公路瀝青混合料低溫抗裂性能及施工工藝研究

四川省交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川成都 610000

摘 要：主要探究提高公路瀝青混合料低溫抗裂性能及施工工藝的有效方法。實(shí)地觀察、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了瀝青混合料在低溫環(huán)境下的性能變化規(guī)律，并研究了不同施工工藝對其性能的影響。結(jié)果顯示，合理控制施工溫度、優(yōu)化壓實(shí)工藝和采用適量添加劑可以有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，降低路面裂縫的發(fā)生率?；诖?，在公路建設(shè)中，應(yīng)重視低溫環(huán)境下瀝青混合料的性能并采取相應(yīng)的施工工藝措施，以提高路面的質(zhì)量和使用壽命。

關(guān)鍵詞：低溫抗裂性能 彎曲試驗(yàn) 施工工藝 SBR改性瀝青

中圖分類號：U414

Research on the Low-Temperature Crack Resistance and Construction Technology of Asphalt Mixtures for Highways

ZHANG Tao

Sichuan Transportation Construction Group Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province，610000 China

Abstract：This study mainly explores the effective method to improve the low-temperature crack resistance and construction technology of asphalt mixtures for highways. By the methods of field observation， laboratory tests and numerical simulation， this study analyzes thevariation law ofthe performance of theasphalt mixture in the low-temperature environment and studies the influence of different construction processes on its performance. The results show that the reasonable control of construction temperature， the optimization of compaction processes and the use of appropriate additives can effectively improve the low-temperature crack resistance of asphalt mixtures and reduce the incidence of pavement cracks. Based on this， during highway construction， we should pay attention to the performance of asphalt mixturesin the low temperature environment and take corresponding construction technology measures， so as to improve the quality and service life of the road surface.

Key Words： Low-temperature crack resistance;Bending test;Construction technology; SBR modified asphalt

公路瀝青混合料在低溫條件下易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響路面的使用壽命和安全性，因此，研究提高瀝青混合料的低溫抗裂性能及施工工藝對于公路建設(shè)具有重要意義。當(dāng)前，對于該問題的研究還存在一些不足之處。首先，現(xiàn)有研究大多集中于瀝青混合料的材料性能，而對施工工藝的影響研究相對不足，導(dǎo)致在實(shí)際工程中缺乏可操作性的建議。其次，針對不同地區(qū)氣候和交通量的差異，現(xiàn)有研究結(jié)論并不具有普適性，需要更多地考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的因素。針對以上問題，本文旨在通過綜合考慮瀝青混合料材料性能和施工工藝對低溫抗裂性能的影響，以及不同氣候條件下的實(shí)際情況，系統(tǒng)研究公路瀝青混合料的低溫抗裂性能及施工工藝。

1 公路瀝青混合料低溫抗裂性能試驗(yàn)

1.1 配合比設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)SBR改性瀝青的配合比時(shí)，首先考慮到了某地冬季頻繁出現(xiàn)的低溫現(xiàn)象以及夏季雨水豐沛可能帶來的結(jié)構(gòu)性破壞。因此，本文的研究重點(diǎn)在于如何提高瀝青混合料在低溫條件下的抗裂性能。為了評估其低溫抗裂性，本文選擇了小梁低溫彎曲試驗(yàn)法。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，使用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)來確定礦料的最佳配比和最佳瀝青用量[1]。

本文所采用的結(jié)合料為SBR改性瀝青，因此需要計(jì)算瀝青混合料的最大理論相對密度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得知，礦粉的表觀相對密度和毛體積相對密度均為2.726。結(jié)合配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，計(jì)算出各粒級礦料在總量中的比例。隨后根據(jù)密度試驗(yàn)結(jié)果得出礦料的合成毛體積密度為2.632 g/cm3，合成表觀相對密度為2.669 g/cm3，吸水率為0.5%。

在本文中，經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)與計(jì)算，AC-13瀝青混合料的級配組成被確定為碎石∶砂∶石屑∶礦粉=32∶15∶50∶3。同時(shí)，將最佳油石比定為4.9%。這樣的配比設(shè)計(jì)充分考慮了礦料的密度特性和瀝青的結(jié)合能力，旨在提升瀝青混合料的整體穩(wěn)定性和耐久性。特別是在低溫條件下，通過提高抗裂性能，可以減少該地區(qū)冬季低溫引起的路面開裂問題。這一設(shè)計(jì)思路不僅體現(xiàn)了對材料性能的深入理解，也展現(xiàn)了對實(shí)際工程需求的精準(zhǔn)把握。同時(shí)降低夏季雨水侵蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞，從而延長路面的使用壽命，達(dá)到更好的使用效果。

1.2 低溫彎曲試驗(yàn)

在研究公路瀝青混合料的低溫抗裂性能時(shí)，本研究采用了小梁低溫彎曲試驗(yàn)作為評估材料在低溫條件下變形能力的關(guān)鍵方法。該試驗(yàn)被廣泛認(rèn)可，能夠有效模擬并反映瀝青混合料在低溫環(huán)境中抵抗開裂的能力，且與我國規(guī)范對瀝青混合料低溫性能評價(jià)的推薦方法相符合[2]。

遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）的規(guī)定，本文制備了12個(gè)尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁試件，以便進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。其中包括6個(gè)基質(zhì)瀝青混合料試件和6個(gè)SBR改性瀝青混合料試件。所有試件均按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化程序制作，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（T0715—1993）的規(guī)定，本研究在-10 ℃的試驗(yàn)溫度和50 mm/min的加載速率下對試件進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明（見表1）：SBR改性瀝青混合料在抗彎拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變方面顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，表現(xiàn)出更優(yōu)異的低溫性能。與常規(guī)的基質(zhì)瀝青混合料相比，采用SBR改性技術(shù)制備的瀝青混合料具有更高的抗彎拉強(qiáng)度和更好的低溫性能。因此，在低溫條件下，SBR改性瀝青混合料能夠更好地抵抗外部應(yīng)力的作用，從而降低路面發(fā)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

2 公路瀝青混合料低溫抗裂性能有限元分析

2.1 路面板網(wǎng)格劃分

根據(jù)北方某地的實(shí)際情況及以往的研究，選擇了沿行車道方向1 m、寬度為5 m、厚度為0.04 m的路面板作為建模尺寸。在ABAQUS的Property模塊中輸入了兩種彈塑性材料的彈性和塑性數(shù)據(jù)，以及溫縮系數(shù)。其中基質(zhì)瀝青混合料的彈性模量設(shè)為1 500 MPa，SBR改性瀝青混合料的彈性模量設(shè)為2 000 MPa，兩者的泊松比均為0.25[3]。

在Mesh模塊中，由于路面板已被定義為非獨(dú)立實(shí)體，因此網(wǎng)格劃分是針對部件執(zhí)行的，所以非獨(dú)立實(shí)體作為部件的引用，網(wǎng)格劃分應(yīng)該施加在部件上。考慮到路面板是規(guī)則的三維體結(jié)構(gòu)采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，并選擇了六面體單元形狀以提高分析精度。選用了C3D8I單元類型，即8節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元，它在單元角點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)并在每個(gè)方向使用線性插值。最終，兩個(gè)模型均被劃分為4 000個(gè)單元，網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm×20 mm，以確保模擬的精確性。完成網(wǎng)格劃分后的部件如圖1所示[4]。

2.2 模型運(yùn)算結(jié)果的分析

在溫度從-10 ℃降至-30 ℃的過程中，當(dāng)SBR改性瀝青混合料路面板底面受到完全約束時(shí)，應(yīng)力云紋圖（見圖2）揭示了最大主應(yīng)力集中在行車方向的兩端面，達(dá)到了1.655 MPa。與此相比，附近區(qū)域的最大主應(yīng)力略低，而其余部位的最大主應(yīng)力則顯著減小。因此，在完全約束的條件下，SBR改性瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性。此外，無論是底面完全約束還是不受約束的情況，SBR改性瀝青混合料路面板在降溫過程中的破壞最大彎拉應(yīng)變與基質(zhì)瀝青混合料相同。但在完全約束的情況下，SBR改性瀝青混合料的抗裂性表現(xiàn)更佳[5]。

在同一位置節(jié)點(diǎn)上，底面不受約束的情況下，SBR改性瀝青混合料路面板的最大主應(yīng)力和主應(yīng)變均低于基質(zhì)瀝青混合料，并且其破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度更大。因此，在溫度從-10 ℃降至-30 ℃的過程中，無論底面是否受約束，SBR改性瀝青混合料路面板都表現(xiàn)出比基質(zhì)瀝青混合料更優(yōu)越的低溫抗裂性能。

3 瀝青混凝土施工

在鋪筑瀝青層前，必須確?；鶎踊蛳聦訛r青的質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，若有不符合要求的情況，則不得進(jìn)行面層的鋪設(shè)。對于已經(jīng)被污染的舊路面或下臥層，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)那逑椿蜚娕偬幚恚源_保施工表面干凈、整潔，從而保證瀝青混合料與路基的良好黏結(jié)[6]。

在瀝青混合料的攤鋪地點(diǎn)，應(yīng)檢查運(yùn)料單以確認(rèn)混合料的身份，同時(shí)檢查混合料是否符合施工溫度要求，以及是否出現(xiàn)結(jié)塊或受雨淋的情況。若存在這些問題，則不得進(jìn)行鋪筑作業(yè)。在氣溫較低或等待時(shí)間過長的情況下，應(yīng)采取措施保持瀝青混合料的溫度，以防影響后續(xù)的攤鋪和壓實(shí)工作。特別是上層瀝青混合料的殘余孔隙率需控制在7%以下，以保證良好的壓實(shí)效果[7]。

4 結(jié)論

在公路瀝青混合料低溫抗裂性能及施工工藝的研究中，深入探討了瀝青混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)要求及其對路面質(zhì)量和使用壽命的影響。通過確保基層質(zhì)量、施工溫度的控制和合理的壓實(shí)工藝，可以有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，延長路面的使用壽命，降低維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]譚仕維.再生瀝青混合料低溫抗裂性能研究[J].西部交通科技，2023（10）：75-77，169.

[2]王婧，陳莉，趙緒峰，等.再生粗骨料瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2023，52（5）：66-69.

[3]喬明鑫，楊三強(qiáng).寒冷地區(qū)瀝青路面材料低溫抗裂性能研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2023，35（4）：56-60，72.

[4]金愛華.再生瀝青混合料低溫抗裂性能的多指標(biāo)評價(jià)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2021.

[5]陳飛，張林艷，封基良，等.瀝青混合料低溫抗裂性能試驗(yàn)方法研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（S2）：127-137.

[6]林震寰.瀝青混合料低溫抗裂性能數(shù)值模擬研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2021.

[7]王寶.瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)在公路施工中的應(yīng)用[J].中國公路，2020（12）：98-99.