ARC-5超韌磨耗層瀝青混合料性能研究

陸福才 閆澤南

摘要：為提供一種性能優(yōu)異的超薄磨耗層瀝青混合料應用于高速公路預防性養(yǎng)護工程，文章以高韌超彈復合改性瀝青作為膠結料，并通過增設7.2 mm作為最大篩孔制備了三組不同級配的ARC-5瀝青混合料，系統(tǒng)性研究了其各項路用性能。結果表明：ARC-5瀝青混合料各項性能指標均遠大于規(guī)范要求，具有良好的路用性能；隨著孔隙率的增大，ARC-5瀝青混合料最佳油石比、低溫彎曲應變減小，動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、殘留強度比、構造深度均有所增大。

關鍵詞：超韌磨耗層；預養(yǎng)護；高韌超彈改性瀝青；路用性能

中圖分類號：U416.03? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0071-03

0 引言

瀝青路面結構中的表面層直接與輪胎和大氣相接觸，在車輛載荷、太陽輻射和水分等綜合影響下，比其他路面結構層更容易受到破壞。一般來說，瀝青路面表面層在使用3～5年后，會出現(xiàn)車轍、裂縫、坑槽等缺陷［1］。路面功能的下降將影響駕駛體驗和安全，并降低道路的完整性和使用壽命。因此，有必要對瀝青路面表層進行預防性養(yǎng)護，為路面提供良好的平整性、抗車轍性、抗水損害性，確保駕駛的舒適性和安全［2］。

瀝青路面預防性養(yǎng)護措施包括薄層罩面、封層、再生三大類，其中薄層罩面是指厚度在10～25 mm的能改善路表使用功能的瀝青結構層。常見的超薄磨耗層級配類型有NovaChip、SMA-5、AC-8、SMA-10、SAC-5等，不少學者對上述級配類型超薄磨耗層瀝青混合料的路用性能開展了研究。李亞龍等［3］采用多碎石瀝青混合料（SAC）級配設計方法設計了SAC-5瀝青混合料，并通過試驗研究了不同孔隙率下的路用性能。張彩麗等［4］通過試驗和控制變量法分析了級配、瀝青用量、壓實度、粉膠比等對SAC-7瀝青混合料路用性能的影響。李蓬偉等［5］通過多碎石斷級配思想和基于路用性能與抗滑性能均衡的設計方法設計了AC-8瀝青混合料，并對其路用性能和工程應用開展系列研究。徐小龍等［6］以自主制備的橡膠高黏改性瀝青作為膠結材料，系統(tǒng)評估了SMA-5及SMA-10各項路用性能后發(fā)現(xiàn)SMA-5在攤鋪厚度和高溫穩(wěn)定性等方面占優(yōu)，而SMA-10在低溫抗裂性等方面具有優(yōu)勢。

ARC超韌磨耗層（Anti-reflective Cracking）是一種新興的路面預防性養(yǎng)護技術，其采用高韌超彈特種瀝青作為膠結料，具有超強的韌性和抵抗變形的能力，能有效防止反射裂縫的產(chǎn)生［7］。作為一種超薄磨耗層，ARC超韌磨耗層實施厚度僅為1.2～2.0 cm，且施工方式靈活多變，具有廣泛的應用前景［8］。當前，國內(nèi)鮮有學者對其性能開展研究。本文通過級配優(yōu)化設計和室內(nèi)試驗開展不同級配ARC-5瀝青混合料的性能研究，以期為ARC超韌磨耗層的推廣應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

相較于傳統(tǒng)表面層，超薄磨耗層由于結構層厚度減薄，其在車輛荷載作用下承受的彎拉應力和剪應力更大，為保證瀝青對集料骨架的約束作用，應選擇黏度大、韌性高、彈性好的專用瀝青結合料。本研究瀝青采用PG-82型高韌高彈復合改性瀝青，其各項技術指標及檢測結果見表1。所用粗、細集料均為產(chǎn)自同一廠家的輝綠巖。粗集料粒徑為3～6 mm，堅硬耐磨，與瀝青粘附性好；細集料粒徑0～3 mm，干燥潔凈、無風化、無雜質(zhì)。粗、細集料各項性能指標及檢測結果見下頁表2。選用的礦粉為堿性石灰?guī)r磨細而成，比表面積大，對瀝青的吸附性強，且外觀干燥潔凈、無雜質(zhì)、不成團，主要性能指標見下頁表3。

1.2 超韌磨耗層瀝青混合料組成設計

以2.36 mm作為區(qū)分粗細集料的分界篩孔，并增加7.2 mm為最大尺寸篩孔。依據(jù)規(guī)范中級配設計的一般方法，在選擇集料結構時，根據(jù)各檔礦料的篩分結果，在設計級配范圍內(nèi)調(diào)試選出3組級配，級配曲線如圖1所示。

按規(guī)范分別制作3組級配的馬歇爾試件，確定各級配最佳瀝青用量，并測定試件的毛體積相對密度、空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率等體積參數(shù)。3組級配最佳瀝青用量及馬歇爾試驗結果詳見表4。

由表4可知，3組級配均滿足壓實狀態(tài)骨架間隙率VCAmix＜搗實狀態(tài)骨架間隙率VCADRC，表明3組級配均為骨架密實型結構，粗集料的嵌擠作用能夠形成，瀝青混合料具備一定抵抗變形的能力。分析馬歇爾試驗參數(shù)可知，3組級配各項參數(shù)均滿足技術要求，從級配1到級配3毛體積密度γf逐漸增大，空隙率VV逐漸減小。隨著2.36 mm篩孔通過率的增大，瀝青混合料中細集料增多，增強了對粗集料骨架的填充作用，瀝青膠漿對骨架的約束與粘結作用更加顯著，從而使得馬歇爾穩(wěn)定度MS增大，但由于粗集料含量相應減少，骨架結構的嵌擠力降低，一定程度上使流值FL增大。

1.3 瀝青含量檢驗

為驗證初擬的瀝青含量是否滿足要求，根據(jù)規(guī)范進行謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗。試驗結果如表5所示。

由表5可知，3組級配最大瀝青析漏損失和飛散損失分別為0.27%、7.2%（標準飛散）、7.9%（浸水飛散），均滿足工程技術要求，表明瀝青含量能保證對集料的粘結作用；飛散損失隨著瀝青混合料空隙率的降低而減少，3組級配中，飛散損失最大的為級配1，最小的為級配3，這是由于較少的細集料含量會使相應的瀝青含量減少，瀝青含量的減少在一定程度上會使集料的粘結性降低。

2 ARC-5瀝青混合料性能評價

2.1 高溫性能

為評價混合料的高溫穩(wěn)定性能，分別對3組級配的ARC-5瀝青混合料進行60 ℃車轍試驗，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知：3組級配下，瀝青混合料的動穩(wěn)定度均≥12 000次/mm，遠大于規(guī)范要求，說明ARC-5瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫抗變形能力。其中，級配1動穩(wěn)定度最大，為12 764次/mm；級配2次之，為12 275次/mm；級配3最小，為12 034次/mm，這表明隨著混合料空隙率的增大，級配組成中粗集料含量相對增多，集料間嵌擠程度增強，形成了更加穩(wěn)定的骨架結構，高溫條件下抵抗變形的能力得到提升。

2.2 低溫性能

采用小梁低溫彎曲試驗評價混合料的低溫抗裂性能，試驗結果如表6所示。從表6可以看出，ARC-5瀝青混合料具有良好的低溫性能，3組級配最大彎拉應變均≥7 000 με，其中級配3的抗彎拉強度和彎拉應變最大，級配1的最小，分析原因為從級配1到級配3瀝青混合料空隙率依次減小，瀝青用量依次增加，混合料瀝青膜厚度相應增加，這使得瀝青與集料間產(chǎn)生更大的粘附強度，有助于增強瀝青混合料的整體強度和韌性，提高低溫抗裂性能；另外，更為穩(wěn)定、嵌擠程度更高的骨架結構也有助于承擔外部荷載，提高傳遞荷載的能力。

2.3 水穩(wěn)性能

對3組級配的ARC-5瀝青混合料開展浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，以評價其水穩(wěn)定性能。試驗結果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知：3組級配的殘留穩(wěn)定度均>85%、殘留強度比均>80%，兩項指標滿足規(guī)范要求，說明ARC-5瀝青混合料具備良好的抗水損能力。從級配1到級配3，空隙率降低，殘留穩(wěn)定度和殘留強度比均有所減小，這進一步說明粗集料的嵌擠作用有利于形成相對穩(wěn)定的結構，對提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性具有積極作用。

2.4 抗滑與抗?jié)B性能

針對3組級配制得車轍試件，采用手工鋪砂法和滲水試驗測定ARC-5超韌磨耗層的構造深度與滲水系數(shù)，試驗結果如圖5所示。由圖5可知，3種級配ARC-5超韌磨耗層具有良好的抗滑性能，均滿足構造深度≥0.55 mm的規(guī)范要求。隨著級配1到級配3空隙率的減小，細集料增多，構造深度也呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。3組級配混合料滲水系數(shù)均≤80 mL/min，其密水性滿足高等級路面的規(guī)范要求，能在一定程度上防止由于水損害產(chǎn)生的早期路面病害。

3 結語

本文設計了3組不同級配的ARC-5超韌磨耗層，并對其各項性能進行試驗研究，得出主要結論如下：

（1）增設的7.2 mm最大篩孔能使混合料中粗集料更加均勻，有利于骨架結構的形成和高溫抗變形能力的提高，同時有利于降低超韌磨耗層的攤鋪厚度。

（2）采用PG-82型高韌高彈復合改性瀝青制備的ARC-5瀝青混合料具備良好的路用性能，尤其是高溫性能的表現(xiàn)，不同級配下ARC-5瀝青混合料的60 ℃動穩(wěn)定度最高能達到12 764次/mm。

（3）隨著空隙率的增大，ARC-5瀝青混合料構造深度增大，抗滑性能越好；3組級配滲水系數(shù)試驗結果均滿足規(guī)范要求，具有良好的抗?jié)B水性能。

參考文獻

［1］朱振祥，田 雋，王 凍，等.高粘彈改性瀝青SMA-5超薄磨耗層路用性能研究［J］.山東交通科技，2019（5）：71-73.

［2］Jinquan W ，Jia S ，Sang L ，et al.Laboratory and Field Performance Evaluation of High-Workability Ultra-Thin Asphalt Overlays［J］.Materials，2022，15（6）：2 123-2 123.

［3］李亞龍，成志強.超薄磨耗層SAC-5瀝青混合料設計及性能［J］.科學技術與工程，2022，22（8）：3 309-3 314.

［4］張彩利，李天豪，丁維哲，等.超薄磨耗層高黏高彈瀝青混合料性能研究［J］.科學技術與工程，2023，23（28）：12 241-12 249.

［5］李蓬偉，閆澤南，駱俊暉，等.細粒式密級配超薄磨耗層設計及工程應用分析［J］.西部交通科技，2023（5）：74-78.

［6］徐小龍，陳 飛，江 飛，等.橡膠改性瀝青SMA-5、SMA-10性能對比分析［J］.建筑技術開發(fā)，2023，50（4）：162-164.

［7］曹小燕，麥榮章，許湛成.最大粒徑不同的ARC超韌磨耗層性能對比研究［J］.西部交通科技，2022（8）：5-8.

［8］李尚彬.ARC超韌磨耗層在“白改黑”復合式路面中的應用研究［J］.交通科技，2021（2）：74-77.

作者簡介：陸福才（1987—），工程師，主要從事道路工程檢測與咨詢工作。