市政改性瀝青路面高溫抗車轍性能試驗(yàn)研究

徐淑春

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

隨著我國高速公路的不斷發(fā)展,瀝青路面被廣泛應(yīng)用,瀝青用量也逐漸增加。路況與自然環(huán)境的復(fù)雜化程度使得高速公路對(duì)瀝青性能的要求越來越高[1]。隨著使用時(shí)間的增加,瀝青路面常會(huì)出現(xiàn)開裂、車轍等破壞現(xiàn)象,尤其路面長期處于高溫環(huán)境時(shí),開裂、車轍現(xiàn)象更加明顯[2]。為了提高路面質(zhì)量以及使用壽命,高速公路建設(shè)人員采用各種改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性[3]。改性瀝青是通過摻入各種改性劑優(yōu)化基質(zhì)瀝青高溫、低溫等方面性能的新型材料,更適用于現(xiàn)代路面的鋪設(shè)。田迎春等[4]采用反應(yīng)型三元共聚物(Reactive Elastomeric Terpolymer, RET)與橡膠粉進(jìn)行復(fù)配,實(shí)現(xiàn)基質(zhì)瀝青的改性,試驗(yàn)結(jié)果表明,RET與橡膠粉都能夠增強(qiáng)改性瀝青的抗高溫性能,可以提高瀝青路面的耐久性。童浩等[5]通過印尼布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt,BRA)與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene block copolymer,SBS)的改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行混合配比,制備出復(fù)合改性瀝青混合料。通過試驗(yàn)得知,復(fù)合改性瀝青混合料增強(qiáng)了瀝青材料的水穩(wěn)定性與高溫性能,使用瀝青材料的使用壽命提升了大約47%。但上述2種方法未進(jìn)行實(shí)際性抗車轍試驗(yàn),缺乏客觀性。為了得到客觀的改性瀝青路面高溫抗車轍性能結(jié)果,本文制備3種改進(jìn)瀝青材料,以車轍深度、相對(duì)變形率、動(dòng)穩(wěn)定度、相位角與動(dòng)態(tài)模量為指標(biāo)開展抗車轍性能測(cè)試。以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)瀝青路面高溫抗車轍性能的充分測(cè)試,選擇性能相對(duì)最優(yōu)的改性瀝青材料,以獲取最適合市政配套項(xiàng)目中鋪設(shè)路面的改性瀝青。

1 試驗(yàn)研究

1.1 市政路面的工程概況

為了研究市政改性瀝青路面高溫抗車轍性能,需要了解路面工程概況與所采用的材料,以便選擇適合市政路面建設(shè)的改性瀝青。

本工程為奎文區(qū)南部城區(qū)市政配套項(xiàng)目,包括藍(lán)翔街(濰膠路-南苑路)(南苑路-濰州路雨污管網(wǎng)、電力管溝)、金沙路(雙羊街-藍(lán)翔街)、崇文街(白浪河景觀帶-機(jī)場(chǎng)路)、南苑路(濰膠路以北)、藍(lán)灣街(機(jī)場(chǎng)路-機(jī)場(chǎng)院墻)5條道路范圍內(nèi)市政基礎(chǔ)設(shè)施的勘察、設(shè)計(jì)、工程施工、工程開工至竣工需要的所有檢測(cè)、工程竣工驗(yàn)收備案及保修、項(xiàng)目移交等全部內(nèi)容。工程平面示意圖如圖1所示。

圖1 工程平面示意圖

1.2 試驗(yàn)材料制備與試驗(yàn)方法

1.2.1 改性瀝青的制備

在瀝青加熱罐中加入一定量的基質(zhì)瀝青,將其加熱至180～200 ℃,在瀝青加熱罐中摻入一定量的SBS改性劑,并充分?jǐn)嚢?5 min。再將混合瀝青放入高速剪切器中進(jìn)行剪切1.5 h左右,最后在混合瀝青中摻入穩(wěn)定劑,等待混合瀝青反應(yīng)15 min,獲得SBS改性瀝青。在70 ℃的熱水中摻入丁苯橡膠(buna-S,styrene-butadiene rubber,SBR)膠乳改性劑,然后摻入氯乙基環(huán)已烷(Hydrochloric acid,HCL)使混合溶液的pH值保持在1.4～2.4,將其攪拌均勻,獲得SBR改性瀝青。在160～190 ℃的條件下將SBS與SBR改性瀝青高速剪切,該過程持續(xù)0.5 h,即可獲得SBS-SBR復(fù)合改性瀝青。

1.2.2 試驗(yàn)方法

首先對(duì)比改性瀝青的常規(guī)性能(高溫性能、存儲(chǔ)的穩(wěn)定性、路用性能、車轍深度、相對(duì)變形率,動(dòng)穩(wěn)定度),然后進(jìn)行緩和料試驗(yàn)。運(yùn)用AC-13連續(xù)級(jí)配,各種集料的通過率如表1所示。采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。所有改性瀝青的用量為5.1%,使用國產(chǎn)輪胎成型機(jī)制作車轍板試件,車轍板試件的尺寸為400 mm×400 mm×50 mm,空隙率保持在3%～5%范圍內(nèi)[7]。分別制作SBS、SBR以及SBS-SBR復(fù)合改性瀝青3個(gè)試件,記為試件1、試件2、試件3。

通常車轍試驗(yàn)通過動(dòng)穩(wěn)定度DS(次/mm)判斷改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能[8]。依據(jù)荷載作用t1=45 min與t2=60 min的永久變形,計(jì)算DS:

(1)

式中:C1、C2為修正系數(shù);v為試驗(yàn)的車輪速度,m/s;d1、d2為t1、t2的變形量,mm。

DS不能完全展現(xiàn)試驗(yàn)過程中瀝青的變形程度,而且1 h的試驗(yàn)不易看出改性瀝青的差異,所以擬進(jìn)行4 h的試驗(yàn),并通過相對(duì)變形率β判斷改性瀝青的抗車轍性能:

(2)

式中:ΔL為4 h后時(shí)間的總變形程度,mm;L為試件厚度,mm。

表2 改性瀝青馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

在溫度不變情況下,采用不同頻率的正弦軸向壓變力對(duì)瀝青作用,檢測(cè)軸向應(yīng)變與應(yīng)力,并計(jì)算相位角φ與動(dòng)態(tài)模量E*:

(3)

(4)

式中:Tp為應(yīng)力周期,s;Ti為應(yīng)變與應(yīng)力之間的滯后時(shí)間,s;σ0為應(yīng)力, MPa;ε0為應(yīng)變峰值。采用5 Hz與10 Hz荷載加載頻率的E*和E*/sinφ可以判斷改性瀝青的抗車轍性能。

2 試驗(yàn)分析

在所有試驗(yàn)條件都相同時(shí),對(duì)比試件1、2、3的性能指標(biāo),如表3所示。

由表3可知,在試驗(yàn)條件相同的情況下,3種試件的各項(xiàng)性能均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)值或要求,但是在許多試驗(yàn)項(xiàng)目上存在較大差距。其中,篩上剩余量,0.086%>0.079%>0.054%,試件1>試件2>試件3,說明試件1的瀝青物料細(xì)度更高;試件1的恩格拉黏度高于其余2個(gè)試件,說明試件1的黏度較強(qiáng);3個(gè)試件的軟化點(diǎn)的排序?yàn)樵嚰?<試件2<試件1,說明制作試件1的高溫穩(wěn)定性最好,比較適用于炎熱地區(qū)或高溫環(huán)境下,抗車轍性能更好。3個(gè)試件的存儲(chǔ)穩(wěn)定性的排序?yàn)樵嚰?<試件2<試件1,說明制作試件1存儲(chǔ)穩(wěn)定性最高,便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。綜上所述,在條件相同的情況下,試件1的使用性能最好。

表3 相同條件下3個(gè)試件的性能比較

在不同的溫度與荷載條件下,檢驗(yàn)改性瀝青的高溫性能,試驗(yàn)車輪的行駛路程為230 m,車輪頻率保持在45次/min。記錄各試驗(yàn)條件下3個(gè)試件的變形結(jié)果,并計(jì)算最終變形量與相對(duì)變形率如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知,無論怎樣改變?cè)囼?yàn)溫度與輪載條件,試件1的車轍深度都是最淺的,相對(duì)變形率都是最低的,在試驗(yàn)條件為50 ℃/0.7 MPa、60 ℃/0.7 MPa、60 ℃/0.8 MPa以及70 ℃/0.7 MPa時(shí),試件2的車轍深度與相對(duì)變形率大于試件3,只有試驗(yàn)條件為60 ℃/0.9 MPa時(shí),試件2的車轍深度與相對(duì)變形率小于試件3。其中試驗(yàn)條件為70 ℃/0.7 MPa下,試件1的車轍深度明顯降低,相較于試件2和試件3,試件1的車轍深度分別減少0.788 mm、0.579 mm。說明70 ℃/0.7 Mpa條件下,試件1的抗車轍性能優(yōu)勢(shì)更顯著,說明試件1的高溫抗車轍能力最強(qiáng)。

圖2 不同條件下試件的車轍深度

圖3 不同條件下試件的相對(duì)變形率

為驗(yàn)證3個(gè)試件的高溫穩(wěn)定性,測(cè)試3個(gè)試件在60 ℃與70 ℃條件下的動(dòng)穩(wěn)定度,具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 試件在60 ℃與70 ℃條件下的動(dòng)穩(wěn)定度

由圖4可知,試件1、2、3在60 ℃時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度分別為7 135.8,6 578.6,1 489.7次/mm,試件1比試件2、3的動(dòng)穩(wěn)定度分別高出了557.2,5 646.1次/mm。試件1、2、3在70 ℃時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度分別為4 712.8,3 868.6,1 332.7次/mm,試件1比試件2、3的動(dòng)穩(wěn)定度分別高出了844.2,3 380.1次/mm。試件1的動(dòng)穩(wěn)定度始終高于試件2與試件3,說明試件1的動(dòng)穩(wěn)定度最高,抗車轍性能更好。

因?yàn)楸疚闹饕芯扛男詾r青的高溫性能,所以試驗(yàn)僅在20～70 ℃的溫度范圍檢測(cè)改性瀝青的動(dòng)態(tài)模量,試驗(yàn)采用10 Hz與5 Hz的荷載加載頻率。在不同試驗(yàn)溫度與荷載頻率下,各試件的E*和E*/sinφ如表4所示。

由表4可知,無論溫度條件與荷載加載頻率的大小,試件1的E*和E*/sinφ始終最小,試件3的E*和E*/sinφ最大,說明試件1具有最優(yōu)的抗車轍性能。

在一定的溫度下,對(duì)試件施加一定的軸向壓力荷載,當(dāng)軸向應(yīng)變的變化率提升時(shí)的時(shí)間為流變時(shí)間tF,即tF為軸向變量的變化率最小的時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)試驗(yàn)條件為60 ℃/0.8 MPa、70 ℃/0.7 MPa時(shí),即便圍壓值是220 kPa,試件也很容易被破壞,不能對(duì)比出3種改性劑的差異。所以將試驗(yàn)條件變化至:40 ℃/0.7 MPa、50 ℃/0.7 MPa、50 ℃/0.8 MPa、50 ℃/0.9 MPa以及60 ℃/0.7 MPa。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

表5 流變時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)表5可知,在各種試驗(yàn)條件下,試件1的tF最大,大致為試件3的tF的2倍,也明顯大于試件2的tF。

圖5、圖6是tF隨著溫度以及荷載發(fā)生變化時(shí)的關(guān)系圖。

由圖5、圖6可知,tF隨著試驗(yàn)溫度與荷載的增加而呈線性下降,其中試件1與試件2的tF下降較快,并始終大于試件3。圖5中,當(dāng)試驗(yàn)溫度為50 ℃時(shí),隨著軸向壓力的不斷提高,試件1的tF由1 100 s降至540 s,試件2的tF由874 s降至386 s,試件3的tF由530 s降至284 s。圖6中,當(dāng)軸向壓力0.7 MPa時(shí),隨著溫度的上升,試件1的tF由1 620 s降至719 s,試件2的tF由1 214 s降至630 s,試件3的tF由840 s降至254 s。在各種試驗(yàn)條件下,3個(gè)試件的tF值有很明顯的差異,其抗車轍能力排序?yàn)?試件1>試件2>試件3。綜上可知試件1在不同試驗(yàn)溫度與荷載的情況下,抗車轍能力仍然最強(qiáng)。

圖5 tF與軸向壓力的關(guān)系(溫度為50 ℃)

圖6 tF與溫度的關(guān)系(軸向壓力0.7 MPa)

室內(nèi)的試驗(yàn)具有局限性,結(jié)果不夠直觀,所以在預(yù)修建路面鋪一定距離的SBS、SBR以及SBS-SBR復(fù)合改性瀝青,如圖7所示。

經(jīng)過一段時(shí)間車的反復(fù)碾壓,觀察3種改性瀝青的路面情況,如圖8所示。

(a)SBS改性瀝青

(b)SBR改性瀝青

(c)SBS-SBR復(fù)合改性瀝青圖8 3種改性瀝青鋪設(shè)路面的車轍結(jié)果

經(jīng)過實(shí)地測(cè)量,可得到路面形變量:SBS改性瀝青鋪設(shè)路面的變形最小,為10 mm;SBS-SBR復(fù)合改性瀝青鋪設(shè)路面的變形最大,為50 mm。說明在實(shí)際應(yīng)用中,SBS改性瀝青鋪設(shè)的路面的抗車轍性能最好。

3 結(jié)論

為了明確不同改性瀝青混凝土在高溫情況下的抗車轍性能,進(jìn)行市政改性瀝青路面高溫抗車轍性能試驗(yàn)研究。制備SBS、SBR以及SBS-SBR復(fù)合改性瀝青,在相同的測(cè)試環(huán)境下,進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,從而得到精準(zhǔn)的抗車轍性能結(jié)果。通過改性瀝青的常規(guī)性能試驗(yàn)可以看出SBS改性瀝青的高溫性能好,存儲(chǔ)的穩(wěn)定性好且路用性能高。通過高溫抗車轍試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證SBS改性瀝青的車轍深度淺、相對(duì)變形率低,動(dòng)穩(wěn)定度最高,因此SBS改性瀝青的高溫抗車轍性能最好,最適用于市政配套項(xiàng)目的路面施工。