高韌低噪超薄磨耗層路用性能研究

喻正軍

(武昌市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430062)

超薄磨耗層作為一種熱拌熱鋪型瀝青混合料，已在道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用多年[1]。它與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料如AC-13、SMA-10等類似，不同之處在于超薄磨耗層一般采用特制的高粘改性瀝青，特殊的級(jí)配設(shè)計(jì)和施工工藝等手段，以期達(dá)到抗滑耐磨耗、防水抗老化以及抗脆性開(kāi)裂等目的。超薄磨耗層因其良好的路用性能而被用于舊路面和新路面的功能層改造[2]。

目前超薄磨耗層在工程應(yīng)用中仍存在很多問(wèn)題：如瀝青膠結(jié)料的粘韌性不足，易使路面發(fā)生滑移和開(kāi)裂；級(jí)配設(shè)計(jì)不合理，造成路面的物理力學(xué)性能下降；施工工藝不規(guī)范，導(dǎo)致鋪設(shè)后的瀝青混合料壓實(shí)度較低等。鑒于此，該文優(yōu)選出合格的原材料，重新設(shè)計(jì)了礦料級(jí)配，從而確定最佳油石比。并對(duì)瀝青混合料的性能進(jìn)行檢測(cè)。

1 原材料檢測(cè)與配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青，粗、細(xì)集料及級(jí)配設(shè)計(jì)

選用特制的高粘高韌復(fù)合改性瀝青，該瀝青的復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)及薄膜烘箱加熱(TFOT殘留物)指標(biāo)均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)對(duì)瀝青性能的要求。集料作為瀝青混合料的主要組成部分，其占比一般在90%以上。集料又有粗集料與細(xì)集料之分，粗集料與細(xì)集料形成的骨架填充結(jié)構(gòu)是瀝青混合料具備路用性能的基礎(chǔ)[3]，所以集料的品質(zhì)類型和組成方式都能對(duì)瀝青混合料的性能產(chǎn)生很大的影響[4]。該文所述超薄磨耗層的粗集料選擇玄武巖，產(chǎn)地為湖北省京山縣。超薄磨耗層所用細(xì)集料也選用湖北京山縣生產(chǎn)的玄武巖石屑。填料選用石灰?guī)r礦粉，產(chǎn)地為湖北省京山縣。依據(jù)級(jí)配設(shè)計(jì)理論，針對(duì)超薄磨耗層瀝青混合料的礦料粒徑較小，無(wú)法很好的形成密實(shí)型結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，提出在9.5 mm篩孔和4.75 mm篩孔之間增加一個(gè)7.0 mm篩孔篩網(wǎng)的想法，提出一種新的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，稱為UTWL(Ultra-thin Wearing Layer)設(shè)計(jì)法。此法由于增加了一檔篩網(wǎng)，所以能更合理的控制級(jí)配曲線，進(jìn)而可以有效避免瀝青混合料在拌合后粗集料分布不均，相互之間的接觸點(diǎn)減少，影響瀝青混合料整體框架結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。依據(jù)礦料篩分結(jié)果設(shè)計(jì)出的超薄磨耗層級(jí)配組成如表1所示。

表1 超薄磨耗層級(jí)配組成 w/%

1.2 確定最佳瀝青用量

最佳瀝青用量是用瀝青膜的厚度和目標(biāo)空隙率來(lái)確定的。相關(guān)文獻(xiàn)表明，超薄磨耗層的最佳瀝青膜厚度為10 μm[5]。當(dāng)設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率為3%時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)首先成型五組瀝青混合料，其油石比分別設(shè)定為6.5%、6.8%、7.1%、7.4%、7.7%，然后根據(jù)體積密度、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、瀝青膜厚度等公式，確定超薄磨耗層的最佳瀝青用量，最后運(yùn)用謝倫堡析漏實(shí)驗(yàn)和肯塔堡飛散實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。依據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的相關(guān)試驗(yàn)，測(cè)定和計(jì)算出的瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，當(dāng)毛體積密度最大值對(duì)應(yīng)的油石比為a1=6.8%，穩(wěn)定度最大值對(duì)應(yīng)的油石比為a2=7.1%，目標(biāo)空隙率中值對(duì)應(yīng)的油石比為a3=7.1%，瀝青飽和度范圍中值a4=7.1%，計(jì)算出a1、a2、a3、a4的平均值，記為OAC1≈7.1%。然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選出符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最大油石比OCAmax=7.2%，最小油石比OCAmin=6.9%，計(jì)算OCAmax、OCAmin的平均值，記為OCA2≈7.1%。最后計(jì)算OCA1和OCA2的均值，記為OCA≈7.1%，OCA的值就是超薄磨耗層瀝青混合料的最佳瀝青用量，即最佳油石比為7.1%。根據(jù)7.1%的油石比和上文中給定的級(jí)配來(lái)制備馬歇爾試件，并對(duì)合格的試件進(jìn)行析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證級(jí)配設(shè)計(jì)與瀝青用量的合理性與否[6]，測(cè)試得到析漏試驗(yàn)結(jié)果為0.046%，飛散損失為3.26%，析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)小于技術(shù)要求，證明UTWL-8超薄磨耗層瀝青混合料具備良好的物理力學(xué)性能。

2 超薄磨耗層路用性能研究

2.1 超薄磨耗層的高溫穩(wěn)定性

我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中，采用車轍試驗(yàn)來(lái)測(cè)定瀝青混合的高溫性能?？紤]到超薄磨耗層所使用的是超粘高韌性復(fù)合改性瀝青，所以安排進(jìn)行60 ℃、70 ℃這兩個(gè)溫度指標(biāo)的車轍動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試，以此來(lái)綜合評(píng)價(jià)超薄磨耗層的高溫性能。按照規(guī)范JTG E20—2011中規(guī)定的車轍試件制作與測(cè)試方法，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行不同溫度的高溫性能測(cè)試，測(cè)試得到60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度平均值為8 662次/mm，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度平均值為4 666次/mm，超粘高韌性瀝青超薄磨耗層混合料的60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度和70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度均符合技術(shù)要求，這說(shuō)明此種瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，滿足超薄磨耗層在高溫條件下使用時(shí)仍能具備良好路用性能的設(shè)計(jì)要求。

2.2 超薄磨耗層的低溫抗裂性

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范JTG E20—2011中，采用小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定瀝青混合料的低溫性能。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，超薄磨耗層瀝青混合料的小梁試件在破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量都符合相關(guān)技術(shù)要求，說(shuō)明此瀝青混合料具備優(yōu)異的抗開(kāi)裂能力和低溫性能。

2.3 超薄磨耗層的水穩(wěn)定性及凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0709所述的方法制作出6個(gè)合格的瀝青混合料馬歇爾試件，并將其隨機(jī)分為兩組，其中一組放于(60±1)℃恒溫水浴中浸泡30～40 min，然后測(cè)其穩(wěn)定度；另一組放(60±1)℃的恒溫水浴中浸泡48 h，然后測(cè)其穩(wěn)定度。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，超薄磨耗層瀝青混合料的馬歇爾試件30 min和48 h的穩(wěn)定度和流值都滿足目標(biāo)技術(shù)要求，殘留穩(wěn)定度達(dá)到92.18%，表明超薄磨耗層具有良好的抗水損壞的能力。

我國(guó)通常采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)測(cè)定瀝青混合料的低溫水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，高度合格的馬歇爾試件在測(cè)試載荷值與劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)，均符合設(shè)計(jì)要求，通過(guò)公式計(jì)算得出的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比也滿足技術(shù)要求，說(shuō)明該文所述的超薄磨耗層瀝青混合料具備優(yōu)異的低溫水穩(wěn)定性能。

3 結(jié) 論

a.運(yùn)用瀝青混合料的體積設(shè)計(jì)法，重新設(shè)計(jì)了UTWL-8超薄磨耗層的級(jí)配組成，依據(jù)理論公式計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，確定了超薄磨耗層的最佳油石比，并檢驗(yàn)其合理性。

b.超薄磨耗層瀝青混合料在進(jìn)行路用性能測(cè)試時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)全部符合技術(shù)要求，其中瀝青混合料的60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度大于8 000次/mm，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度大于4 000次/mm，低溫彎拉微應(yīng)變大于3 000，殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比均大于85%，800應(yīng)變水平時(shí)的疲勞壽命大于100萬(wàn)次。表明超薄磨耗層具有良好的高溫抗車轍能力、低溫抗開(kāi)裂能力、抗水損害能力及抗疲勞破壞能力等路用性能。