溫拌瀝青混合料薄層罩面路用性能研究

魏婷婷， 郭志堅(jiān)， 李文凱

(1.河南中州路橋建設(shè)有限公司， 河南 周口 466000; 2.中國(guó)河南國(guó)際合作集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450004；3.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450046)

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)主要包括表面封層及罩面兩大類，其中薄層罩面技術(shù)符合中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，具有很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)薄層罩面因結(jié)構(gòu)層厚度較薄、熱拌混合料攤鋪中內(nèi)部熱量散失太快，碾壓不密實(shí)，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。溫拌技術(shù)能降低瀝青路面的施工溫度，將溫拌劑摻入混合料中能降低瀝青黏度，有效解決薄層罩面技術(shù)溫度散失快的問(wèn)題，同時(shí)減少能源消耗。左鋒等分析了溫拌、熱拌混合料的性能及工程應(yīng)用效果差異，指出溫拌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及不足。秦永春等對(duì)溫拌瀝青路面施工中的環(huán)境效益進(jìn)行研究，得出溫拌劑的使用能大幅度減少CO2、SO2等有毒有害氣體排放，與傳統(tǒng)工藝相比節(jié)約能耗20%～30%。郭平等對(duì)不同配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)溫拌混合料宜選用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法，馬歇爾試件毛體積相對(duì)密度峰值時(shí)的擊實(shí)溫度為最佳碾壓溫度。王朝輝等研究發(fā)現(xiàn)Sasobit、Aspha-min、Evotherm、EC120 4種溫拌混合料的施工溫度均能降低30 ℃。該文選用Sasobit、Evotherm、SMA-10溫拌劑進(jìn)行溫拌薄層罩面技術(shù)研究，對(duì)采用溫拌劑推薦摻量的3種混合料進(jìn)行路用性能研究，為溫拌瀝青混合料薄層罩面技術(shù)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料

1.1 溫拌劑

選用德國(guó)Sasd WAX公司生產(chǎn)的Sasobit、美國(guó)Mead-Westvaco公司生產(chǎn)的Evotherm溫拌劑，其外觀見(jiàn)圖1，基礎(chǔ)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

圖1 2種溫拌劑的外觀

表1 Sasobit溫拌劑的基礎(chǔ)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表2 Evotherm溫拌劑基礎(chǔ)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青

瀝青種類及質(zhì)量對(duì)瀝青路面使用性能起著決定性作用。選用SBS I-D聚合物改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 SBS I-D聚合物改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

2 溫拌瀝青試驗(yàn)

2.1 溫拌瀝青制備

將SBS I-D聚合物改性瀝青加熱到160 ℃至完全融化，然后將不同摻量的溫拌劑加入瀝青中，選用適宜的攪拌器進(jìn)行攪拌，制得溫拌改性瀝青。2種溫拌劑的狀態(tài)存在差異，在制作溫拌瀝青的工藝上也有所不同。Sasobit為固體顆粒狀，需分批加入并低速攪拌，無(wú)明顯白色固體漂浮顆粒時(shí)以1 400 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌20 min；Evotherm為液體且有一定的水分，高溫加入時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，SBS瀝青表面無(wú)明顯氣泡時(shí)再將轉(zhuǎn)速提高到700 r/min 攪拌15 min。根據(jù)廠家建議，Sasobit的摻量(占瀝青質(zhì)量)宜為0、1%、2%、3%、4%，Evotherm的摻量(占瀝青質(zhì)量)宜為 0、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。

2.2 針入度

采用針入度表征瀝青黏度，一定溫度條件下針入度越大，瀝青黏度越大，反之越小。不同Sasobit、Evotherm摻量時(shí)SBS瀝青的25 ℃針入度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同溫拌劑摻量時(shí)SBS瀝青的25 ℃針入度

由表4可知：隨著Sasobit、Evotherm摻量的增加，SBS瀝青的針入度降低，其中Sasobit溫拌瀝青的降幅較大，但均滿足不低于4 mm的要求。

2.3 軟化點(diǎn)

瀝青軟化點(diǎn)能間接評(píng)價(jià)瀝青路面的高溫抗車(chē)轍能力，軟化點(diǎn)越高，瀝青路面高溫環(huán)境下抵抗車(chē)輛軸載塑性變形的能力越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的高溫性能越好，反之越差。不同Sasobit、Evotherm摻量時(shí)SBS瀝青的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同溫拌劑摻量時(shí)SBS瀝青的軟化點(diǎn)

由表5可知：隨著Sasobit、Evotherm摻量的增加，SBS瀝青的軟化點(diǎn)升高，但增幅逐漸降低，表明2種溫拌劑的摻入能改性SBS瀝青的高溫穩(wěn)定性；在廠家建議摻量范圍內(nèi)，Sasobit對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的改善效果優(yōu)于Evotherm。

2.4 延度

裂縫是瀝青路面常見(jiàn)病害。溫度降低，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部容許拉應(yīng)力小于溫縮應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)層就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂。瀝青低溫延度決定瀝青路面的低溫抗開(kāi)裂能力，低溫延度越小，瀝青路面抵抗塑性變形的能力越小，反之越大。不同Sasobit、Evotherm摻量時(shí)SBS瀝青的5 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同溫拌劑摻量時(shí)SBS瀝青的5 ℃延度

由表6可知：隨著Sasobit、Evotherm摻量的增加，SBS瀝青的5 ℃延度降低，表明2種溫拌劑的摻入對(duì)SBS瀝青的低溫性能產(chǎn)生了不利影響；在廠家建議摻量范圍內(nèi)，摻入Sasobit時(shí)瀝青延度的降幅高于摻加Evotherm，且Sasobit摻量為4%時(shí)，SBS瀝青的延度低于20 cm，不滿足規(guī)范要求。

2.5 黏度

黏度能表征瀝青混合料的黏結(jié)性能，反映瀝青路面抵抗車(chē)輛塑性變形的能力。相同溫度下，黏度越大，瀝青與骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度越高，瀝青路面耐久性越好。通過(guò)瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)對(duì)不同Sasobit、Evotherm摻量時(shí)SBS瀝青的135 ℃、175 ℃黏度進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同溫拌劑摻量時(shí)SBS瀝青的黏度

由表7可知：相同Sasobit、Evotherm摻量時(shí)，SBS瀝青的黏度隨著試驗(yàn)溫度的升高顯著降低；相同試驗(yàn)溫度下，隨著Sasobit、Evotherm摻量的增加，SBS瀝青的黏度降低，但降幅逐漸減小，且Sasobit、Evotherm摻量分別超過(guò)3%、0.7% 時(shí)，黏度已無(wú)明顯下降趨勢(shì)。

在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中，道路石油瀝青以黏度為(0.17±0.02) Pa·s時(shí)的溫度作為拌合溫度，以黏度為(0.28±0.03 ) Pa·s時(shí)的溫度作為壓實(shí)成型溫度。SBS I-D聚合物改性瀝青的拌合及壓實(shí)成型溫度均顯著大于道路石油瀝青，根據(jù)黏度-溫度曲線關(guān)系，推薦SMA-10+SBS、SMA-10+3%Sasobit、SMA-10+0.7%Evotherm 混合料采用表8所示施工溫度。

表8 瀝青混合料的施工溫度

3 路用性能

3.1 配合比設(shè)計(jì)

瀝青路面薄層罩面結(jié)構(gòu)主要包括連續(xù)級(jí)配、開(kāi)級(jí)配及間斷級(jí)配3種，選用SMA-10間斷級(jí)配類型開(kāi)展溫拌混合料薄層罩面技術(shù)研究。粗骨料采用5～10 mm、3～5 mm玄武巖碎石，細(xì)骨料采用0～3 mm玄武巖機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，其主要技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。木質(zhì)素纖維摻量為0.4%(占混合料質(zhì)量)。由于9.5 mm、4.75 mm篩孔之間間隔較大，增加7.5 mm篩孔。礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表9。SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的馬歇爾及最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表9 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

表10 瀝青混合料馬歇爾及最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果

3.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面是一種柔性結(jié)構(gòu)層，對(duì)溫度較敏感。夏季高溫天氣，瀝青路面內(nèi)部溫度往往高于60 ℃甚至超過(guò)70 ℃，在車(chē)輛軸載尤其是重軸載作用下，瀝青路面會(huì)因塑性變形增強(qiáng)、彈性變形降低而出現(xiàn)車(chē)轍、擁包等病害。車(chē)轍、擁包等病害的出現(xiàn)是瀝青路面高溫抗車(chē)轍能力差的主要表現(xiàn)。分別在60 ℃、70 ℃溫度下對(duì)SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit(簡(jiǎn)稱Sa,下同)、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm(簡(jiǎn)稱Ev,下同)混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其高溫抗車(chē)轍能力，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知：試驗(yàn)溫度為60 ℃、70 ℃ 時(shí)，3種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足1-3區(qū)改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度不低于2 800 次/mm的要求；相同試驗(yàn)溫度時(shí)，SMA-10+3%Sasobit混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大，SMA-10+SBS混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最小；隨著溫度的升高，3種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均降低，SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的降低幅度分別為34.9%、21.1%、26.3%。3種混合料均具有良好的高溫抗車(chē)轍能力，其中SMA-10+SBS+3%Sasobit混合料的高溫性能最優(yōu)。

3.3 水穩(wěn)定性

隨著瀝青路面使用年限的增加，在車(chē)輛軸載、溫縮應(yīng)力、雨水沖刷及紫外線等綜合因素作用下，瀝青逐漸老化，瀝青與骨料之間的黏附性逐漸降低，瀝青膠漿極易在外力作用下從骨料之間剝落，產(chǎn)生松散、坑槽等病害。松散、坑槽等病害的出現(xiàn)是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)。通過(guò)浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)3種混合料的抗水損害能力，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

由圖3、圖4可知：3種混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度滿足1-3區(qū)改性瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度不低于85%的要求，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比滿足1-3區(qū)改性瀝青混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比不低于80%的要求；與SMA-10+SBS相比，SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度分別提高3.5%、2.1%，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比分別提高6.7%、4.3%。表明Sasobi、Evotherm溫拌劑的摻入均能改善混合料的水穩(wěn)定性能，其中SMA-10+SBS+3%Sasobit混合料的水穩(wěn)定性能最優(yōu)。

圖3 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖4 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.4 低溫抗裂性

低溫環(huán)境下，瀝青變得硬而脆，瀝青路面極易在溫縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生輕微開(kāi)裂，這些裂縫如不加以處治就會(huì)惡化成塊狀裂縫甚至龜裂等嚴(yán)重病害。通過(guò)-10 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)3種混合料的低溫抗開(kāi)裂能力，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知：3種混合料的最大彎拉應(yīng)變均滿足1-3區(qū)改性瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變不低于2 500 με的要求； SMA-10+SBS的最大彎拉應(yīng)變最大，SMA-10+SBS+3%Sasobit的最大彎拉應(yīng)變最小，與SBS、SBS+3%Sasobit、SBS+0.7%Evotherm 瀝青5 ℃低溫延度試驗(yàn)結(jié)果相吻合。表明Sasobit、Evotherm 溫拌劑的摻入會(huì)降低混合料的低溫抗開(kāi)裂能力，但降幅不大。

圖5 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.5 疲勞性能

瀝青路面在運(yùn)營(yíng)期間會(huì)長(zhǎng)期受到車(chē)輛軸載的作用，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部長(zhǎng)期處在應(yīng)力、應(yīng)變變化環(huán)境中，當(dāng)車(chē)輛軸載過(guò)大或作用次數(shù)過(guò)多時(shí)，瀝青路面會(huì)因疲勞破壞而產(chǎn)生裂縫。采用UTM-25疲勞試驗(yàn)機(jī)分析混合料的抗疲勞性能。制作長(zhǎng)380 mm×高50 mm×寬63 mm小梁試件，在不同應(yīng)力比時(shí)對(duì)3種混合料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知：隨著應(yīng)力比的增大，SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的疲勞次數(shù)均降低，但降幅逐漸減小；相同應(yīng)力比時(shí)，SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的疲勞次數(shù)最大，SMA-10+SBS混合料的疲勞次數(shù)最小。表明Sasobit、Evotherm 溫拌劑的摻入會(huì)顯著改善混合料的抗疲勞性能，其中SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的抗疲勞性能最好。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)溫拌SBS改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、低溫延度及黏度試驗(yàn)，確定Sasobit、Evotherm溫拌劑的推薦摻量分別為3%、0.7%。

(2) 在Sasobit、Evotherm 溫拌劑推薦摻量下，SMA-10+SBS混合料均表現(xiàn)出較好的高溫抗車(chē)轍及抗水損害能力；溫拌劑的摻入使SMA-10+SBS混合料的高溫及水穩(wěn)定性能得到顯著改善，其中SMA-10+SBS+3%Sasobit混合料的改善效果最優(yōu)。

(3) 在Sasobit、Evotherm 溫拌劑推薦摻量下，SMA-10+SBS混合料的抗疲勞性能得到改善，其中SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的改善效果最優(yōu)；Sasobit、Evotherm溫拌劑的摻入會(huì)降低SMA-10+SBS混合料的低溫抗開(kāi)裂能力，但降幅不大。