王強(qiáng)， 姚鴻儒， 李健， 樂海淳， 曹亞東

(1.上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司， 上海市 201901； 2.華東理工大學(xué) 石油加工研究所； 3.上海城建日瀝特種瀝青有限公司)

熱拌瀝青混合料薄層罩面相對(duì)其他薄層技術(shù)，具有穩(wěn)定性更佳、路用性能更好的特點(diǎn)，逐漸發(fā)展為一種高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)罩面形式。其中，小粒徑SMA-5瀝青混合料作為一種超薄層罩面類型，從原材料到組成設(shè)計(jì)、路用性能和力學(xué)性能以及施工技術(shù)等方面已有許多學(xué)者進(jìn)行了研究。其中，SMA-5所采用的膠結(jié)料多為SBS改性瀝青及MAC改性瀝青進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。隨著新型材料的不斷出現(xiàn)，如ARSMA-5維他橡膠瀝青混合料、新型高黏瀝青混合料和化學(xué)復(fù)合改性橡膠瀝青等改性瀝青混合料均具有較好的路用性能。將市面上不同的成品瀝青膠結(jié)料應(yīng)用于SMA-5，并對(duì)不同改性瀝青(SMA-5)超薄磨耗層進(jìn)行路用性能室內(nèi)研究，以分析膠結(jié)料技術(shù)指標(biāo)對(duì)SMA-5瀝青混合料性能的影響，為定制化設(shè)計(jì)薄層罩面專用瀝青膠結(jié)料，為薄層罩面在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的推廣及應(yīng)用，提供理論依據(jù)和參考。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

4種成品改性瀝青：高標(biāo)準(zhǔn)I-D改性瀝青、高黏度改性瀝青、重載交通專用改性瀝青、高彈性改性瀝青，均由上海城建日瀝特種瀝青有限公司提供。其中，高標(biāo)準(zhǔn)I-D改性瀝青(以下簡稱“高標(biāo)”)比I-D改性瀝青更為優(yōu)異，要求軟化點(diǎn)大于75 ℃、5 ℃延度大于30 cm、老化后5 ℃延度大于20 cm；高黏度改性瀝青(以下簡稱“高黏”)用于排水瀝青混合料；重載交通專用改性瀝青(以下簡稱“重載”)為重載交通、交叉口、集裝箱堆場等重荷載道路用改性瀝青；高彈性改性瀝青(以下簡稱“高彈”)主要用于鋼橋面鋪裝。4種改性瀝青均為SBS改性瀝青，改性劑的含量為高彈>高黏≈重載>高標(biāo)。隨著改性瀝青中SBS含量的增加，改性瀝青發(fā)生相轉(zhuǎn)變，由富瀝青質(zhì)相為連續(xù)相、富SBS相為分散相轉(zhuǎn)變?yōu)楦粸r青質(zhì)相為分散相、富SBS相為連續(xù)相。但SBS與瀝青之間的相容性有限，隨著SBS含量的增大，SBS在瀝青中分散所需時(shí)間增長，儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中改性瀝青可能會(huì)發(fā)生離析，改性瀝青熔融黏度大影響施工和易性。因此需加入富含芳香分的小分子來增大SBS與瀝青之間的相容性；并通過此類小分子的含量、種類和比例調(diào)節(jié)改性瀝青的針入度，以應(yīng)對(duì)不同的使用場合。一般來講，針入度大的瀝青具有較好的抗疲勞和抗開裂性能，針入度小的瀝青具有較好的抗車轍和抗扭轉(zhuǎn)性能。采用70#基質(zhì)瀝青作對(duì)比，5種瀝青膠結(jié)料的基本指標(biāo)見表1。所用粗集料、細(xì)集料和礦粉的密度見表2；聚酯纖維摻量為混合料質(zhì)量的0.3%。

表1 瀝青結(jié)合料技術(shù)指標(biāo)

表2 集料密度及吸水率

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

對(duì)集料進(jìn)行篩分，參考美國SMA-5級(jí)配范圍，調(diào)整各種礦料比例，設(shè)計(jì)3組不同的初試礦料級(jí)配。3種混合料級(jí)配的礦料合成通過率(參考美國SMA-5級(jí)配范圍)見表3。

表3 集料及SMA-5混合料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

1.3 初試級(jí)配

采用高標(biāo)(I-D)改性瀝青進(jìn)行合成級(jí)配A、B、C的初步試驗(yàn)，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)及參考相關(guān)文獻(xiàn)，經(jīng)綜合考慮確定采用油石比為6.5%，進(jìn)行混合料馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 馬歇爾試驗(yàn)及相關(guān)體積指標(biāo)

由表4可知：級(jí)配B和C 的馬歇爾體積指標(biāo)均滿足要求，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)混合料的浮動(dòng)以及施工等問題，初步考慮選擇級(jí)配B或C作為目標(biāo)合成級(jí)配。

1.4 級(jí)配檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證級(jí)配B和C 適用范圍，將高黏、高彈、重載瀝青和70#瀝青按照級(jí)配B和C繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)不同級(jí)配組成對(duì)5種瀝青的適應(yīng)性(表5)。通過研究和分析，綜合考慮選擇級(jí)配C和油石比6.5%作為5種瀝青的目標(biāo)級(jí)配。

表5 不同改性瀝青的馬歇爾試驗(yàn)及相關(guān)體積指標(biāo)

2 路用性能驗(yàn)證

按照選定的級(jí)配C和油石比6.5%成型5種瀝青混合料試件，分別進(jìn)行析漏、肯塔堡飛散、凍融劈裂、車轍、抗滑性能和滲水試驗(yàn)等。

2.1 水穩(wěn)定性

抗水損害性能主要取決于混合料的密實(shí)度和瀝青與集料的黏附性。采用凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性(表6)。由表6可知：4種改性瀝青混合料均具有較好的水穩(wěn)定性能。綜合考慮其改善混合料水穩(wěn)定性的順序?yàn)椋焊邚?高黏>重載>高標(biāo)>70#瀝青。

表6 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從膠結(jié)料角度看影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的因素主要有瀝青對(duì)石料的握裹力和瀝青與石料之間的界面結(jié)合。隨著SBS含量的增大，瀝青對(duì)石料的握裹力增加；高黏、重載和高彈瀝青中都添加了抗剝落劑以提高瀝青與石料之間的界面結(jié)合，這與凍融劈裂試驗(yàn)的結(jié)果一致。

2.2 析漏和飛散試驗(yàn)

采用析漏試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料中多余的自由瀝青數(shù)量，檢驗(yàn)混合料不發(fā)生流淌時(shí)的瀝青用量；采用肯塔堡標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)路面集料脫落散失的程度，檢測混合料不發(fā)生松散時(shí)的瀝青用量，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 多類型瀝青混合料析漏損失值

由圖1、2可知：4類改性瀝青混合料的析漏損失量和飛散損失值均小于70#瀝青，且均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JTG F40—2004)的要求。由圖2可知：擊實(shí)75次或50次，各類瀝青混合料均具有較好的抗飛散性能，說明其抗水損害能力較強(qiáng)。其改善混合料的抗水損害能力：高彈>重載>高標(biāo)>高黏>70#瀝青。SMA瀝青混合料的析漏與飛散損失主要受級(jí)配設(shè)計(jì)影響，與膠結(jié)料的性能關(guān)系較弱。

圖2 不同擊實(shí)次數(shù)下的飛散損失值

2.3 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)SMA-5瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JTG E20—2011)進(jìn)行試件成型與測試，通過動(dòng)穩(wěn)定度來對(duì)其抗車轍能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可以看出：4種改性瀝青混合料的60 ℃和70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度及變異系數(shù)指標(biāo)表明其均具有較好的高溫穩(wěn)定性能，不同改性瀝青具有不同的高溫性能效果。隨著溫度升高、動(dòng)穩(wěn)定度降低，變異系數(shù)增大，但仍滿足要求。高彈瀝青的高分子改性劑含量雖然高，軟化點(diǎn)也高，但針入度高，導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度不如高黏瀝青和重載瀝青。不同瀝青膠結(jié)料的高溫性能改善效果為：高黏>重載>高標(biāo)>高彈>70#瀝青。

表7 車轍動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果

2.4 抗滑性能

SMA-5作為直接與汽車荷載接觸的抗滑表層材料，應(yīng)具有較好的抗滑耐久性即構(gòu)造深度的耐久性，路面的抗滑性能指標(biāo)主要用路面宏觀指標(biāo)的表面紋理深度及微觀指標(biāo)的摩擦系數(shù)來評(píng)價(jià)。采用人工鋪砂法測定構(gòu)造深度和擺式摩擦儀測定擺值，并進(jìn)行抗滑性能分析，結(jié)果如表8所示。

由表8可以看出：在相同的級(jí)配情況下，改性瀝青或基質(zhì)瀝青的構(gòu)造深度和擺值指標(biāo)均滿足指標(biāo)要求。4種改性瀝青混合料的摩擦系數(shù)比70#基質(zhì)瀝青降低12.2%～25.2%，分析認(rèn)為是70#基質(zhì)瀝青的油膜相對(duì)較薄所致。且與日本的粗面型SMA-5的構(gòu)造深度設(shè)計(jì)指標(biāo)0.9 mm以上相比，構(gòu)造深度遠(yuǎn)不滿足實(shí)際工程的需要，故需通過調(diào)整級(jí)配設(shè)計(jì)方法和成型工藝等參數(shù)來獲得最佳的構(gòu)造深度。

表8 抗滑性能檢測結(jié)果

相關(guān)研究及該研究也表明，級(jí)配設(shè)計(jì)方法的選擇也會(huì)對(duì)構(gòu)造深度造成較大的影響。此外，與70#基質(zhì)瀝青混合料相比，4種改性瀝青的SMA-5磨耗層的表面構(gòu)造深度提高幅度較小且相差不大，說明膠結(jié)料類型對(duì)混合料的抗滑性能影響較小，并不能有效改善其抗滑性能。

2.5 滲水試驗(yàn)

控制SMA路面質(zhì)量的關(guān)鍵是確保路面基本不滲水。由滲水試驗(yàn)結(jié)果可知：5種瀝青混合料的滲水指標(biāo)均為零，表明其均有較好的防滲水性能。

2.6 低溫性能

采用混合料低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)其低溫抗裂性能。由于最大公稱粒徑較小，即使采用70#石油瀝青，最大彎曲應(yīng)變也很好。不同瀝青膠結(jié)料的低溫性能改善效果為：高彈>高黏>重載>高標(biāo)>70#瀝青(表9)。

表9 混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)5種瀝青類型的超薄磨耗層SMA-5瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究，得到以下結(jié)論：

(1) 膠結(jié)料類型主要影響SMA-5的高低溫性能和水穩(wěn)定性。析漏、飛散損失、抗滑性能和滲水受膠結(jié)料類型影響較小。

(2) 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，4種改性瀝青混合料均具有良好的路用性能，不同的膠結(jié)料類型有著不同的路用性能效果。綜合各路用性能來看，除車轍性能略有不足外，高彈改性瀝青的路用性能最佳。其順序?yàn)椋焊邚椄男詾r青>重載改性瀝青>高黏改性瀝青>高標(biāo)改性瀝青>70#基質(zhì)瀝青。

(3) 在同一級(jí)配和瀝青用量下，瀝青膠結(jié)料類型并不能有效改善SMA-5的抗滑性能，可能與所用的集料類型、級(jí)配設(shè)計(jì)方法和成型工藝等有關(guān)聯(lián)。

(4) 超薄磨耗層SMA-5的路用性能評(píng)價(jià)結(jié)果，可為不同道路等級(jí)和使用要求的材料選擇提供一些參考。可根據(jù)實(shí)際道路的損害情況、交通荷載和氣候條件等因素選擇合適的瀝青膠結(jié)料。高彈改性瀝青可適當(dāng)降低針入度以更好地適用于超薄磨耗層SMA-5。