超薄磨耗層高黏高彈瀝青混合料性能研究

張彩利, 李天豪, 丁維哲, 王亦飛, 楊鳳雷, 孟慶營

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津 300401; 2. 天津市交通工程綠色材料技術(shù)工程中心, 天津 300401; 3.廣東交科技術(shù)研發(fā)有限公司, 廣州 510420; 4.天津市凱曼德工程技術(shù)有限公司, 天津 300450)

超薄磨耗層通過在原路面攤鋪厚度不超過2.5 cm的熱拌瀝青混合料,起到修補(bǔ)中輕度裂縫、改善抗滑性能等作用。超薄磨耗層屬于非結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)技術(shù),側(cè)重于恢復(fù)路表功能而不強(qiáng)求提升路面結(jié)構(gòu)承載能力,超薄磨耗層技術(shù)能夠有效減緩原路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度衰減,延長路面使用壽命,符合當(dāng)前道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)需求[1-3]。

由于超薄磨耗層攤鋪厚度僅為常規(guī)瀝青路面厚度的1/4～1/3,集料粒徑更小且所提供的路表構(gòu)造深度更淺,在承受行車荷載時(shí),其內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力更大,且瀝青膠結(jié)材料性能受限,應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)反射裂縫、脫皮、推移等病害[4],為改善超薄磨耗層功能屬性,中外道路工作者進(jìn)行了一系列嘗試。

Cui等[5]重點(diǎn)研究超薄磨耗層UTWC-10(ultra-thin wearing course with nominal maximum size of 10 mm)的高溫穩(wěn)定性與抗滑性衰減趨勢。以主骨料填充法CAVF(course aggregate void filling)進(jìn)行級配設(shè)計(jì)并在4.75～9.5 mm增設(shè)8 mm和6.7 mm兩個(gè)篩孔,通過與OGFC-7(open graded friction course with nominal maximum size of 7 mm)和超薄磨耗層開級配(NovaChip-B)的比較,發(fā)現(xiàn)UTWC-10動穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于OGFC-7和NovaChip-B,且 UTWC-10抗滑衰減性能最好,OGFC-7最差。關(guān)博文等[6]對鍛燒鋁礬土超薄磨耗層的路用性能及長期抗滑性能進(jìn)行了研究。邱懷中等[7]采用玄武巖和3種鋼渣制備了4種超薄磨耗層SMA-5(stone mastic asphalt with nominal maximum size of 5 mm)混合料,并對其路用性能進(jìn)行分析,研究表明鋼渣在超薄磨耗層中的應(yīng)用能顯著提升混合料的抗滑性能和高溫穩(wěn)定性能,不會對其水穩(wěn)定性能和低溫性能造成實(shí)質(zhì)性不利影響。成高立等[8]分析了礦料級配對超薄罩面UTFC-10(ultra-thin friction course with nominal maximum size of 10 mm)高溫性能的影響,通過正交實(shí)驗(yàn)分析了各篩孔通過率與空隙率、穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的關(guān)系,提出了各篩孔通過率的取值范圍。李亞龍等[9]采用多碎石瀝青混合料SAC級配設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了超薄磨耗層用SAC-5瀝青混合料,并分析了空隙率對混合料路用性能的影響。朱振祥等[10]采用高黏彈苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene, SBS)改性瀝青設(shè)計(jì)了SMA-5瀝青混合料,將該瀝青混合料用于超薄磨耗層。陳樂平等[11]對比分析了3種高黏瀝青的路用性能,并將其應(yīng)用于超薄罩面瀝青混合料中。賀玉瑩等[12]為進(jìn)一步提升材料的黏結(jié)能力與耐久性,研發(fā)出一種高黏改性劑,使用該改性劑與SBS改性瀝青在合理剪切工藝下,制備出一種高黏改性瀝青,并對其高低溫性能進(jìn)行了研究。Li[13]探究了SBS/廢橡膠粉復(fù)合改性瀝青的配方,從性價(jià)比的角度確定膠粉用量為15%,SBS改性劑為2%的復(fù)合改性瀝青。重點(diǎn)探究復(fù)合改性橡膠瀝青耐磨層ARAC-5(asphalt-rubberized asphalt concrete with nominal maximum size of 5 mm)的降噪性能。

上述研究表明,瀝青膠結(jié)料性能的提升和混合料級配的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以改善超薄磨耗層的路用性能,為此,借鑒SAC級配設(shè)計(jì)方法,以骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),采用高黏高彈改性瀝青,對超薄磨耗層用瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì),以延長超薄磨耗層的使用壽命。同時(shí),分析不同級配、瀝青含量及粉膠比對高黏高彈瀝青混合料路用性能的影響,并確定相應(yīng)的合理范圍,為骨架密實(shí)型高黏高彈瀝青混合料在超薄磨耗層的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 原材料

采用自行研制的高黏高彈改性瀝青,各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。粗集料選用內(nèi)蒙赤峰產(chǎn)玄武巖,細(xì)集料為產(chǎn)自唐山的石灰?guī)r,填料選用石灰?guī)r礦粉,礦料基本指標(biāo)如表2、表3所示。

表1 高黏高彈瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 High-viscosity and high-elastic asphalt technical indicators

表2 集料性質(zhì)Table 2 Aggregate properties

表3 礦粉性質(zhì)Table 3 Mineral powder properties

1.2 高黏高彈瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

超薄磨耗層攤鋪厚度一般不大于25 mm,為保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗滑性能,通常采用粗集料斷級配的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。多碎石瀝青混合料SAC級配中,4.75 mm以上粗集料占比達(dá)60%～70%,但針對超薄磨耗層而言,4.75～9.5 mm檔集料粒徑范圍太大,原材料變異性增大直接造成集料的顆粒組成和力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,不僅影響混合料各項(xiàng)性能,同時(shí)增加施工難度。對此本研究級配設(shè)計(jì)時(shí)在4.75～9.5 mm新增7 mm與8 mm控制篩孔以減小級配范圍,確定公稱最大粒徑為7 mm,以8 mm為集料最大粒徑確保攤鋪厚度不大于15 mm。

SAC級配設(shè)計(jì)公式為

(1)

式(1)中:Pdi為篩孔尺寸di的通過量,%;Dmax為礦料的最大粒徑,mm;di為某篩孔尺寸,mm;A、B為系數(shù)。

SAC級配設(shè)計(jì)時(shí)常采用3個(gè)控制點(diǎn),即公稱最大粒徑的通過率,粒徑4.75 mm與0.075 mm通過率。統(tǒng)一擬定7 mm篩孔通過率為95%,以礦粉填充骨架空隙的目的,將0.075 mm篩孔通過率設(shè)為8%,4.75 mm篩孔通過率分別設(shè)置為30%、35%和40%,得到粗、中、細(xì)3條級配,稱為級配一、級配二、級配三。聯(lián)立方程求解未知數(shù)A、B得到方程,隨后將各粒徑帶入便可得到各篩孔通過率,以級配一4.75 mm篩孔以下集料為例,將4.75 mm篩孔通過率30%和0.075 mm篩孔通過率8%代入式(1)得

(2)

聯(lián)立方程解得:A=30,B=0.318 617 3,可得細(xì)集料計(jì)算公式為

(3)

將各個(gè)篩孔代入式(3)計(jì)算便可得到各篩孔通過率,同理可得級配二與級配三各檔集料通過率。超薄磨耗層瀝青混合料級配如表4所示。

表4 超薄磨耗層瀝青混合料級配Table 4 The gradation of ultra-thin wearing course asphalt mixture

為保證集料骨架之間充分黏結(jié),提高超薄磨耗層使用壽命,本研究小粒徑骨架密實(shí)型瀝青混合料采用高瀝青用量設(shè)計(jì),初擬油石比為7.3%,進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。其中礦料加熱溫度為200 ℃,瀝青加熱溫度為185 ℃,拌和溫度≥180 ℃,擊實(shí)溫度170～180 ℃,雙面擊實(shí)50次,3種級配馬歇爾數(shù)據(jù)及搗實(shí)狀態(tài)下骨架間隙率(VCADRC)如表5所示。

表5 高黏高彈瀝青混合料馬歇爾技術(shù)指標(biāo)Table 5 Marshall technical indicators of high-elastic and high-viscosity asphalt mixture

由表5可以看出,3種級配均滿足VCAmix≤VCADRC,表明3種級配瀝青混合料均屬于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。為量化級配之間骨架嵌擠程度,采用劉中林提出的石石接觸度(stone-on-stone contact, SSC)指標(biāo)來表征粗集料骨架密實(shí)性,具體計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[14],計(jì)算得到各級配SSC如表5所示,可以看出,3種級配SSC均大于90%,屬于緊排骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),其中,級配一～級配三骨架密實(shí)程度依次降低,級配一骨架密實(shí)程度最好,結(jié)合各項(xiàng)馬歇爾體積參數(shù)可以看出級配一～級配三,毛體積密度逐漸增大,空隙率逐漸下降,級配二與級配三空隙率在3%～4%,整體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。由于提高4.75 mm篩孔通過率,級配中細(xì)集料逐漸增多,對集料骨架空隙的填充作用更明顯,瀝青膠漿對集料骨架的黏結(jié)作用加強(qiáng),從而使馬歇爾穩(wěn)定度上升,但集料骨架之間嵌鎖力下降一定程度上導(dǎo)致流值增大。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 車轍試驗(yàn)

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性通常以車轍試驗(yàn)來評價(jià)。采用輪碾成型儀成型標(biāo)準(zhǔn)車轍板塊試件,隨后在常溫環(huán)境中放置不少于12 h,試驗(yàn)開始前將試件連同試模一起放在恒溫箱中,在試驗(yàn)溫度下保溫至少5 h后開始試驗(yàn)。每一組試驗(yàn)至少制備3塊車轍板,確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異系數(shù)小于20%時(shí),取其平均值為最終結(jié)果。

1.3.2 低溫彎曲試驗(yàn)

應(yīng)用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評價(jià)混合料的低溫性能,以最大彎拉應(yīng)變與彎曲勁度模量為評價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)儀器為MTS萬能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)過程及試件分別如圖1和圖2所示。

圖1 低溫彎曲試驗(yàn)圖Fig.1 Low temperature bending test

圖2 低溫彎曲試件Fig.2 Low temperature bending test piece

1.3.3 疲勞試驗(yàn)

采用以應(yīng)變控制的矩形梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行疲勞性能評價(jià),試驗(yàn)儀器為MTS萬能試驗(yàn)機(jī),四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)試件如圖3所示。具體試驗(yàn)步驟為:按照輪碾成型的方法成型瀝青混合料板塊試件,隨后將其切割成尺寸為380 mm(長)×63 mm(寬)×50 mm(高)的試件,待試件室內(nèi)常溫環(huán)境下自然晾干后,將試件放入15 ℃的試驗(yàn)箱中至少4 h后進(jìn)行試驗(yàn)。應(yīng)用恒應(yīng)變控制的模式,加載頻率為10 Hz,在應(yīng)變水平為1 000 με時(shí)開始試驗(yàn),以第50次加載循環(huán)時(shí)的勁度模量為初始勁度模量,當(dāng)勁度模量下降為初始勁度模量的50%時(shí)終止試驗(yàn),以試驗(yàn)終止時(shí)的荷載循環(huán)次數(shù)為該試件的疲勞壽命,采用疲勞壽命評價(jià)瀝青混合料疲勞性能。

圖3 四點(diǎn)彎曲疲勞試件Fig.3 Four-point bending fatigue test piece

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫性能

2.1.1 級配對高溫性能影響

針對3種級配瀝青混合料,在油石比7.3%條件下,分別進(jìn)行60 ℃車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 3種級配高黏高彈瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Rutting test results of three kinds of gradation high viscosity and high elasticity asphalt mixture

從表6可以看出:高黏高彈瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫抗變形能力,3種級配混合料動穩(wěn)定度均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的3 000 次/mm,其中級配三動穩(wěn)定度最大,達(dá)到9 350 次/mm,級配二稍差,級配一最小。對于高黏高彈瀝青混合料而言,粗集料骨架嵌擠程度與動穩(wěn)定度之間并不呈正相關(guān)關(guān)系。分析其原因可能是,首先,3種瀝青混合料均為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),且均為緊排骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),此時(shí)骨架嵌擠程度不再是影響混合料動穩(wěn)定度的決定因素;其次,車轍變形屬于材料的黏性變形,改善瀝青黏度有助于提高混合料動穩(wěn)定度,高黏高彈瀝青自身具有足夠的黏度,溫度敏感性低,對集料嵌擠點(diǎn)的穩(wěn)固約束作用更明顯,因此混合料抗剪切能力更好。最后,級配一～級配三瀝青混合料的空隙率逐漸下降,試件內(nèi)部顆粒間的接觸點(diǎn)越多,綜合強(qiáng)度越高,在承受輪碾荷載時(shí)車轍形變量更小,動穩(wěn)定度越大。

2.1.2 溫度變化對高溫性能影響

針對3種級配瀝青混合料,分別在60、80 ℃進(jìn)行車轍試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下動穩(wěn)定度Fig.4 Dynamic stability at different temperatures

由圖4可知,隨著試驗(yàn)溫度升高,級配一～級配三的動穩(wěn)定度分別下降了28.6%、28.2%、37.0%,但在80 ℃時(shí)3種級配混合料動穩(wěn)定度均大于5 500 次/mm,表明高黏高彈瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫抗變形性能。研究表明,瀝青混合料抗車轍性能由集料之間的嵌鎖力和瀝青的黏聚力構(gòu)成,集料間嵌鎖力隨溫度變化較小,而瀝青的黏聚力隨溫度升高而下降明顯,對瀝青混合料抗車轍性能的貢獻(xiàn)大幅減小,溫度超過軟化點(diǎn)之后,混合料抗車轍性能主要依靠集料之間的嵌鎖力提供[15]。因此,高溫條件下,采用高軟化點(diǎn)瀝青膠結(jié)料可以有效提高混合料抗車轍變形能力。本研究使用的高黏高彈瀝青PG高溫等級為PG88,軟化點(diǎn)為97.8 ℃,在80 ℃時(shí),瀝青尚未達(dá)到軟化點(diǎn)而具有較好的黏聚力,且骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)使集料骨架具有良好的嵌鎖力,因此骨架密實(shí)型高黏高彈瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高溫性能。

2.1.3 瀝青用量對高溫性能的影響

在60 ℃試驗(yàn)條件下,以級配三瀝青混合料為對象,改變油石比分別進(jìn)行車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 瀝青用量對高溫性能的影響Fig.5 Influence of asphalt content on high temperature performance

從圖5可以看出,高黏高彈瀝青混合料動穩(wěn)定度隨油石比呈凸拋物線變化,油石比為7.6%時(shí)達(dá)到峰值。表明針對高黏高彈瀝青混合料而言,在油石比7.6%時(shí),瀝青對集料骨架的約束能力最強(qiáng),混合料高溫性能最好。此后繼續(xù)增大油石比,集料表面自由瀝青對骨架的潤滑作用越明顯,集料顆粒間的內(nèi)摩擦阻力降低,導(dǎo)致瀝青混合料在承受輪碾荷載時(shí)抗變形能力明顯下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)濟(jì)角度考慮,建議高黏高彈瀝青混合料油石比不大于7.9%。

2.1.4 密實(shí)度對高溫性能影響

通過改變碾壓次數(shù)得到不同空隙率的車轍試件并進(jìn)行60 ℃車轍實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖6所示。

圖6 密實(shí)度對高溫性能影響Fig.6 Influence of compactness on high temperature performance

由圖6可知,隨著輪碾次數(shù)增加,試件空隙率降低,動穩(wěn)定度增加。當(dāng)輪碾次數(shù)從4次上升到8次時(shí),空隙率下降最明顯,從8次提升到12次時(shí),動穩(wěn)定度增加最明顯,此后增加輪碾次數(shù)對動穩(wěn)定度提升較小,此時(shí)空隙率在3%～4%,高黏高彈瀝青混合料綜合高溫性能最優(yōu)。高黏高彈瀝青混合料經(jīng)初步壓實(shí)便具有良好的高溫穩(wěn)定性,當(dāng)輪碾4次時(shí),試件動穩(wěn)定度便達(dá)到7 800 次/min。這首先是因?yàn)楦唣じ邚棡r青混合料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),粗集料占總集料的70%以上且粗集料粒徑相對均勻,有利于在初步壓實(shí)后便形成密實(shí)骨架;其次高黏高彈瀝青對集料骨架的約束作用更強(qiáng),因此混合料在承受車輪荷載時(shí)抗變形能力更好。

2.1.5 粉膠比對高溫性能影響

車轍試件碾壓成型過程中碾壓次數(shù)為8次。通過調(diào)整0.075篩孔通過率來改變粉膠比,0.075 mm篩孔通過率為8%、6%、4%、2%時(shí),粉膠比約為1.33、1.01、0.68、0.35。不同粉膠比高黏高彈瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 粉膠比對高溫性能的影響Fig.7 Influence of filler-asphalt ratio powder to rubber ratio on high temperature performance

由圖7可知,高黏高彈超薄瀝青混合料動穩(wěn)定度隨粉膠比降低呈現(xiàn)出凸拋物線變化,但總體動穩(wěn)定性變化幅度較小,表明粉膠比變化對高黏高彈瀝青混合料高溫性能影響較小。粉膠比變化對動穩(wěn)定度的影響體現(xiàn)在膠漿中瀝青性質(zhì),在最佳粉膠比之前,增大粉膠比會促使礦料表面的自由瀝青轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)瀝青,結(jié)構(gòu)瀝青可以提供較強(qiáng)的黏結(jié)力和穩(wěn)定性,改善瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性。但粉膠比過大,多余的礦粉反而起到阻隔作用,膠漿中瀝青相對含量變小,瀝青膠漿對集料骨架的約束作用減小導(dǎo)致混合料動穩(wěn)定度下降。試驗(yàn)表明,當(dāng)粉膠比為1.0時(shí),高黏高彈瀝青混合料高溫性能最好。

2.2 低溫性能

2.2.1 級配對低溫性能影響

針對3種級配瀝青混合料在-10 ℃溫度下進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),結(jié)果如表7所示。

表7 3種級配瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 7 Low temperature bending test data of three gradation asphalt mixtures

從表7可以看出,高黏高彈瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性,3種混合料彎拉應(yīng)變均大于2 800 με,其中級配一混合料的彎拉應(yīng)變最大,級配二表現(xiàn)最差。原因在于相同瀝青用量下,級配一～級配三瀝青混合料的瀝青膜厚度依次遞減,較厚的瀝青膜厚度有助于改善瀝青混合料柔韌性,提高低溫性能;級配一～級配三的骨架嵌擠程度依次減弱,在承受荷載破壞時(shí),嵌擠骨架一定程度上有助于消耗荷載傳遞;級配一內(nèi)部微空隙發(fā)達(dá),應(yīng)力松弛能力更強(qiáng),因此,級配一瀝青混合料低溫性能最好。

2.2.2 瀝青用量對低溫性能影響

以級配三為對象,對不同瀝青用量下的高黏高彈瀝青混合料進(jìn)行低溫性能試驗(yàn),結(jié)果如圖8所示。

圖8 瀝青用量對低溫性能影響Fig.8 Impact of asphalt content on low temperature performance

由圖8可知,隨著油石比的增加,高黏高彈瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變逐漸增加,彎曲勁度模量總體呈現(xiàn)減小趨勢。油石比從7.0%逐步增加到7.9%的過程中,最大彎拉應(yīng)變分別增加了13.6%、29.9%和18.9%,彎曲勁度模量先增加了1.9%,隨后分別降低了29.1%和10.5%,說明增加瀝青用量可以提高混合料低溫性能,且當(dāng)油石比從7.3%增加到7.6%時(shí),低溫性能提升最明顯。原因是增加瀝青用量會提高裹覆于集料表面的瀝青膜厚度,使瀝青混合料具有更好的柔韌性和抗沖擊性,在承受荷載破壞時(shí)彎拉應(yīng)變增大。綜合不同瀝青用量下的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果及考慮經(jīng)濟(jì)角度,建議高黏高彈超薄瀝青混合料最佳油石比為7.6%。

2.2.3 粉膠比對低溫性能影響

固定油石比為7.3%,不同粉膠比下級配三瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 粉膠比對低溫性能的影響Fig.9 Influence of filler-asphalt ratio on low temperature performance

由圖9可知,隨著粉膠比降低,高黏高彈瀝青混合料在承受低溫彎曲破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變提升,彎曲勁度模量下降,抗彎拉強(qiáng)度下降。原因在于粉膠比降低,瀝青膠漿中結(jié)構(gòu)瀝青減小,瀝青膠漿流動性和柔性提高,因此混合料在低溫時(shí)的柔韌性增大。通過對比不同粉膠比下高黏高彈瀝青混合料的低溫性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)混合料在具有高強(qiáng)度時(shí),材料自身抗變形能力減小。當(dāng)粉膠比在1.0時(shí),高黏高彈瀝青混合料兼具高強(qiáng)度與大變形能力,綜合低溫性能表現(xiàn)最佳。

2.3 水穩(wěn)定性

2.3.1 級配及油石比對殘留穩(wěn)定度影響

對不同瀝青用量下的3種級配瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn),結(jié)果如圖10所示。

圖10 瀝青用量及級配變化對殘留穩(wěn)定度的影響Fig.10 Effects of asphalt content and gradation changes on residual Stability

由圖10可以看出,高黏高彈瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性,3種級配殘留穩(wěn)定度均大于85%,原因在于高黏高彈瀝青混合料整體密實(shí)度較大,且具有較厚的瀝青膜裹覆于集料骨架,其集料表面瀝青膜厚度約為10 μm,均展現(xiàn)出良好的抗水損害能力。

3種高黏高彈瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度隨著油石比的增加而提高。相同瀝青用量下,級配三混合料的殘留穩(wěn)定度最大,級配一稍差,級配二最小。因?yàn)樵黾訛r青用量,混合料內(nèi)部空隙被瀝青膠漿進(jìn)一步填充,裹覆于集料表面瀝青膜厚度增加,在浸水環(huán)境下瀝青-集料界面的抗水損害能力加強(qiáng)。其中級配三混合料空隙率最小,水分對集料表面瀝青膜的侵蝕作用效果最小,因此抗水損害能力最好。

2.3.2 粉膠比對凍融劈裂強(qiáng)度影響

固定油石比為7.3%,對級配三瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn),結(jié)果如圖11所示。

RT1為瀝青混合料試件在常規(guī)條件下的劈裂強(qiáng)度,MPa;RT2為試件經(jīng)過凍融循環(huán)后在規(guī)定條件下的劈裂強(qiáng)度,MPa;TSR為瀝青混合料試件的凍融劈裂強(qiáng)度比,%圖11 粉膠比對凍融劈裂強(qiáng)度的影響Fig.11 Effect of filler-asphalt ratio on freeze-thaw splitting strength

從圖11可知,降低粉膠比,高黏高彈瀝青混合料凍融前劈裂強(qiáng)度下降,而凍融后劈裂強(qiáng)度與凍融劈裂強(qiáng)度比均隨礦粉用量減少呈凸拋物線變化,在0.075 mm篩孔通過率為6%,即粉膠比約為1.0時(shí)出現(xiàn)峰值。從凍融劈裂試驗(yàn)可知,高黏高彈瀝青混合料抗凍融循環(huán)能力在粉膠比為1.0時(shí)最好,結(jié)合浸水馬歇爾試驗(yàn),建議高黏高彈瀝青混合料粉膠比范圍控制在0.8～1.2,此時(shí)混合料的水穩(wěn)定性能最好。

2.4 抗疲勞性能

采用應(yīng)變控制的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),對3種級配高黏高彈瀝青混合料耐疲勞性進(jìn)行評價(jià),結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同級配疲勞壽命Fig.12 Fatigue life of different gradation levels

從圖12可知:相同試驗(yàn)條件下,不同級配類型混合料的疲勞壽命差異較大。級配一～級配三疲勞壽命依次增加,級配三混合料的疲勞壽命超過2×105,是級配一疲勞壽命的3.3倍,是級配二疲勞壽命的2.1倍,級配三混合料的抗疲勞性能最好。一般而言,瀝青混合料的疲勞壽命隨混合料空隙率的降低而顯著增長[16]。空隙率越大,混合料內(nèi)部的空隙和微裂縫就越多,在荷載反復(fù)作用下微裂縫越能快速擴(kuò)展破壞,使其疲勞性能降低。3種混合料的初始勁度模量從級配一到級配三依次增大,級配二與級配三混合料的初始勁度模量相較于級配一分別增加了10.6%和19.2%。這是因?yàn)閺募壟湟坏郊壟淙?瀝青混合料的密實(shí)度依次加大,抵抗荷載的能力也依次加強(qiáng),因此初始勁度模量依次增加。

2.5 抗滑、抗?jié)B性能

分別采用手工鋪砂法和滲水試驗(yàn)測定超薄磨耗層的構(gòu)造深度和滲水系數(shù),結(jié)果如表8所示。

表8 構(gòu)造深度和滲水系數(shù)Table 8 Structural depth and seepage coefficient

由表8可知,得益于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu),3種級配設(shè)計(jì)的超薄磨耗層具有良好的抗滑性能,均滿足構(gòu)造深度不小于0.55 mm的規(guī)范要求,級配一粗集料含量最多,抗滑性能最好。3種混合料抗?jié)B性能差別巨大,級配一滲水系數(shù)最大,級配二滲水很小,級配三幾乎不滲水。由于級配一空隙率最大且內(nèi)部空隙相互連通,表現(xiàn)出良好的排水性能,其滲水系數(shù)大于《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)要求的80 mL/min[17],不滿足高等級路面建造要求,可用于公園路面或城市排水路面等其他以迅速排水為目的的路面;級配二與級配三空隙率較小,其中級配三基本上不滲水,表現(xiàn)出優(yōu)良的抗?jié)B性能,滿足高等級路面抗?jié)B要求。

3 結(jié)論

借鑒SAC級配,采用高黏高彈改性瀝青為膠結(jié)料研制骨架密實(shí)型高黏高彈瀝青混合料,致力于減少超薄磨耗層早期病害,提高其使用壽命。得出如下主要結(jié)論。

(1)骨架密實(shí)型高黏高彈瀝青混合料表現(xiàn)出良好的路用性能,其中高溫性能優(yōu)勢明顯,在水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗滑性方面表現(xiàn)良好,可用于高等級路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程。

(2)在4.75～9.5 mm篩孔增設(shè)7、8 mm篩孔,不僅可以降低超薄磨耗層攤鋪厚度,同時(shí)確保粗集料更加均勻,有利于骨架結(jié)構(gòu)的形成與抗車轍能力的提升。

(3)當(dāng)SSC>90%時(shí),骨架嵌擠程度不再是決定骨架密實(shí)型高黏高彈瀝青混合料高溫性能的最關(guān)鍵因素,而是受瀝青性能與空隙率等因素綜合作用的影響。

(4)建議用于超薄磨耗層的骨架密實(shí)型高黏高彈瀝青混合料油石比為7.3%～7.9%,最佳粉膠比在0.8～1.2,此時(shí)混合料綜合性能最優(yōu)。

(5)應(yīng)變水平1 000 με的條件下,骨架密實(shí)型高黏高彈瀝青混合料疲勞壽命可達(dá)2×105次以上,具有良好的抗疲勞性能,有助于延長超薄磨耗層使用壽命。