微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工及質量控制

摘要 某公路采取Superpave級配微晶高嶺石改性瀝青復合料，有效增強瀝青路面強度和抗老化性能，該型改性復合料有助于改善路用性能。文章首先簡要介紹了工程概況，并介紹微晶高嶺石改性和壓實難度機理，而后重點闡述復合料相關施工技術參數(shù)、碾壓工藝及質量控制技術要點，以期為同類改性瀝青復合料施工提供技術參考。

關鍵詞 復合料；瀝青改性；微晶高嶺石；碾壓施工；質量控制

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0082-04

0 引言

微晶高嶺石又名膠嶺石、蒙脫土，主要產(chǎn)于火山凝灰?guī)r中，是一種硅酸鹽類天然礦物，加水后變成糊狀物，可膨脹數(shù)倍，受熱脫水后會發(fā)生體積收縮，具有極強的陽離子交換和吸附能力性能，經(jīng)有機復合，可做改性瀝青復合料填充劑和吸附劑，增強瀝青復合料的抗老化性能。案例公路工程應用微晶高嶺石改性瀝青復合料技術，提高瀝青路面的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能，從材料和施工質量兩個方面，確保瀝青路面建設質量。結合工程應用，這里重點介紹微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工及質量控制技術，希望為微晶高嶺石改性瀝青復合料路面施工提供技術參考。

1 案例簡介

某公路全長35 km，雙向四車道，時速設計為80 km/h。過線區(qū)域環(huán)境干燥、日照強烈，對瀝青路面材料的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能要求很高。為此工程采取了微晶高嶺石改性瀝青結合料和Superpave級配結構技術，加強瀝青復合料的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能。采用某PJ-90#基質瀝青，其性能參數(shù)如表1所示^[1]。

PJ-90#瀝青改性微晶高嶺石最佳摻量2%～3%，改性制作工藝需要將基質瀝青的溫度加熱至150 ℃±5 ℃，加強微晶高嶺石的加入速度控制，盡量降低速度，恒溫下1 000 r/min轉速進行4 h攪拌，即獲得微晶高嶺石改性瀝青，其主要性能參數(shù)如表2所示。

2 微晶高嶺石改性機理

瀝青短期老化的影響因素在于復合料拌和、運輸與鋪攤過程中瀝青輕組分揮發(fā)及與空氣的氧化作用。瀝青路面投入使用后，老化問題比較嚴重，主要是因為長期暴露在自然環(huán)境內(nèi)，受到環(huán)境因素的影響，會存在氧化、縮合、脫氫、蒸發(fā)等方面的變化，如揮發(fā)使瀝青低分子量油份流失；大氣氧化、紫外線輻射氧化，影響和改變?yōu)r青性能狀態(tài)。而瀝青材料與微晶高嶺石可以構成二維有序剝離或插層復合結構，聚合物與層狀硅酸鹽組合成為整體的結構，而聚合物還能獲得良好的氣體阻隔，抗老化效果也在不斷提升。

插層結構內(nèi)，前者瀝青材料進入到黏層內(nèi)，后者寬厚比100～1 000，厚度1.2 nm黏土片層剝離進入到瀝青內(nèi)。黏土片層寬厚比的影響，能夠避免聚合物氣體進入到內(nèi)結構內(nèi)，保證聚合物有足夠的阻氣性，遲滯聚合物內(nèi)的氧、臭氧擴散，提升聚合物的耐臭氧化、耐老化性能。因為有機材料長期受到紫外線照射而產(chǎn)生老化的問題，一般都是在有氧環(huán)境中，所以層狀黏層阻隔性作用，可以減小材料的吸氧量，延緩光氧化老化。微晶高嶺石改性瀝青混合料的主要優(yōu)勢是控制氧化擴散與紫外線氧化，從而改善熱氧化期的針入度、軟化點、延度、黏度等參數(shù)，使得瀝青混合料具備較高的抗老化效果?；|瀝青與微晶高嶺石改性瀝青性能對比如圖1所示。此外，因為微晶高嶺石與瀝青結構組合形成插層復合結構，高溫狀態(tài)中微晶高嶺石的加入可以減小流動速度，使得材料具備較高的高溫耐車轍效果。

3 碾壓施工及質量控制

3.1 復合料特性

（1）Superpave復合料特性。案例所用微晶高嶺石改性瀝青復合料采取Superpave方法設計，因此具有一些特殊性質。為抵抗永久形變，Superpave設計復合料應確?？辜魪姸扰c耐車轍性能合格，應用的是嵌鎖骨架結構，并有效提升內(nèi)摩阻力。Superpave復合料確定骨料性質，分析認同性，以掌握混合料性質。Superpave骨料的優(yōu)勢明顯，比如硬度高、均勻性好、破碎率高等，骨料的加入使得復合料的抗剪強度、使用性能得到提升，但是也會造成碾壓難度升高，極易造成碾壓效果不合格，影響路面的性能以及正常使用。

（2）Superpave復合料級配特點。根據(jù)0.45次方級配曲線分布，縱坐標為百分比，橫坐標為篩孔規(guī)格的0.45次方，最高理論密度線是坐標原點與最大級配規(guī)格連線。級配圖反映出2組特點變化，也就是控制點與限制區(qū)?？刂泣c反映出骨料級配一定通過范圍，而限制區(qū)位2.36～0.3 mm。骨料級配曲線不經(jīng)過該區(qū)域為合格，使得細骨料不能接近最高理密度線，空隙率VMA值相對較低。為了防止復合料內(nèi)含有過多的細料而產(chǎn)生碾壓推移、耐車轍性能不足，Superpave復合料一般多采取上“S”形級配曲線（如圖2所示）。這樣能使得復合料內(nèi)的細骨料比例在最佳范圍內(nèi)，復合料的中、粗粒度增大的情況，經(jīng)過嵌擠后組合形成復合料，抗剪強度提升比較明顯。該級配對于復合混合料的路用性能、強度提升比較明顯，但是碾壓作業(yè)環(huán)節(jié)的難度較高^[2]。

（3）復合料瀝青組分含量。與常規(guī)馬歇爾方法設計的復合料相比，Superpave方法設計復合料最優(yōu)瀝青含量相對較低。這是因為Superpave復合料中細集料的含量相對較低，中、粗粒度骨料含量則相對較高；此外Superpave方法以旋轉壓實儀成型試件，相對于馬歇爾擊實儀來說，壓實效率更高。Superpave方法設計復合料其瀝青含量被降低，雖利于形成較好的路面強度，但一定程度增加了壓實操作難度。

3.2 復合料壓實特性

瀝青復合料壓實性能受到多方面因素影響，比如材料黏附性、黏性阻力、摩阻力等。骨料摩擦力受到結構形式、形狀、強度、耐磨性、嵌擠性方面干擾，自然圓滑集料的復合料表面摩擦力較小，滑移現(xiàn)象發(fā)生率較高；含有棱角、表面粗糙、破碎度高的集料復合料，其摩擦阻力相對要高，壓實相對有難度。復合料的內(nèi)摩擦力越大，破碎集料劑量越高，更難壓實。

瀝青黏性、復合料溫度及黏性阻力間具有函數(shù)關系，瀝青結合料的黏彈性比較差，低溫條件之下的彈性固體特性明顯，高溫時以黏性液體狀態(tài)存在。瀝青混合料對于溫度較為敏感，溫度較低時黏阻力較高，影響壓實作用的效果；瀝青黏度提升，壓實溫度也必須相應提高。

Superpave復合料在原料選擇中強調(diào)骨料的棱角性和破碎需求，為了避開級配限制區(qū)，降低砂組分用量，因為細骨料少，中粗骨料多，因此Superpave復合料是一種壓實質量要求高、相對難于壓實操作的復合料；另外粗、中粒度骨料的劑量較高，也使復合料溫降速度較快，這給壓實操作帶來一定程度的碾壓時間緊迫性，把控不當就會影響壓實質量。

Superpave復合料中瀝青比例較低，碾壓環(huán)節(jié)使得顆粒之間摩阻力升高，難以壓實到最佳的狀態(tài)。Superpave復合料還有一個特性，就是溫度敏感區(qū)的存在。在現(xiàn)場施工作業(yè)中，Superpave復合料處于不穩(wěn)定的溫度敏感期間，通常在93～115 ℃區(qū)間，在該問題之間碾壓作業(yè)施工，會造成復合料發(fā)生推移、龜裂的問題，對于路面性能造成影響。

因此，Superpave復合料碾壓施工環(huán)節(jié)，不能在溫度敏感區(qū)內(nèi)碾壓施工，一般采取如下做法：第一，復合料溫度下降到115 ℃之前完成碾壓，保證壓實度合格；第二，溫度處于115 ℃以上時，應用振動壓路機開展碾壓施工，在溫度處于95 ℃以下時，開展靜壓施工。

3.3 關鍵壓實參數(shù)

如果材料、壓路機性能都符合要求，壓實度受到如下影響：第一，壓路機和材料的固有頻率比較相近；第二，材料對激振器的振動發(fā)生反應，出現(xiàn)了共振的情況，克服、減小材料的內(nèi)摩阻力；第三，碾壓遍數(shù)不合格。在具體的施工中，技術人員必須加強碾壓遍數(shù)、碾壓速度的控制，預防造成質量問題的情況。

（1）碾壓速度。壓實速度對于壓實效率存在直接影響。經(jīng)過振動壓實分析，應確保骨料顆粒進入到振動條件，需要開展連續(xù)3次以上振動激勵，振動壓路機的碾壓振動激勵應按照下式（1）計算。

式中，v——振動壓路機的碾壓行進速度（km/h）；f——壓路機振動頻率（Hz）。如果振動壓路機的額定振動頻率是45 Hz，則碾壓行進速度應控制在v≤4.86 km/h為宜。

（2）碾壓遍數(shù)。為了準確掌握振動壓路機的碾壓遍數(shù)對壓實度產(chǎn)生的影響，這里介紹案例試驗段鋪筑壓實試驗結果。材料、壓路機碾壓行進速度和振動頻率參數(shù)：微晶高嶺石改性瀝青復合料；鋪層厚度6 cm；碾壓溫度120～160 ℃；Superpave12.5級配設計，振動壓路機型號DD110；壓實行進速度4.5 km/h；頻率49 Hz；振幅0.32 mm。測試結果具體如表3和圖3所示^[3]。

結果顯示，碾壓遍數(shù)不斷增多，路面壓實度會因為變數(shù)的增加而表現(xiàn)出曲線的變動，初期升高速度較快，但是變數(shù)再次增加的情況下，壓實度的增大變得比較緩慢，曲線趨于平緩。壓實遍數(shù)對于壓實度的提升影響并不明顯，之所以形成這一現(xiàn)象，是因為瀝青路面的壓實還會受瀝青混合料的溫度、碾壓時間影響。要想提高壓實度效果，在瀝青路面鋪設結束后，應及時開展振動碾壓施工。

4 微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓

4.1 微晶高嶺石改性瀝青復合料及碾壓面臨的問題

（1）實用微晶高嶺石改性瀝青復合料。案例工程的微晶高嶺石改性瀝青復合料采用Superpave12.5型配比設計，其級配如表4所示。該型復合料利于形成良好的瀝青路面強度，但因為該型復合料的骨料間內(nèi)摩擦阻力也相對較大，因此碾壓施工的質量要求較高，操作存在難度。

（2）案例路面結構中，上面層厚度4 cm，屬于典型的薄層結構，路面溫降相對較快。因為瀝青路面的壓實與復合料溫度密切相關，只有在特定溫度以上進行碾壓才能獲得最佳壓實效果。當溫度不足90 ℃時，碾壓難以達到應有的效果。因此，在碾壓時間確定時，必須要充分考慮出料溫度、攤鋪厚度、環(huán)境溫度等多方面的要素。環(huán)境條件與復合料溫度相同時，結構層的厚度對碾壓時間產(chǎn)生直接影響。如表5～6所示，體現(xiàn)出不同鋪設層厚度的溫降特點與碾壓時間。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，結構層厚度越小，碾壓時間會相應縮短。

4.2 微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓工藝及質量控制

因為微晶高嶺石改性瀝青復合料壓實時，初期作業(yè)的難度比較高，為了使得壓實質量符合要求，選擇合適的工藝以確保質量符合標準，微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓同樣包括初壓、復壓和終壓3個階段。

（1）初壓。攤鋪機在開展攤鋪施工中，使用2臺壓路機開展施工，按照從低到高逐一碾壓，并且沿著接縫碾壓一遍。在不黏輪和推移的情況下，開始振動碾壓，否則進行靜壓。靜壓應重疊1/2輪寬，振動碾壓重疊30 cm，共碾壓4～6遍。靜壓行進速度2～3 km/h，振動碾壓行進速度4～5 km/h。

（2）復壓。2臺膠輪壓路機，碾壓速度3～5 km/h，和初壓的DD110壓路機聯(lián)合進行，逐步開展復壓施工，總計碾壓3遍，以確保壓實度合格。

（3）終壓。1臺DD110壓路機在復壓后逐步立即開始終壓施工，速度為3～5 km/h，碾壓2遍、沒有表面輪跡為止，每次返回，縱向與振動碾壓部位重疊1～1.5 m。碾壓施工中，應隨時檢測復合料的溫度，不能處于敏感溫度范圍。如果混合料的溫度在該區(qū)間之內(nèi)，不能開展振動碾壓施工，轉變?yōu)槟z輪碾壓的施工方式。碾壓距離應該根據(jù)現(xiàn)場復合料的溫度變化情況來控制，一般在30～50 m之間。

5 結語

進行了微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工及質量控制研究。微晶高嶺石具有極強的陽離子交換和吸附能力性能，經(jīng)有機復合，可做改性瀝青復合料填充劑和吸附劑，增強瀝青復合料的抗老化性能。有助于改善兩項路用性能的同時，也面臨著壓實施工操作有一定難度和質量要求高的不足。文中介紹了微晶高嶺石瀝青改性和壓實施工操作質量要求高、有一定操作難度的基本原理，介紹了案例應用該復合料的相關施工技術參數(shù)、碾壓工藝以及質量控制技術要點，對微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工應用有技術參考意義。

參考文獻

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[2]袁迎捷．Superpave瀝青混合料設計方法與壓實原理研究[D]．西安：長安大學， 2001.

[3]余劍英， 李斌， 曾旋， 等. 有機化蒙脫土對 SBS 改性瀝青熱氧老化性的影響[J]. 武漢理工大學學報， 2007（9）： 65-67.

收稿日期：2023-10-12

作者簡介：鐘瑞（1982—），男，本科，助理工程師，從事公路橋梁建設管理工作。