2024-01-09
 
高粘高弹超薄沥青混合路用性能试验研究
2024年01月09日   阅读量:88877

摘要:

针对超薄沥青混合料磨耗层因厚度薄、粒径小导致的开裂、推移等问题,首先,利用高粘高弹改性沥青以及优化混合料级配等方式制备了高粘高弹超薄沥青混合料;其次,考虑温度、级配及沥青用量等因素,采用高温车辙、低温小梁弯曲、浸水马歇尔等试验分析了不同因素对其高低温、水稳定性等性能的影响。结果显示:温度对高粘高弹超薄沥青混合料稳定性影响显著。当试验温度从 60 ℃升到 80 ℃时,三种级配动稳定度下降约 20% ~ 35% 沥青网sinoasphalt.com。与 SMA⁃10相比,采用高粘高弹改性沥青制备的高粘高弹超薄沥青混合料的低温性能更优。油石比从 7. 0% 逐步增加到 7. 9% 的过程中,最大弯拉应变分别增加了 13. 4% 、30. 1% 和 18. 8% 。当粉胶比在 0. 8 左右时,其低温性能表现最佳。在油石比7. 6% 时水稳定性提升最明显;粉胶比在 1 附近时抗冻融效果最好。综合路用性能及经济成本等因素,建议高粘高弹超薄沥青混合料最佳油石比为 7. 6% 。


关键词:超薄沥青混合料 高粘高弹 路用性能 抗裂性 预防性养护


0 引言


截至 2022 年底,全国公路里程 535. 48 万 km。公路养护里程 535. 03 万 km,占公路总里程的 99. 9% 。公路养护任务愈发繁重,公路工程重心面临由“新建”到“建养并重”的转变。合理的预防性养护措施对公路技术状况水平和服务质量的重要性日益凸显。在此背景下,以雾封层、微表处及功能性罩面为代表的预防性养护技术得到广泛研究并应用[1 - 3]。超薄磨耗层是指厚度在 15 ~ 25 mm 厚的沥青磨耗层,主要适用于公路预防性养护。超薄磨耗层可快速修复轻度车辙、裂缝、松散等病害,兼有改善路表抗滑、减少水雾等优点。因其厚度较薄,成本优势也较为明显。但超薄沥青混合料因其公称粒径小、摊铺厚度薄存在易发生疲劳开裂、脱皮等问题[4 - 5]。为解决上述问题,国内外众多学者尝试通过提升沥青胶结料的黏度来改善超薄沥青混合料的路用性能。高磊等[6]采用树脂、橡胶油等对 70 号基质沥青进行了复合改性,研究了复合高粘高弹改性沥青胶浆的三大指标。张争奇等[7]采用聚氨酯与 SBS 等材料,利用共混复合改性技术制备了 SBS⁃PU 高粘高弹沥青。高粘高弹沥青在提升沥青黏度,改善超薄沥青混合料路用性能方面表现出较大的潜力。但从优化混合料级配角度方面提升其路用性能研究较少。


因此,本研究拟采用由 SBS、橡胶粉、增溶剂等改性剂制备高粘高弹改性沥青胶结料,并通过优化混合料级配,以提升超薄沥青混合料高低温路用性能,为高粘高弹超薄沥青混合料的设计及工程应用提供有益参考。


1 原材料


1. 1 高粘高弹改性沥青


高粘高弹改性沥青通常是在基质沥青中添加增溶剂、稳定剂、胶粉等改性剂后经搅拌、剪切等工艺发育得到一种性能更优的改性沥青。规范[8] 建议薄层罩面类养护技术宜采用高粘改性沥青。


本研究采用的高粘高弹沥青产自天津。技术指标见表 1 所示。


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表 1 技术要求参照《公路沥青路面施工技术规范》和《高粘高弹道路沥青》中相关规定[9 - 10]。


1. 2 集料


粗集料采用玄武岩,产自保定满城。细集料选用石灰岩机制砂,产自河北唐山。


粗、细集料性质应满足相关规范要求[11],具体指标见表 2 所示。


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1. 3 矿粉


矿粉对沥青具有强吸附能力,其用量是影响沥青膜厚度的关键因素。本研究使用的矿粉产自唐山,由石灰岩磨细后得到。


1. 4 级配设计


目前,沥青混合料的设计通常采用最大密度级配曲线理论[12 - 13]。但设计过程容易导致混合料骨架结构性低带来混合料高温性能较差,在重载交通作用下易产生车辙等问题[14 - 15]。因此,本文在分析超薄沥青磨耗层性能特征基础之上,借鉴 SAC 级配设计方法开展级配设计。即以最大公称粒径通过率、4. 75 mm、0. 075 mm 筛孔通过率三项指标作为主要控制指标,对超薄沥青混合料级配进行优化设计。


综合 SAC 设计优点,拟定 7 mm 筛孔通过率为95% ;将 0. 075 mm 筛孔通过率设为 8% ;以 4. 75 mm 筛孔通过率作为关键筛孔,通过率分别设置为 30% 、35%和 40% ,得到粗、中、细三条级配,分别用级配 A、级配 B与级配 C 表示。级配数据见表 3。


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2 试验


采用车辙试验、低温弯曲试验等室内试验,系统对比温度、沥青用量、粉胶比、级配等因素对其路用性能的影响。


2. 1 高温车辙试验


采用高温车辙试验所得动稳定度和车辙深度评价沥青混合料高温性能。主要考虑级配类型、沥青用量等因素对其高温性能的影响。


试件尺寸 300 mm × 300 mm × 50 mm,试验温度选取 60 ℃ 、80 ℃两个,轮压 0. 7 MPa。


2. 2 低温抗裂性试验


采用沥青混合料低温弯曲试验所获最大弯拉应变与弯曲劲度模量来评价混合料的低温性能。当抗弯拉强度一定时,弯拉劲度模量越小,则混合料低温抗裂性能越优。


试件采用轮碾成型棱柱体,尺寸 250 mm × 30 mm ×35 mm,跨径 200 mm,试验温度 - 10 ℃ 。仪器为 IPCglo⁃bal 公司的 MTS 万能试验机。


2. 3 水稳定性试验


采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验对试样进行水稳定性评价。试验过程中考虑级配类型、沥青用量等作为影响其性能的变量。


两种试验均采用南京拓兴 DF 型沥青混合料稳定度测定仪,夹具不同。


3 试验结果与分析


3. 1 高温稳定性


3. 1. 1 温度对高温性能的影响


固定油石比为 7. 3% 成型车辙试件,分别在 60 ℃与 80 ℃进行车辙试验,试验结果如图 1 所示。


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(1)由图 1 可知,三种级配的动稳定度指标,随温度的升高均呈下降趋势。当试验温度从 60 ℃ 升到 80 ℃时,混合料级配 A、B、C 动稳定度分别下降 28. 1%、28. 2%、36. 8%,从车辙深度与动稳定度下降幅度分析,级配 B混合料下降最小,高温敏感性最低。


(2)相比 60 ℃ 、80 ℃ 时 3 种级配混合料的动稳定度有所下降,但均大于 5 500 次/ mm,仍高于规范要求。说明采用高粘高弹沥青制备的超薄沥青混合料高温抗变形性能有所提升。分析其主要原因为:一方面温度的升高会促使沥青胶浆更易流动,粘聚力下降;因此致使沥青混合料动稳定数据下降;另一方面,采用胶粉、增溶剂制备的高粘高弹沥青对基质沥青进行了复合改性,提高了沥青的软化点,使得其在高温状态下,相比普通沥青仍然具有较高的粘聚力,高温性能提升。


3. 1. 2 沥青用量对高温性能的影响


试验温度设定为60 ℃,以级配 C 混合料为研究对象,改变油石比分别进行车辙试验,试验结果如图 2 所示。


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由图 2 可以看出,高粘高弹超薄沥青混合料动稳定度随油石比呈凸抛物线变化,在油石比 7. 6% 时达到峰值,此后动稳定度随油石比的增加逐渐下降。说明该沥青混合料的最佳沥青用量为 7. 6% 。在此油石比条件下,沥青对集料的约束能力最强,沥青的粘聚力和集料之间的嵌挤力最佳,沥青混合料高温性能最好。3. 2 低温抗裂性能


3. 2. 1 级配对低温性能的影响


参考已有试验数据和经验,将最佳油石比固定为7. 3% ,变换级配类型,并以 SMA⁃10 作为对比试验,试验结果见图 3。


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由图 3 分析可知:


(1)上述 4 种级配类型中,粗型级配 A 沥青混合料在低温弯曲破坏时弯拉应变最大,弯曲劲度模量最小,低温性能最好,级配 B 次之,SMA⁃10 低温性能相对最差。


(2)在 3 种高粘高弹超薄沥青混合料中,级配 A 混合料最大弯拉应变最大,劲度模量最小,低温性能最好;级配 B 混合料的最大弯拉应变最小。分析其主要原因为:相同油石比下,级配 A 混合料的沥青膜厚度最大,较厚的沥青膜厚度提高了沥青与骨料之间的粘聚力,有助于改善混合料柔韧性,提高其低温抗裂性能。结构方面,级配 A 为粗型、级配 C 为细型混合料级配,级配A 的骨架嵌挤作用更明显。在承受荷载破坏时,更强的嵌挤骨架一定程度上有助于消耗荷载传递。因此,粗型级配A混合料低温性能最好。


3. 2. 2 沥青用量对低温性能的影响


以级配 C 混合料为研究对象,改变沥青用量进行低温弯曲试验。试验结果见图 4。


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由图 4 可以看出:随着油石比的增加,高粘高弹超薄沥青混合料的最大弯拉应变逐渐增加,弯曲劲度模量总体呈现减小趋势。油石比从 7. 0% 逐步增加到 7. 9%的过程中,最大弯拉应变分别增加了 13. 4% 、30. 1% 和18. 8% ,弯曲劲度模量则呈现先升再降的趋势。这说明增加沥青用量可以提高混合料低温性能,且当油石比用量从 7. 3% 增加到 7. 6% 时,低温抗裂性能提升最明显。分析其原因主要为:沥青用量的增加会提高集料表面沥青膜厚度,促使沥青混合料具有更好的柔韧性,在承受荷载破坏时弯拉应变增大。当油石比持续增大时,沥青混合料中沥青量出现过剩,部分沥青用量流动性增加,抗裂性能提升反而不明显。因此,建议高粘高弹超薄沥青混合料最佳油石比为 7. 6% 。


3. 2. 3 粉胶比对低温抗裂性的影响


选择级配 C 混合料作为研究对象,固定油石比为7. 3% ,分析不同粉胶比对沥青混合料低温性能的影响。试验结果见图 5。


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由图 5 分析可知:(1)随着粉胶比提升,高粘高弹超薄混合料的最大弯拉应变逐渐下降,弯曲劲度模量逐渐提升,即低温抗裂性能增强。


(2)当粉胶比在 0. 8 左右时,高粘高弹沥青混合料兼具高强度与大变形能力,综合低温性能表现最佳。3. 3 水稳定性


3. 3. 1 浸水马歇尔试验


对级配 A、B、C 三种高粘高弹超薄沥青混合料分别进行浸水马歇尔试验,以残留稳定度作为评价指标,试验结果如图 6 所示。


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由图 6 可知,同一级配之间,3 种级配混合料的残留稳定度均随油石比的增加而提高。主要原因为沥青用量的增加使得混合料内部空隙被沥青胶浆进一步填充,同时提高了集料表面沥青油膜厚度,沥青 - 集料界面的抗水损害能力得到加强。


3 种级配相比,级配 C 混合料的残留稳定度最大,级配 B 最小。主要原因为:不同级配沥青混合料的设计空隙率不同。由于高粘高弹沥青用量大,3 种级配的混合料均裹覆较厚的沥青膜。在此基础上,级配 C 混合料空


隙率最小,浸入混合料内部的水分最少,水分对集料表面沥青膜的侵蚀作用效果最小,因此抗水损能力最优。3. 3. 2 冻融劈裂试验结果


以级配 C 混合料为研究对象,分别变化沥青用量、粉胶比,进行冻融劈裂试验,分析沥青用量、粉胶比对其冻融劈裂强度的影响,试验结果如图 7、图 8 所示。


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由图 7 可知,增加沥青用量有助于提高高粘高弹超薄沥青混合料冻融劈裂强度比。油石比小于 7. 6% 时,TSR 随沥青用量增加显著,当油石比从 7. 6% 增加到7. 9% 时,TSR 仅提升 0. 6% 。说明油石比达到 7. 6% 之后,单纯通过增加沥青用量对混合料水稳定性的提升效果不明显。分析主要原因为集料表面已经具有足够厚度的沥青膜。结合试验,建议高粘高弹沥青混合料油石比应不大于 7. 9% 。


由图 8 可知,高粘高弹超薄沥青混合料的 TSR 随粉胶比变化呈抛物线形状。在粉胶比为 1(筛孔通过率为6% )时,其抗冻融循环能力最优。结合浸水马歇尔试验,建议高粘高弹沥青混合料粉胶比范围控制在 0. 8 ~1. 2。


4 结论


(1)温度对高粘高弹超薄沥青混合料稳定性影响显著。当试验温度从 60 ℃升到 80 ℃ 时,3 种级配动稳定度下降约 20% ~ 35% 。级配 B 动稳定度下降最小,高温性能最优。级配 C 试验结果表明:沥青混合料动稳定度随油石比呈凸抛物线变化,在油石比 7. 6% 时达到峰值。


(2)与 SMA⁃10 相比,高粘高弹超薄沥青混合料的低温性能更优。不同级配类型的高粘高弹超薄沥青混合料,粗型级配 A 的低温性能最优。主要原因为粗型级配的骨架嵌挤作用更明显。一定程度上在承受荷载破坏时,更有利于荷载的传递和消耗。


(3)随着油石比的增加,高粘高弹超薄沥青混合料低温抗裂性能提高。油石比从 7. 0% 增加到 7. 9%的过程中,最大弯拉应变分别增加了 13. 4% 、30. 1%和 18. 8% 。综合路用性能及经济成本等因素,建议高粘高弹超薄沥青混合料最佳油石比采用 7. 6% 。


(4)浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果表明,级配越细、空隙率越小,混合料的水稳定性越优。增加沥青用量有助于提升其残留稳定度和冻融劈裂强度比。在油石比 7. 6% 时水稳定性最优;粉胶比在 1 时抗冻融效果最优。


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