)對(duì)常用的兩種外摻劑進(jìn)行分析。試驗(yàn)對(duì)象為兩種外摻劑ZQ-1和PR.M。

試驗(yàn)條件：取6 mg左右樣品(精確至0.01 mg)置于儀器內(nèi)，從50 ℃以20 ℃/min的升溫速率加熱至300 ℃，實(shí)時(shí)記錄DSC曲線。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種外摻劑DSC曲線

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看：在當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃左右時(shí)，兩種外摻劑出現(xiàn)了第一個(gè)吸熱熔融峰(Peak T)，即外摻劑中部分聚合物發(fā)生物相轉(zhuǎn)變。由于一般混合料生產(chǎn)溫度均在160 ℃以上，因此，在這一階段的瀝青改性容易完成，ZQ-1外摻劑絕大部分的改性過(guò)程均在這一階段完成。表明該外摻劑所用高熔點(diǎn)聚合物含量較少，在較低溫度時(shí)即可完成改性，形成較為穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而PR.M外摻劑，則存在明顯的第二個(gè)熔融峰，且熔融峰溫度為161 ℃，表明PR.M外摻劑當(dāng)中含有較多的高熔點(diǎn)聚合物。雖然室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果兩種外摻劑混合料均具有較好的試驗(yàn)指標(biāo)，但室內(nèi)混合料拌和溫度和時(shí)間均能保證外摻劑能完成改性過(guò)程。而其形成穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)果需要長(zhǎng)時(shí)間的高溫度環(huán)境，正?；旌狭鲜┕r(shí)高溫拌和只有幾秒鐘的時(shí)間生產(chǎn)環(huán)境，因此在施工過(guò)程中應(yīng)保持足夠的溫度保證外摻劑充分反應(yīng)。

2 路用性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)50#瀝青摻ZQ-1外摻劑、50#瀝青摻PR.M外摻劑、30#瀝青摻PR.M外摻劑和30#瀝青四種瀝青混合料，分別從高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。

2.1 高溫性能

四種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。其中根據(jù)混合料的實(shí)際工程用及試驗(yàn)結(jié)果，動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)要求≧10 000次/mm[5]。

圖2 混合料動(dòng)穩(wěn)定度

由試驗(yàn)結(jié)果可知，50#瀝青摻ZQ-1和30#瀝青摻PR.M兩種抗車(chē)轍瀝青混合料滿足動(dòng)穩(wěn)定度要求，抗車(chē)轍性能良好滿足路用要求，這與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果一致。而其他兩種混合料高溫性能不足而導(dǎo)致車(chē)轍較大。

鑒于動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)對(duì)不同膠結(jié)料類(lèi)型的耐久性抗車(chē)轍瀝青混合料具有較敏感的甄別特性[6-8]，對(duì)抗車(chē)轍瀝青混合料采用中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)的試驗(yàn)誤差進(jìn)行了可靠性論證分析。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)誤差分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)千分位導(dǎo)致試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定最大偏差為6%。說(shuō)明只要車(chē)轍試驗(yàn)儀器位移傳感器數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到0.001 mm，則采用中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)抗車(chē)轍瀝青混合料的高溫性能具有可靠的甄別度。當(dāng)位移傳感器數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到0.001 mm時(shí)，將動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)提高到10 000次/mm是可行的。

分別對(duì)四種瀝青混合料進(jìn)行法國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)，各試件作用30 000次車(chē)轍率如圖3所示。

圖3 法國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)

法國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的混合料最大車(chē)轍率為5.19%，而車(chē)轍率不大于7.5%的技術(shù)要求對(duì)混合料高溫性能起不到控制作用。因此，研究將抗車(chē)轍抗車(chē)轍混合料的法國(guó)車(chē)轍率指標(biāo)要求范圍調(diào)整至不大于5%。

從混合料試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看四種類(lèi)型耐久性瀝青混合料的法國(guó)車(chē)轍和中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果都滿足現(xiàn)行技術(shù)指標(biāo)要求。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的調(diào)查情況，混合料抗車(chē)轍性能優(yōu)劣順序與中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果反映的規(guī)律基本一致，與法國(guó)車(chē)轍優(yōu)劣順序差異較大。由此可見(jiàn)中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)這種高油石比、低孔隙率的混合料的高溫穩(wěn)定性能有較高的區(qū)分度，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)際應(yīng)用情況，推薦采用中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度作為抗車(chē)轍混合料高溫性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，法國(guó)車(chē)轍率作為輔助驗(yàn)證指標(biāo)。

2.2 低溫性能

低溫性能采用小梁彎曲試驗(yàn)，四種混合料低溫彎曲應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，四種混合料彎曲破壞應(yīng)變值均大于2 000 με，滿足技術(shù)要求。結(jié)合實(shí)際工程運(yùn)用情況，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)未見(jiàn)明顯的低溫開(kāi)裂情況，低溫性能良好，可見(jiàn)彎曲破壞應(yīng)變值﹥2 000 με滿足耐久性抗車(chē)轍混合料設(shè)計(jì)要求。

圖4 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

3 模量設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果，瀝青層模量越大混合料抵抗荷載破壞的能力越強(qiáng)[9-10]。四種瀝青混合料模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)混合料的ITSM模量試驗(yàn) 單位：MPa

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：50#瀝青摻ZQ-1型和50#瀝青摻PR.M 型瀝青混合料的模量分別為10 767 MPa和12 127 MPa，根據(jù)模量結(jié)果50#瀝青摻PR.M抵抗荷載破壞的能力應(yīng)該大于50#瀝青摻ZQ-1型瀝青混合料。但是實(shí)際工程應(yīng)用表明50#瀝青摻ZQ-1型混合料路用性能良好，50#瀝青摻PR.M型瀝青混合料抗車(chē)轍性能不能滿足路用要求。因此，僅提高混合料的模量并不能完全保證路面抵抗行車(chē)荷載破壞的能力。對(duì)混合料模量不做特殊要求，滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求即可。

4 綜合指標(biāo)分析

根據(jù)四種設(shè)計(jì)瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)要求，綜合分析耐久性抗車(chē)轍瀝青混合料設(shè)計(jì)體系及技術(shù)要求如表3所示。

表3 抗車(chē)轍瀝青混合料設(shè)計(jì)體系

根據(jù)綜合指標(biāo)設(shè)計(jì)體系，四種瀝青混合料中，僅50#瀝青摻ZQ-1和30#瀝青摻PR.M兩種抗車(chē)轍瀝青混合料滿足動(dòng)穩(wěn)定度要求，抗車(chē)轍性能良好滿足路用要求。50#瀝青摻PR.M和30#瀝青兩種瀝青混合料除高溫性能外，其余各指標(biāo)均滿足要求。

5 試驗(yàn)段分析

根據(jù)抗車(chē)轍混合料技術(shù)要求，設(shè)計(jì)四種耐久性抗車(chē)轍混合料，分別作為揚(yáng)州S243省道公路交叉口試驗(yàn)段面層材料。其中四種抗車(chē)轍混合料分別為30#瀝青、30#瀝青摻PR.M添加劑、50#瀝青摻PR.M添加劑、50#瀝青摻ZQ-1添加劑。試驗(yàn)段施工完成后分別對(duì)交叉口車(chē)轍深度進(jìn)行檢測(cè)，車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)車(chē)轍深度檢測(cè) 單位：mm

根據(jù)車(chē)轍檢測(cè)結(jié)果：通車(chē)3個(gè)月，由于未經(jīng)過(guò)高溫季節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段交叉口車(chē)轍深度均在5 mm以內(nèi)，且轉(zhuǎn)彎車(chē)道均小于自行車(chē)道車(chē)轍深度。通車(chē)1年后，50#瀝青摻ZQ-1試驗(yàn)段平均車(chē)轍最小為6.8 cm，30#瀝青摻PR.M試驗(yàn)段次之，平均車(chē)轍深度9.3 mm，采用50#瀝青摻PR.M試驗(yàn)段，平均車(chē)轍超過(guò)13 mm。后續(xù)跟蹤觀測(cè)，各路段車(chē)轍深度均有一定程度增長(zhǎng)，尤其是50#瀝青摻PR.M和30#瀝青混合料車(chē)轍深度增長(zhǎng)較快，最大車(chē)轍深度超過(guò)18 mm。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果50#瀝青摻ZQ-1試驗(yàn)段抗車(chē)轍性能優(yōu)于30#瀝青摻PR.M和50#瀝青摻PR.M試驗(yàn)段。混合料抗車(chē)轍性能優(yōu)劣順序與車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果反映的規(guī)律基本一致。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和工程應(yīng)用實(shí)際情況，本文研究推薦50#瀝青摻ZQ-1和30#瀝青摻PR.M型抗車(chē)轍瀝青混合料作為交叉口抗車(chē)轍混合料，具體類(lèi)型的選擇根據(jù)工程所在地原材料供應(yīng)狀況而定。

6 結(jié) 論

(1)50#瀝青摻ZQ-1和30#瀝青摻PR.M兩種抗車(chē)轍瀝青混合料滿足動(dòng)穩(wěn)定度要求，抗車(chē)轍性能良好滿足路用要求。

(2)采用中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)抗車(chē)轍瀝青混合料的高溫性能具有可靠的甄別度。當(dāng)位移傳感器數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到0.001 mm時(shí)，將動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)提高到10 000次/mm是可行的。

(3)50#瀝青摻ZQ-1試驗(yàn)段抗車(chē)轍性能優(yōu)于30#瀝青摻PR.M和50#瀝青摻PR.M試驗(yàn)段?；旌狭峡管?chē)轍性能優(yōu)劣順序與車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果反映的規(guī)律基本一致。推薦50#瀝青摻ZQ-1和30#瀝青摻PR.M型抗車(chē)轍瀝青混合料作為交叉口抗車(chē)轍混合料。