摘要：文章采用斜剪切試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及高溫車轍試驗(yàn)對碳化硅超薄吸波磨耗層的力學(xué)性能進(jìn)行探究。結(jié)果表明：因碳化硅具有比普通集料更好的瀝青粘附性能，所以超薄吸波磨耗層具有良好的路用性能，其層厚對其抗剪性能的影響較小，當(dāng)其厚度為10 mm時(shí)，其殘留穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度和劈裂抗拉強(qiáng)度相對于普通瀝青混凝土分別增大了3.8%、18.7%和10.2%。

關(guān)鍵詞：超薄吸波磨耗層；瀝青混凝土；路用性能

中圖分類號(hào)：U416.217" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.005

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0015-03

引言

傳統(tǒng)的路面加熱方式具有加熱不均勻的問題，從而導(dǎo)致路面瀝青老化，降低路面安全性與使用壽命。微波加熱技術(shù)作為綠色環(huán)保的道路加熱概念，其加熱效率快、加熱均勻性高的特點(diǎn)受到了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注［1-2］。與傳統(tǒng)的電加熱方法相比，通?？梢怨?jié)約電費(fèi)30%～50%，節(jié)約92%的成本［3］。

微波加熱的關(guān)鍵在于有效地將熱量集中于路表，以達(dá)到路表快速升溫的目的。然而，當(dāng)前的研究集中在向?yàn)r青混合料中添加粉末或纖維微波吸收材料，以提高路面整體微波吸收效果［4］。路面內(nèi)部的熱量無法及時(shí)傳遞到路面表面，導(dǎo)致升溫速率降低。此外，已有研究證明，減小摻有微波吸收材料的瀝青路面層厚度可以提高路面的微波加熱效率。當(dāng)摻有微波吸收材料的瀝青路面層的厚度減小到原始厚度的1/5時(shí)，路面溫度可以提高37%［5］。以往的研究表明，碳化硅超薄吸波磨耗層可用于瀝青路面微波加熱［6］。然而，目前對超薄吸波磨耗層的研究僅集中在微波加熱性能方面，超薄吸波磨耗層的力學(xué)性能并沒有得到關(guān)注。

超薄吸波磨耗層作為瀝青路面的上面層，在道路服役期間直接與車輛荷載接觸。在路面使用過程中，車輛的摩擦和滾動(dòng)會(huì)在超薄吸波磨耗層與普通路面之間產(chǎn)生層間剪應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生一定程度的層間位移［7］。研究表明，提高薄層罩面與下層路面之間的粘結(jié)力有利于剪切應(yīng)力和壓力在路面結(jié)構(gòu)層之間的傳遞，層間的粘結(jié)程度高，對保證路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有積極的影響［8］。另外，在瀝青道路服役年限中，水是導(dǎo)致路面病害的外部因素之一。尤其對于超薄吸波磨耗層而言，其鋪設(shè)于路面表層，在雨雪天氣時(shí)直接受到雨雪的沖刷作用。當(dāng)水分通過瀝青混凝土的空隙進(jìn)入瀝青混凝土內(nèi)部時(shí)，會(huì)使瀝青混凝土中集料與集料之間的粘結(jié)性變差，從而導(dǎo)致瀝青混凝土在水的侵蝕作用下產(chǎn)生功能性的損失。在高溫天氣下，由于瀝青的流動(dòng)性變強(qiáng)，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度降低到不足以抵抗外部荷載的作用時(shí)，瀝青混合料中的集料會(huì)產(chǎn)生相互滑移，從而使瀝青混合料產(chǎn)生不可逆的塑性變形。因此，檢驗(yàn)超薄吸波磨耗層的高溫抗車轍性能，對保證超薄吸波磨耗層的使用壽命十分重要。

基于以上研究現(xiàn)狀，為了探究超薄吸波磨耗層的路用性能，本文對碳化硅超薄吸波磨耗層的抗剪性能、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性以及低溫性能進(jìn)行了研究。碳化硅超薄吸波磨耗層路用性能的探究可以為其應(yīng)用于路面微波加熱提供進(jìn)一步的技術(shù)支撐。

1原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

本研究采用高黏改性瀝青，其基本性能見表1。試驗(yàn)中采用的集料為石灰?guī)r。微波吸收材料為碳化硅（SiC），其基本性能見表2。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試件制作

試件主要由普通瀝青混合料與碳化硅超薄吸波磨耗層組成，如下頁圖1所示。試件上部為碳化硅超薄吸波磨耗層，碳化硅摻量占集料總量的20%，級(jí)配曲線如圖2所示。下部為AC-13瀝青混合料。對照組試件為采用普通瀝青混合料成型的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。

1.2.2斜剪切試驗(yàn)

參考ASTM C882/C882M規(guī)范［9］，采用層間抗剪切試驗(yàn)對超薄吸波磨耗層與下層瀝青混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行評估。試件具體制作步驟如下：

瀝青路面碳化硅超薄吸波磨耗層路用性能研究/魏玲

（1）在尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的車轍板試件模具中壓實(shí)厚度為50 mm的下層AC-13型瀝青混合料。

（2）在50 mm的下層AC-13型瀝青混合料水平靜置12 h后，在其表面壓實(shí)中層超薄吸波磨耗層。

（3）在超薄吸波磨耗層的表面壓實(shí)上層AC-13型瀝青混合料，上層壓實(shí)完畢后，試件的總厚度為100 mm。

（4）待試件冷卻成型后，采用切割機(jī)將車轍板試件切割成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的抗剪切試驗(yàn)試塊。如圖3所示。

采用式（1）對試件的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以計(jì)算得到的抗剪切強(qiáng)度來評估超薄吸波磨耗層與下層瀝青路面之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

σ=FA（1）

式中：σ——抗剪切強(qiáng)度（MPa）；

F——失效荷載（N）；

A——界面的面積（mm2）。

1.2.3浸水馬歇爾試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)超薄吸波磨耗層受水損害時(shí)抵抗剝落的能力，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)對試件進(jìn)行測試。試件為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。試驗(yàn)時(shí)將試件分為兩組，對兩組試件分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，采用式（2）計(jì)算試件的浸水殘留穩(wěn)定度。

MS0=MS1MS×100（2）

式中：MS0——試件的浸水殘留穩(wěn)定度（%）；

MS1——試件浸水48 h后的穩(wěn)定度（kN）；

MS——試件的穩(wěn)定度（kN）。

1.2.4凍融劈裂試

采用凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)超薄吸波磨耗層的水穩(wěn)定性，并根據(jù)式（3）計(jì)算試件的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比。

TSR=R-T2R-T1×100（3）

式中：TSR——試件的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比（%）；

R-T2——凍融循環(huán)后試件劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；

R-T1——未凍融循環(huán)的試件劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）。

1.2.5車轍試驗(yàn)

為了評價(jià)超薄吸波磨耗層的高溫穩(wěn)定性，本文采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)測試試件的高溫抗車轍能力，并采用式（4）計(jì)算瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度。

DS=t2-t1×Nd2-d1×C1×C2（4）

式中：DS——瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度（次/mm）；

d1——對應(yīng)于時(shí)間t1的變形量（mm）；

d2——對應(yīng)于時(shí)間t2的變形量（mm）；

C1——加載輪往返運(yùn)行方式系數(shù)1.0；

C2——試件系數(shù)1.0；

N——試驗(yàn)輪往返碾壓速度42次/min。

2結(jié)果分析與討論

2.1抗剪性能

如圖4所示為不同層厚時(shí)碳化硅超薄吸波磨耗層的層間抗剪切強(qiáng)度。由圖4可知，當(dāng)碳化硅超薄吸波磨耗層的層厚分別為10 mm、15 mm以及20 mm時(shí)，對應(yīng)組試件的平均抗剪切強(qiáng)度分別為9.61MPa、9.25MPa以及9.56MPa，分別是對照組試件10.37MPa的92.7%、89.2%以及92.2%。從圖4數(shù)據(jù)可以看出，碳化硅超薄吸波磨耗層層厚的變化對試件抗剪切強(qiáng)度的影響不大。隨著層厚的增加，試件的抗剪切強(qiáng)度并沒有明顯的隨層厚變化的趨勢。由此可知，超薄吸波磨耗層的層厚對抗剪切強(qiáng)度的影響并不顯著。

從圖4數(shù)據(jù)還可以得出，層厚為10 mm、15 mm以及20 mm試件的抗剪切強(qiáng)度均滿足規(guī)范（ASTM C882）的要求。另外，值得注意的是，層厚為10 mm、15 mm以及20 mm試件的抗剪切強(qiáng)度分別是規(guī)范要求1.8MPa的5.3倍、5.1倍以及5.3倍。超薄吸波磨耗層試件的抗剪切強(qiáng)度大幅度超過規(guī)范要求的最低值，且相比對照組試件的整體結(jié)構(gòu)，下降幅度很小。因此，超薄吸波磨耗層與下層路面之間有很強(qiáng)的聯(lián)結(jié)，幾乎可以看作一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)。

如圖5所示為碳化硅超薄吸波磨耗層試件剪切破壞時(shí)的形態(tài)。從圖5可以看出，在斜剪切力的作用下，超薄吸波磨耗層與下層普通瀝青混凝土之間發(fā)生了相對位移，從而導(dǎo)致試件在剪切力的作用下失效破壞。同時(shí)，還可以觀察到，在試件破壞時(shí)，超薄吸波磨耗層本身并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞。由此推斷超薄吸波磨耗層本身具有比較好的強(qiáng)度。綜上，在10～20 mm的厚度，超薄吸波磨耗層與下層路面之間的粘結(jié)性能都能滿足服役過程中的使用要求。從施工工藝與經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，本文將碳化硅超薄吸波磨耗層的鋪筑厚度定為10 mm。

2.2水穩(wěn)定性能

2.2.1浸水馬歇爾試驗(yàn)

分別對含有碳化硅超薄吸波磨耗層的瀝青混凝土試件以及普通瀝青混凝土試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，相比普通瀝青混凝土，超薄吸波磨耗層的馬歇爾穩(wěn)定度提高了5.12 kN，浸水后的馬歇爾穩(wěn)定度提高了5.16 kN。另外，超薄吸波磨耗層的殘留穩(wěn)定度相對于普通瀝青混凝土提高了3.5%。因此，超薄吸波磨耗層可以在一定程度上提高瀝青混合料的抗水損害性能。

2.2.2凍融劈裂試驗(yàn)

如表4所示為對兩種瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。由表4可知，碳化硅超薄吸波磨耗層的標(biāo)準(zhǔn)劈裂強(qiáng)度和凍融后劈裂強(qiáng)度都比普通瀝青混凝土的高。另外，碳化硅超薄吸波磨耗層的殘留強(qiáng)度比也能得到一定程度的提高，這與浸水馬歇爾試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果一致，這是因?yàn)橄啾绕胀?，碳化硅顆粒表面具有更多的紋理和開口孔隙，粗糙程度更高。當(dāng)碳化硅與瀝青在高溫下拌和時(shí)，流動(dòng)的瀝青會(huì)進(jìn)入碳化硅顆粒表面的開口孔。當(dāng)溫度降低時(shí)，進(jìn)入碳化硅開口孔中的瀝青會(huì)凝固硬化，從而使碳化硅和瀝青緊密粘結(jié)在一起。因此，相比起普通集料，碳化硅與瀝青的粘附性更好。當(dāng)有水分進(jìn)入瀝青混合料中時(shí)，更好的粘附性能使瀝青不容易從集料表面剝離，由此提高了超薄吸波磨耗層的抗水損害性能。由表3和表4中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，超薄吸波磨耗層的殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比都滿足技術(shù)要求。

2.3高溫抗車轍性能

后頁表5所示為瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果。由表5數(shù)據(jù)可知，碳化硅超薄吸波磨耗層的車轍深度有所降低，在60 min時(shí)的累計(jì)變形量降低了6.9%。除此之外，超薄吸波磨耗層的動(dòng)穩(wěn)定度也有一定程度的增大，相比普通瀝青混合料，超薄吸波磨耗層的動(dòng)穩(wěn)定度增大了18.7%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，碳化硅的摻入提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能，這主要是由于碳化硅具有比普通集料更加粗糙的表面，碳化硅與瀝青之間的粘結(jié)性更好，因此減少了在高溫條件下由于瀝青與集料之間粘結(jié)性的降低而產(chǎn)生的塑性變形。

2.4低溫抗裂性能

后頁表6所示為劈裂試驗(yàn)結(jié)果。從表6數(shù)據(jù)可以看出，相比普通瀝青混合料，[JP3]碳化硅超薄吸波磨耗層的劈裂抗拉強(qiáng)度提高了10.2%。如前所述，相比起普通集料，碳化硅與瀝青之間的粘結(jié)效果更好，因此超薄吸波磨耗層的抗裂性能更好。同時(shí)，碳化硅的表面粗糙、耐磨性好，在瀝青混合料中與其他集料之間的嵌擠作用更強(qiáng)，因而使得瀝青混合料在低溫下更加不易開裂。除此之外，相比起普通瀝青混合料，碳化硅超薄磨耗層的瀝青用量更多。因此，超薄磨耗層中的自由瀝青也更多，更多的自由瀝青使試件在低溫下有更好的柔韌性和抵抗永久變形的能力，有利于提高瀝青混合料的低溫性能［10］。

3結(jié)語

碳化硅超薄吸波磨耗層可以在一定程度上提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、高溫抗車轍性能和低溫抗裂性能。相比起普通瀝青混合料，碳化硅超薄吸波磨耗層的殘留穩(wěn)定度、殘留強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度以及劈裂抗拉強(qiáng)度分別增大了3.8%、7.9%、18.7%以及10.2%。究其原因，主要是碳化硅顆粒具有比普通集料更好的瀝青粘附性能，碳化硅超薄吸波磨耗層的水穩(wěn)定性能、高溫抗車轍性能以及低溫抗裂性能都滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

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作者簡介：魏玲（1984—），工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)管理工作。

收稿日期：2024-05-16