古燈華,張江飛,衣路野,潘海賓,伍輝明

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)試驗(yàn)室,廣西 南寧 53007;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 53007)

0 引言

瀝青路面在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下,其行車(chē)道輪跡帶部位易產(chǎn)生永久變形,變形達(dá)到一定程度就會(huì)產(chǎn)生車(chē)轍病害,嚴(yán)重威脅高速公路瀝青路面的服役性能和行車(chē)安全,此病害在交通量和載重高的濕熱地區(qū)表現(xiàn)更為突出[1]。根據(jù)近些年的工程實(shí)例應(yīng)用效果,車(chē)轍病害也是水泥混凝土瀝青加鋪(白加黑)復(fù)合式路面的典型病害之一,通常采用銑刨重鋪的方式來(lái)解決[2]。當(dāng)工程維護(hù)經(jīng)費(fèi)有限,路面銑刨重鋪厚度有限時(shí),對(duì)瀝青加鋪材料的性能和配合比組成設(shè)計(jì)提出了較高的要求,既要求材料具有良好的密實(shí)性,又要求其具有較強(qiáng)的高溫抗剪切能力。

路面用瀝青混合料的高溫抗剪切能力主要由瀝青膠結(jié)料自身粘結(jié)力和礦料間顆粒的嵌擠力決定,瀝青黏度相對(duì)增大時(shí),瀝青膠結(jié)料與石料間的粘結(jié)力就越強(qiáng),從而提升瀝青混合料的抗剪切能力,增強(qiáng)路面的高溫穩(wěn)定性。在大多工況條件下,依靠現(xiàn)有成品瀝青難以滿足要求,需摻加適量功能型添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)[3]。大量研究表明[4-8],在瀝青中摻入一定量的高粘劑,可增強(qiáng)瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)力和高溫穩(wěn)定性,其在排水瀝青混合料中的應(yīng)用技術(shù)相當(dāng)成熟,但是缺乏在間斷級(jí)配瀝青混合料中應(yīng)用研究。針對(duì)廣西某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中路面車(chē)轍病害問(wèn)題,本文提出在銑刨重鋪試驗(yàn)段瀝青混合料類(lèi)型選用SMA-13間斷級(jí)配,在優(yōu)選原材料和優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,摻入4%(瀝青質(zhì)量的)高粘劑,通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、普通車(chē)轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、路面車(chē)轍深度試驗(yàn)和漢堡車(chē)轍試驗(yàn),對(duì)兩種瀝青及瀝青混合料的性能進(jìn)行分析,研究高粘劑的摻入對(duì)其室內(nèi)試驗(yàn)性能和施工試驗(yàn)段應(yīng)用性能的影響,為高粘劑在瀝青路面車(chē)轍病害處置工程中的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)級(jí)配

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

試驗(yàn)采用殼牌SBS(Ⅰ-D)改性瀝青,其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS(Ⅰ-D)技術(shù)性能指標(biāo)表

1.1.2 集料

輝綠巖碎石產(chǎn)于貴港,礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)加工而成,其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2和表3。

表2 輝綠巖集料的技術(shù)指標(biāo)表

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)表

1.1.3 高粘劑

采用湖南某公司生產(chǎn)的高粘劑,摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的4%。摻入瀝青中的具體方法為:將SBS(Ⅰ-D)改性瀝青加熱至180 ℃,加入一定質(zhì)量的高粘劑;攪拌均勻后,調(diào)整剪切機(jī)速率為4 500 r/min,180 ℃溫度條件下剪切30 min;剪切后,將試樣放在180 ℃的烘箱內(nèi)發(fā)育30 min,即制備得到加入高粘劑的改性瀝青(TS)。高粘劑摻入瀝青混合料中的具體方法為:將高粘劑和集料一起加入拌和鍋中,拌和90 s后,再加入SBS改性瀝青拌和90 s,最后加入礦粉拌和90 s。

1.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

采用混合料級(jí)配類(lèi)型為SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13,油石比為5.7%,摻入高粘劑的混合料中木質(zhì)纖維摻量為0.3%(占瀝青混合料質(zhì)量的比例,下同),未摻高粘劑的混合料中木質(zhì)纖維摻量為0.35%。礦料級(jí)配組成見(jiàn)表4。

表4 SMA-13礦料組成設(shè)計(jì)結(jié)果表

2 室內(nèi)試驗(yàn)性能研究

2.1 高粘劑對(duì)瀝青性能的影響

2.1.1 動(dòng)態(tài)流變性能

制取SBS、TS的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)試樣,設(shè)置試驗(yàn)溫度為52 ℃～82 ℃(間隔6 ℃),對(duì)試樣進(jìn)行溫度掃描,對(duì)比分析短期老化前后兩種瀝青的相位角δ和車(chē)轍因子G*/sinδ變化情況,從而分析兩種瀝青的高溫流變性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 兩種瀝青老化前后相位角值隨溫度變化曲線圖

由圖1知,未老化前,TS相位角遠(yuǎn)小于SBS改性瀝青,高粘劑的摻入使瀝青受到應(yīng)力作用,材料的可恢復(fù)變形與不可恢復(fù)變形之間的相對(duì)比例增大,增加了瀝青的彈性成分,使其在荷載作用下的高溫抗變形能力增強(qiáng)。短期老化后,TS高溫相位角值顯著增大,表明高粘劑的加入使SBS改性瀝青的熱穩(wěn)定性有所降低。從圖2可以看出,在64 ℃溫度條件下,不同狀態(tài)下兩種瀝青的車(chē)轍因子大小順序?yàn)?TS短期老化后>SBS短期老化后>TS原樣>SBS原樣,高粘劑的摻入提高了瀝青的高溫抗變形能力;短期老化后,TS和SBS的車(chē)轍因子值分別是其原樣瀝青的1.8倍和1.2倍,這表明短期老化作用使得瀝青的車(chē)轍因子值增大,TS受短期老化作用的影響較大,但未改變其高溫PG分級(jí)溫度等級(jí),均為76 ℃。

圖2 兩種瀝青老化前后車(chē)轍因子隨溫度變化曲線圖

2.1.2 低溫彎曲蠕變性能

設(shè)置試驗(yàn)溫度為:-12 ℃、-18 ℃,采用彎曲梁流變儀測(cè)試兩種瀝青樣品的低溫蠕變性能。表5為SHRP評(píng)價(jià)方法(取第60 s的勁度模量S與蠕變速率m作為PG性能試驗(yàn)分級(jí)的依據(jù))中瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果。

表5 SBS(Ⅰ-D)和TS低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表

由表5可知,在溫度為-12 ℃時(shí),相對(duì)于SBS,TS的蠕變勁度模量S值減小28%,表明高粘劑有助于改善瀝青低溫松弛能力,提高其低溫抗裂性。同種溫度條件下,兩種瀝青樣品的蠕變速率變化較小,其低溫PG分級(jí)溫度等級(jí)(-22 ℃)一致,故高粘劑的摻入對(duì)瀝青低溫性能影響甚微。

2.2 高粘劑對(duì)混合料性能的影響

2.2.1 普通車(chē)轍性能

制備兩種瀝青混合料SMA-13,成型車(chē)轍板試件進(jìn)行普通車(chē)轍試驗(yàn),試樣尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,試驗(yàn)溫度分別為60 ℃±1 ℃和70 ℃±1 ℃,動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下兩種瀝青混合料的車(chē)轍性能對(duì)比柱狀圖

從圖3可以看出,瀝青種類(lèi)和溫度對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響顯著,相對(duì)于SBS(Ⅰ-D)改性瀝青混合料,60 ℃溫度條件下,TS的動(dòng)穩(wěn)定度值增大了52%,70 ℃溫度條件下,TS的動(dòng)穩(wěn)定度值增大了18%,TS瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值比較高。但隨著溫度升高,兩種瀝青混合料間的動(dòng)穩(wěn)定度差距減小,這表明高粘劑的摻入可提高瀝青混合料的高溫抗變形能力,但對(duì)于服役溫度比較高的地區(qū),其提升能力減弱。

2.2.2 混合料水損壞性能

分別對(duì)兩種改性瀝青混合料SMA-13進(jìn)行殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),分別以殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性能,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 兩種瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果表

表7 兩種瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表

由表6可知,60 ℃水浴養(yǎng)生后,TS瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度高于SBS,相同體積指標(biāo)條件下,在60 ℃恒溫水槽浸水48 h后,兩種瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度值相近。這是由于熱氧老化作用使得瀝青中輕質(zhì)組分揮發(fā),黏度增大,從而提高了瀝青混合料的抗變形能力,導(dǎo)致混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度常>100%,故高粘劑的摻入對(duì)瀝青混合料的高溫抗水損能力影響甚微。

從表7可以看出,真空飽水后,于-18 ℃低溫和60 ℃高溫條件下凍融前后,SBS改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度均小于TS,這是因?yàn)閾接懈哒硠┑臑r青混合料中,膠結(jié)料與石料的粘附性較大,提高了瀝青混合料抵抗凍融循環(huán)下的水損壞能力,且其凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比也顯著提高,表明高粘劑對(duì)瀝青混合料的低溫抗水損壞性能的提升作用是顯著的。

3 施工應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

在廣西某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中,原有路面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土,改擴(kuò)建工程在原有路面上加鋪三層改性瀝青路面層:上面層是厚度為4 cm的SMA-13,中面層是厚度為6 cm的AC-20C,下面層是厚度為9 cm的ATB-25,總厚度為19 cm。某標(biāo)段路面修筑通車(chē)后半年,第四行車(chē)道出現(xiàn)嚴(yán)重車(chē)轍病害。調(diào)查發(fā)現(xiàn),車(chē)轍問(wèn)題主要是中面層瀝青混合料抗車(chē)轍性能不足導(dǎo)致,且病害處于一直發(fā)展?fàn)顟B(tài)。根據(jù)該路段車(chē)轍深度具體情況,提出處理方案:第四車(chē)道中車(chē)轍病害深度<10 mm的路段不做處理;車(chē)轍病害深度>10 mm的路段,銑刨后重新鋪筑,具體方案由試驗(yàn)段情況確定。為提升路面抗車(chē)轍能力,在優(yōu)選原材料和優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,在原設(shè)計(jì)SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13中摻入少量高粘劑來(lái)提升其整體抗車(chē)轍能力,最終確定試驗(yàn)段具體銑刨和重鋪方案為:選取典型段落,將原有車(chē)轍病害路面銑刨4 cm和6 cm厚度后,分別鋪筑SBS和TS改性瀝青混合料SMA-13。

3.2 試驗(yàn)路驗(yàn)證

3.2.1 路面車(chē)轍深度

在試驗(yàn)段落重鋪開(kāi)放交通后的一個(gè)月和三個(gè)月,經(jīng)歷夏季最高溫的氣候條件后,使用多功能檢測(cè)車(chē)分別檢測(cè)試驗(yàn)路段的車(chē)轍深度情況,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 銑刨重鋪典型試驗(yàn)路段通車(chē)后車(chē)轍情況表

由上頁(yè)表8可知,K2068+677～K2068+854和K2068+915～K2069+200試驗(yàn)段在通車(chē)一個(gè)月后,產(chǎn)生了較小的深度變化,這是由于改建工程鋪筑后即開(kāi)放交通,在重車(chē)荷載作用下二次壓密導(dǎo)致的,故在全段落處理車(chē)轍病害時(shí),建議封閉交通一周以上再開(kāi)放。通車(chē)三個(gè)月后,相對(duì)于通車(chē)一個(gè)月時(shí),K2068+677～K2068+854路段的整體車(chē)轍深度比K2068+915～K2069+200段顯著增大,這表明高粘劑的摻入對(duì)提升路面抗永久變形的能力是有益的;K2061+350～K2061+650路段整體車(chē)轍深度變化較為明顯,在長(zhǎng)大縱坡段,雖然考慮特殊路段對(duì)抗車(chē)轍能力的高要求,銑刨厚度增加至6 cm,但試驗(yàn)段抗車(chē)轍效果并不理想,證明對(duì)于特殊路段路面抗車(chē)轍能力要求較高時(shí),要確保一定的路面厚度,才能保證其性能需求。

3.2.2 漢堡車(chē)轍性能

為模擬瀝青混合料在高溫多雨地區(qū)行車(chē)荷載下的性能表現(xiàn),采用漢堡車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)兩種瀝青混合料路面芯樣抗水損和高溫變形的能力。其中漢堡車(chē)轍試驗(yàn)停止的條件為:(1)碾壓次數(shù)達(dá)到20 000次;(2)試件變形深度達(dá)到15 mm。本研究中,在試驗(yàn)路段,使用直徑為150 mm的鉆芯機(jī),分別鉆取SBS和TS改性瀝青混合料鋪設(shè)路段路面芯樣,試驗(yàn)室切取芯樣上面層4 cm厚度后制備成漢堡車(chē)轍試件,設(shè)置水浴溫度為50 ℃,采用德國(guó)INFRATEST公司產(chǎn)20-4000型漢堡車(chē)轍儀進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)路段兩種瀝青混合料的漢堡車(chē)轍性能對(duì)比曲線圖

從圖4可以看出,兩種瀝青混合料的漢堡車(chē)轍均在碾壓達(dá)到20 000次后,試驗(yàn)停止;50 ℃水浴環(huán)境條件和鋼輪作用碾壓狀態(tài)下,車(chē)轍深度均<5 mm,表明施工鋪筑后的兩種材料具有較高的抗車(chē)轍和水損壞能力。隨著碾壓次數(shù)的增加,TS改性瀝青混合料的車(chē)轍變形速率較小,變化趨勢(shì)較為平緩,而SBS改性瀝青混合料車(chē)轍深度變化幅度較大;在碾壓次數(shù)達(dá)到20 000次時(shí),SBS改性瀝青混合料的車(chē)轍變形深度為3.5 mm,TS改性瀝青混合料的車(chē)轍變形深度為2.7 mm,高粘劑的摻入有利于提升瀝青混合料抗車(chē)轍和抗水損能力。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)高粘劑的摻入增大了瀝青中的彈性成分,使得瀝青的高溫抗變形能力增強(qiáng),但在一定程度上降低了SBS改性瀝青的熱穩(wěn)定性。

(2)在瀝青混合料中摻入高粘劑,可顯著提高其高溫抗車(chē)轍和抗水損性能,但對(duì)于服役溫度比較高的地區(qū),其高溫性能提升幅度減弱。

(3)對(duì)于高速公路改擴(kuò)建工程路面病害的維修,銑刨重鋪后要封閉交通后一周以上再開(kāi)放。

(4)高速公路路面車(chē)轍病害處理時(shí),特殊路段要確保結(jié)構(gòu)層具有一定的銑刨層厚度,才能發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢(shì)。

(5)高粘劑應(yīng)用于瀝青路面車(chē)轍病害處置時(shí),其經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)摻量方案還有待進(jìn)一步深入研究。