基于抗滑性能改善的二次就地?zé)嵩偕旌狭吓浜媳仍O(shè)計(jì)

袁青泉 YUAN Qing-quan；王偉偉 WANG Wei-wei；王其林 WANG Qi-lin；王宇 WANG Yu

（①江蘇京滬高速公路有限公司，淮安 223005；②江蘇連徐高速公路有限公司，徐州 221111；③江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)有限公司，淮安 223005；④揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

0 引言

截至2021 年年底，江蘇省高速公路通車?yán)锍虨?023公里。其中通車15 年及以上的高速公路比例達(dá)35%左右[1]。按照高速公路瀝青路面15 年的設(shè)計(jì)壽命，江蘇高速公路將有大量路段接近或超過(guò)設(shè)計(jì)年限，江蘇高速公路的發(fā)展逐步由“建養(yǎng)并重”跨入“以養(yǎng)為主”的時(shí)代。

早期采用傳統(tǒng)的就地?zé)嵩偕夹g(shù)對(duì)高速公路上面層進(jìn)行處治，隨著服役年限的增長(zhǎng)，再生路面已接近或達(dá)到使用壽命，出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍和裂縫病害。此外，在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，就地?zé)嵩偕鸀r青路面的級(jí)配進(jìn)一步細(xì)化，宏觀構(gòu)造深度逐漸減小，集料的硬度、耐磨性能以及表面粗糙程度均受到一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致一次就地?zé)嵩偕鸀r青路面抗滑性能衰減[2-5]，亟需對(duì)其重新進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。因此，采用二次就地?zé)嵩偕夹g(shù)對(duì)早期就地?zé)嵩偕鸀r青路面進(jìn)行處治和養(yǎng)護(hù)，研究二次就地?zé)嵩偕嬖诘膯?wèn)題和需解決的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是提升二次就地?zé)嵩偕鸀r青路面抗滑性能[6]，已經(jīng)成為我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)中再生技術(shù)發(fā)展的迫切需要，對(duì)促進(jìn)我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)再生具有重要的意義。

1 工程概況

江蘇省G40 揚(yáng)寧高速公路上面層采用的是SMA-13瀝青混合料，K356+210 至K356+850 路段已經(jīng)于2019 年進(jìn)行了首次就地?zé)嵩偕Ｔ谛熊嚭奢d和自然因素等反復(fù)作用下，該路段的車轍、坑槽、裂縫等路面表層病害并不突出，但其抗滑性能衰減過(guò)快，其主要路面性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1 所示。可見(jiàn)，該路段車轍病害較為輕微，但橫向力系數(shù)SFC 已經(jīng)下降至41.9，輪跡帶的擺值和構(gòu)造深度也已經(jīng)分別下降至49-52dBPN，以及0.55-0.78mm。基于“環(huán)保、節(jié)能、安全”的發(fā)展理念，決定采用瀝青路面二次就地?zé)嵩偕夹g(shù)對(duì)該路段進(jìn)行抗滑性能提升的路面養(yǎng)護(hù)維修。

表1 路面性能檢測(cè)結(jié)果

2 原材料

2.1 RAP 料級(jí)配分析

將微波加熱取樣的原再生路面SMA-13 段RAP 料進(jìn)行烘干、抽提（旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法）、篩分，得到RAP 礦料級(jí)配曲線見(jiàn)表2。

表2 原再生路面RAP 料級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)原再生路面RAP 料的級(jí)配、油石比檢測(cè)情況分析可知，原再生路面RAP 料級(jí)配較為完整，略微偏細(xì)，但仍處于SMA-13 級(jí)配的上下限范圍內(nèi)，且油石比正常，可采用SMA-13 級(jí)配對(duì)原路面進(jìn)行二次再生。

2.2 RAP 料中瀝青與集料性能分析

將抽提得到的舊瀝青和舊集料進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知，RAP 中舊瀝青發(fā)生了老化，基于參考文獻(xiàn)[7]的結(jié)果，判定該舊瀝青老化程度為Ⅱ級(jí)老化，可用于二次就地?zé)嵩偕?。此外，RAP 中粗集料的針片狀含量和磨光值分別為2.8%和59，表明舊的粗集料性狀較好，仍滿足規(guī)范要求。

表3 RAP 料中的瀝青與集料性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 再生劑

本文采用的再生劑為蘇博特公司的RA-102 型再生劑，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 蘇博特RA-102 型再生劑技術(shù)指標(biāo)

2.4 新集料及新瀝青

本文的粗、細(xì)新集料均選用玄武巖集料，填料為石灰?guī)r礦粉，瀝青選用PG76-22SBS 改性瀝青，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）相關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)，均符合相應(yīng)規(guī)范要求。

3 二次再生SMA-13 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 再生劑摻量確定

將RA-102 型再生劑按照3%和5%的摻量（舊瀝青質(zhì)量占比）摻入舊瀝青中，按照要求進(jìn)行剪切20min，充分混合均勻后測(cè)試其性能。此外，還將SBS 改性瀝青以30%的比例與再生劑一起摻入舊瀝青中測(cè)試其性能。各樣品性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5 至表6 所示。

表5 再生瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 兩種新料級(jí)配

由表5 分析可知，在舊瀝青中摻加3%的RA-102 型再生劑后，再生瀝青針入度、軟化點(diǎn)和延度均有一定的恢復(fù)，但針入度仍低于50（0.1mm）。在3%再生劑基礎(chǔ)上加入30%新瀝青后，再生瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)得到進(jìn)一步的恢復(fù)，與摻入5%再生劑再生瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)接近。

由此可見(jiàn)，新舊瀝青混溶以后，在3%再生劑摻量下，再生瀝青的性能能夠恢復(fù)至適當(dāng)水平。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，擬定RA-102 型再生劑的摻量為RAP 料中舊瀝青含量的3%。

3.2 新料摻量確定

本次二次就地?zé)嵩偕惶岣咴访鏄?biāo)高，結(jié)合歷年相關(guān)工程的施工經(jīng)驗(yàn)、舊瀝青性能、原再生路面性能等，采用JTG/T 5521-2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》附錄E 中E.3 的要求，確定新瀝青混合料的內(nèi)摻比例為30%。

3.3 級(jí)配調(diào)試

以原路面混合料所屬規(guī)范級(jí)配（SMA-13）為目標(biāo)級(jí)配，在常用的工程級(jí)配范圍內(nèi)，以提升抗滑性能為目標(biāo)，通過(guò)控制4.75mm 篩孔通過(guò)率，首先調(diào)配出兩種新料級(jí)配（級(jí)配1、級(jí)配2），然后結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際應(yīng)用情況和往年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)初步選擇油石比，分別制作馬歇爾試件，得出試件的體積指標(biāo)，根據(jù)體積指標(biāo)初選一組滿足或接近設(shè)計(jì)要求的級(jí)配作為設(shè)計(jì)級(jí)配。兩種新料級(jí)配和合成級(jí)配分別如表6 至表7 所示。

表7 兩種再生混合料目標(biāo)合成級(jí)配

結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際應(yīng)用情況和往年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步選擇新料油石比4.6%（再生合成油石比5.8%），按照合成級(jí)配雙面各擊實(shí)75 次成型馬歇爾試件，馬歇爾擊實(shí)溫度為160℃。兩組合成級(jí)配馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示。

表8 兩種試級(jí)配合成混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總表

由表8 可以看出，再生合成級(jí)配1 的VCAmix 不滿足技術(shù)要求，因此選擇再生合成級(jí)配2 作為設(shè)計(jì)級(jí)配。

3.4 最佳油石比確定

按照新料摻量30%（內(nèi)摻）、RA-102 型再生劑摻量3%進(jìn)行最佳油石比確定實(shí)驗(yàn)。使得再生合成級(jí)配的油石比分別為5.5%、5.8%和6.1%，按照與原再生路面RAP 料比例30：70，制備馬歇爾試件（擊實(shí)次數(shù)采用雙面各75次，擊實(shí)溫度為160℃），測(cè)定合成再生混合料馬歇爾試件的各個(gè)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 不同油石比合成再生混合料體積指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，再生合成級(jí)配油石比為5.8%（新料油石比為4.6%）時(shí)，再生瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，因此以此時(shí)的油石比為最佳油石比。為了進(jìn)一步改善抗滑性能及綜合路用性能，在上述基準(zhǔn)級(jí)配的基礎(chǔ)之上添加HIRBF-G13 型強(qiáng)韌化玄武巖纖維制品，制備玄武巖纖維二次就地?zé)嵩偕鶶MA-13 瀝青混合料，對(duì)其路用性能進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)表10 所示。由表10 可知，無(wú)纖維的二次再生混合料，除低溫破壞應(yīng)變以外，其它路用性能均滿足規(guī)范要求。添加強(qiáng)韌化玄武巖纖維制品后，二次再生混合料各項(xiàng)路用性能均有不同程度改善，其中動(dòng)穩(wěn)定度提升40%、低溫破壞應(yīng)變提升35.8%。

表10 摻強(qiáng)韌化玄武巖纖維制品的合成再生混合料性能檢驗(yàn)

4 再生混合料試件抗滑耐久性試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究強(qiáng)韌化玄武巖纖維制品對(duì)于二次再生瀝青混合料抗滑性能影響，通過(guò)抗滑磨耗試驗(yàn)，研究二次再生瀝青混合料擺值BPN 等指標(biāo)隨磨耗時(shí)間的衰變規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1 所示。

圖1 玄武巖纖維制品對(duì)于二次再生混合料抗滑性能影響試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可知，無(wú)論是否加入玄武巖纖維，混合料試件的擺值均呈現(xiàn)出先上升再下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)榍捌谟捎跒r青膜的脫落，使得表面構(gòu)造變得粗糙，部分尖銳的石料表面外露，這就導(dǎo)致了摩擦系數(shù)的升高。隨著荷載次數(shù)的增加，表面的粗糙瀝青膜和尖銳的石料逐漸被磨光，摩擦系數(shù)則逐漸降低。

與無(wú)纖維的試件相比，添加玄武巖纖維制品的試件，其初始擺值較為接近。磨耗至30000 次以后，兩者的擺值開(kāi)始出現(xiàn)差異；磨耗至40000 次以后，纖維試件的擺值由初試的73.3dBPN 下降至59.1dBPN，而無(wú)纖維試件的擺值則由72.1dBPN 下降至51.6dBPN?？梢?jiàn)，添加強(qiáng)韌化玄武巖纖維制品對(duì)于二次再生瀝青混合料的初始抗滑性能影響不大，但卻能夠大幅提升其抗滑耐久性。

5 結(jié)論

綜上所述，基于抗滑性能提升需求，對(duì)江蘇省G40 揚(yáng)寧高速公路二次就地?zé)嵩偕?xiàng)目進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了其路用性能，得出主要結(jié)論如下：

①原再生路面RAP 料級(jí)配偏細(xì)，但仍較為完整，油石比正常，可采用SMA-13 級(jí)配對(duì)原路面進(jìn)行二次再生。此外，該RAP 料中舊瀝青老化程度為Ⅱ級(jí)輕度老化，可用于二次就地?zé)嵩偕?。舊集料的針片狀含量和磨光值分別為2.8%和59，舊集料的性狀較好，仍滿足規(guī)范要求。

②配合比設(shè)計(jì)結(jié)果表明，新料摻量30%（內(nèi)摻）、RA-102 型再生劑摻量3%、再生合成級(jí)配油石比為5.8%（新料油石比為4.6%）時(shí)，除低溫性能以外，二次再生瀝青混合料的其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

③添加強(qiáng)韌化玄武巖纖維制品能夠大幅提升二次再生瀝青混合料的各項(xiàng)性能，其中高溫性能提升40%、低溫性能提升35.8%。此外，強(qiáng)韌化玄武巖纖維對(duì)二次再生瀝青混合料試件的初始抗滑性能提升不大，但可大幅提升長(zhǎng)期抗滑性能。