考慮抗滑的超薄罩面橡膠改性瀝青混合料組成及性能研究

紀軼來 關若愚 欒 揚 孟會林,3 王笑森

(1.石家莊市公路服務保障中心 石家莊 050000; 2.河北省交通規劃設計研究院有限公司 石家莊 050000; 3.公路建設與養護技術、材料及裝備行業研發中心 石家莊 050091)

我國長期“重建輕養”的工作重心使得在公路養護方面的技術儲備較為薄弱,養護管理任務越發艱巨。伴隨著大量早期修建的公路陸續進入到改擴建及大中養護階段,國家對于公路養護投資的規模也在逐漸加大,公路管理也逐漸由“以建代養”轉而向“建養并重”靠攏,公路基礎設施的維修養護也逐漸成為公路行業重點發展方向之一[1-2]。

目前,我國干線公路病害處治措施主要包括霧封層、碎石封層、稀漿封層、微表處、超薄及薄層罩面等。其中,超薄罩面以平整、舒適、耐用的特點成為應用最廣的養護措施,可對路面各類病害進行綜合處治,優勢明顯,具備較高的研究價值。超薄罩面養護技術是通過加鋪一層厚度不超過2.5 cm的薄層瀝青混合料對路面表面功能進行恢復,使用較多的罩面瀝青混合料類型主要有Novachip、SMA-10、AC-10、SAC-10、SMA-5等,在以上技術應用推廣過程中也發現了一定的不足,主要表現為:環境、荷載雙重作用下過快的功能特性衰減和專用設備及材料造價的限制[3-4]。

考慮超薄罩面的舒適性和降噪性,本文以油膜較厚的橡膠改性瀝青混合料為研究對象,充分借鑒多級嵌擠密實級配設計方法,擬選用旋轉壓實儀(PCG)開展混合料組成設計研究,設計過程充分平衡各體積指標對路用性能的影響,同時重視抗滑性能的保障。而后通過與其他超薄罩面類型混合料開展性能對比研究,探究不同罩面類型混合料之間的性能差異,體現本技術優勢。同時,為豐富養護技術選擇及提高橡膠改性瀝青混凝土超薄罩面建設水平提供必要的支撐。

1 試驗設計

1.1 原材料

依據不同罩面類型需求,試驗選用70號基質瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青三種,依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行瀝青試驗[5],主要技術指標檢測結果見表1。粗集料采用玄武巖,粒徑分別為5～10和3～5 mm;細集料為0～3 mm機制砂;填料為磨細的石灰巖礦粉。各原材料均滿足相應的技術指標要求。

表1 瀝青主要性能指標測試結果

1.2 分界篩孔及集料最大公稱粒徑確定

超薄罩面層厚度與瀝青混合料集料最大公稱粒徑的匹配性決定著路面的穩定性能和使用性能,國內外大量研究表明,不同礦料級配類型下的超薄層罩面結構厚度與集料最大公稱粒徑之比存在差異,對于骨架密實型級配,鋪層厚度與最大公稱粒徑之比通常規定為2∶1～3∶1[6]。鑒于超薄罩面層的厚度介于15～25 mm之間,其中通過實體工程調研發現,厚度在20～25 mm之間的占到了70%以上,因此本研究罩面層厚度選用2.5 cm,橡膠改性瀝青混合料組成設計為斷級配骨架密實型,宜選用的集料最大公稱粒徑為10 mm,將9.5 mm篩孔作為最大粒徑篩孔,綜合考慮超薄罩面瀝青混合料的特殊性及4.75～9.5 mm集料粒徑間距較大,易導致粗集料級配失控,影響抗滑性能,故增設7.2 mm篩孔為控制篩孔,以便后續材料組成設計工作的開展。

粗細集料分界篩孔組成的確定關系著超薄罩面作為表面層的抗滑性能需求。綜合比較適用于本研究的代表性設計方法,貝雷法[7]取PCS與NMAS之比為0.22,林繡賢[8]在考慮已有經驗的基礎上,將PCS與NMAS之比定為0.25。基于此,本文將2.36 mm篩孔作為粗細集料的分界篩孔。

1.3 瀝青混合料級配設計

將石料篩分為7.2～9.5,4.75～9.5,2.36～4.75以及0～2.36 mm的單檔集料,采用分級摻配,使用PCG旋轉壓實儀運行25轉。選擇所設計瀝青混合料中粒徑較大的2檔集料,將7.2～9.5 mm粗集料作為骨架顆粒,用4.75～9.5 mm檔集料填充,按不同摻配比例完成填充試驗,選擇最小值對應的摻配比例為一級摻配,采用2.36～4.75 mm集料進行下一級填充試驗,結果見圖1。

圖1 粗集料分級摻配填充試驗結果

由圖1可知,粒徑較大2檔集料摻配比例為5∶5時骨架結構達到最佳密實狀態,II級填充在集料摻配比例為7∶3時骨架間隙率達到最低值,但該值與摻配比例為10∶0時的密實狀態差別不大,為保證瀝青路面抗滑特性,盡可能滿足路面表層構造深度,級配設計過程中,可減少2.36～4.75 mm集料的使用,實現斷級配骨架效果。

粒徑較大2檔集料按5∶5摻配比例,控制2.36 mm篩孔通過率為24%,26%,28%分別設計出3種級配,礦料級配見表2,采用30%橡膠改性瀝青,進行馬歇爾試驗,確定最佳油石比,對比三者間的體積指標差異,分析壓實特性,進而確定最優級配。

表2 瀝青混合料礦料級配

以密度指標為基礎,參考JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中壓實瀝青混合料密度試驗所述步驟計算體積指標,表3為3種合成級配瀝青混合料馬歇爾試驗結果。

表3 瀝青混合料體積指標

考慮抗疲勞性能及早期損害的影響,在空隙率低于4%的前提下,以體積空隙率與毛體積空隙率差值最大為原則,由表3可知,當2.36 mm篩孔通過率為26%時,混合料毛體積空隙率與體積空隙率的差值最大為5.26,由此,確定適用于超薄罩面的橡膠改性瀝青混合料合成級配。

為更好地評價本方案中橡膠改性瀝青混合料的路用性能優勢,設計不同的骨架密實型級配,其曲線示意見圖2。

圖2 不同類型礦料級配曲線

由圖2可知,4種不同的礦料級配均具備了骨架結構的特征,本研究所設計的超薄罩面用橡膠改性瀝青混合料(UTARHM-10)與其他類型混合料相比,區別在于瀝青品種、最大篩孔粒徑,以及粗集料含量。同粒徑尺度的UTARHM-10、SAC-10和SMA-10分別應用了表1所示的橡膠改性瀝青、基質瀝青和SBS改性瀝青,SMA-10混合料粗集料含量雖最多,但其需添加木質纖維素且礦粉用量也最多,其表面構造深度必然受到影響,UTARHM-10的粗集料含量位于SAC-10與SMA-10之間,較好地保留了宏觀紋理,SMA-5級配較其他3種類型明顯更細,抗滑性能難以得到保證。

1.4 瀝青混合料性能評價方法

基本路用性能,依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0719、T0715、T0729規定,對本研究所設計的UTARHM-10和其他3種瀝青混合料開展高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性評價。

良好的抗滑效果是評價超薄罩面作為表面層的重要指標,采用如圖3所示的法國充氣輪胎大型車轍儀,模擬不同級配類型瀝青混合料路面服役狀態的抗滑性能衰減過程。該設備溫度可控、接觸壓強可調,充氣輪胎輪寬80 mm、行程410 mm,加載頻率為1 Hz,加載次數可自由設置,可以較好地模擬實際路面與輪胎摩擦過程[9]。

圖3 法國大型車轍試驗機

適用于超薄罩面的不同級配類型瀝青混合料長期抗滑性能測試:為明確加速磨耗試驗后各混合料抗滑性能的變化,分別成型SMA-10、SAC-10、UTARHM-10、SMA-5 4種瀝青混合料試件,每組試件進行10萬次荷載作用(長期抗滑性能的衰減期和穩定期得到表征),每2 500次為1個周期,每個周期(含0周期)使用擺式儀測試試件表面抗滑擺值,采用手工鋪沙法對構造深度的變化進行檢測。為得到不同溫度、不同荷載條件下混合料的抗滑性能衰減規律,分別測試4種瀝青混合料在0.6 MPa,15,30,45 ℃條件下,以及在30 ℃,0.3,0.6,0.9 MPa條件下抗滑性能衰減狀況,各組試驗均設3組平行試驗,結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 基本路用性能

圖4為不同類型混合料路用性能結果。

圖4 不同類型混合料路用性能結果

由圖4可知,不同級配類型的混合料動穩定度雖有差異,但均達到了5 000次/mm以上水平,說明骨架型級配是保障高溫性能的重要因素之一。UTARHM-10混合料高溫性能略優于SMA-10,明顯優于SAC-10,說明按粒徑較大2檔集料的摻配比例控制粗集料骨架間隙率最小可以使混合料保持緊密的嵌擠狀態,更有利于抵抗荷載作用,同時瀝青性能對混合料的高溫穩定性同樣重要。

以-10 ℃彎曲試驗的破壞應變作為低溫性能指標評價不同類型瀝青混合料的低溫性能發現,橡膠改性瀝青混合料的彎拉應變均大于同尺度的SMA-10和SAC-10混合料,說明橡膠改性瀝青應用于超薄罩面層的低溫抗裂能力更優,更適合在低溫環境下應用。

以浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗對不同類型瀝青混合料的水穩定性評價發現,4種類型混合料具備了良好的抗水損害能力,受益于瀝青膠結料和級配設計的共同作用結果,UTARHM-10混合料的水穩定性能最優。

2.2 長期抗滑性能

為進一步對比評價不同超薄罩面類型混合料抗滑性能的差異性,得到不同溫度、荷載條件下的加速磨耗試驗結果,同時以抗滑初值、抗滑穩定值、抗滑減幅為評價指標,考察不同級配的抗滑優勢及長期抗滑性能變化規律。

2.2.1環境溫度對抗滑性能的影響

圖5為4種瀝青混合料在不同環境溫度下抗滑性能衰減曲線。

圖5 4種瀝青混合料抗滑性能衰減曲線

由圖5可知,同為骨架型級配的4種瀝青混合料在不同溫度條件下展現出相似的抗滑性能衰減規律,大體可劃分為擺值衰減速度快、速率高的衰減期,以及衰減速度慢趨于平穩的穩定期,由衰減曲線可以觀察到衰減期過渡到穩定期基本發生在荷載作用的6萬次到8萬次期間。抗滑性能衰減過程中會出現擺值增大的現象,分析認為這與集料表面瀝青膜受荷載作用脫落有關,集料表面微觀紋理的顯現導致摩阻力升高。

同等溫度條件下,UTARHM-10混合料在整個抗滑衰減過程中出現的回升現象早于其他3種級配,這是由于材料組成設計方法造成的,同樣尺寸的車轍試件,UTARHM-10混合料的突起狀態更為顯著。隨環境溫度升高,抗滑性能衰減更快,幅度更大,低溫環境下瀝青膜的脫落時間明顯晚于高溫環境,抗滑性能衰減期得以延長,有高溫環境工作需求的超薄罩面層建議使用本文中的組成設計方法。

2.2.2級配類型對抗滑性能的影響分析

為進一步明確本研究內容中所設計級配的抗滑優勢,選擇30 ℃條件下的抗滑性能衰減規律展開分析,具體評價指標包含:抗滑初值、抗滑穩定值、10萬次荷載作用后抗滑擺值和構造深度損失率(磨耗降低的抗滑性能占初始性能的百分比)、單位荷載作用下抗滑擺值和構造深度的衰減速率,結果見表4和圖6。

表4 抗滑性能評價指標

圖6 4種瀝青混合料抗滑性能衰減指標

由表4可知,荷載作用10萬次后,瀝青混合料抗滑性能穩定值(BPN)的大小排序為:UTARHM-10>SMA-10>SAC-10>SMA-5。UTARHM-10混合料平均擺值衰減終值為56.2 BPN,相較SMA-10、SAC-10、SMA-5混合料的BPN值分別提升了2%、5.4%、7.4%;UTARHM-10混合料平均構造深度衰減終值為0.75 mm,相較SMA-10、SAC-10、SMA-5混合料的MTD值分別提升了13.6%,38.8%,97.3 %。

由圖6可見,UTARHM-10混合料的MTD衰減速率、BPN損失率和衰減速率與其他3種級配相比,雖無直觀優勢,但該級配的MTD損失率明顯優于其他級配,說明該級配在長期服役后仍能保持較大的構造深度,將橡膠改性瀝青應用于超薄罩面對路表抵抗長期的抗滑性能衰減有益。

2.2.3作用荷載對抗滑性能的影響

為研究荷載變化對不同級配混合料抗滑性能的影響,對比4種類型混合料在試驗溫度為30 ℃,接觸壓強0.3,0.6,0.9 MPa條件下的抗滑性能衰減規律,結果見圖7。

圖7 不同荷載作用下4種瀝青混合料抗滑性能衰減曲線

由圖7可見,荷載越大,瀝青混合料的抗滑力衰減速率越快,衰減終值也越低,隨荷載的增加,抗滑性能衰減回升現象會提前,這是因為集料表面的瀝青膜更容易被磨損,亦或是更大的荷載容易造成集料破損現象,集料破損會形成新的紋理構造。

對比4種級配的抗滑性能衰減曲線可知,隨荷載的增加,UTARHM-10的抗滑性能優勢越明顯,在0.9 MPa條件下,該瀝青混合料的平均擺值衰減終值為53.5 BPN,優于其他3種級配類型,相較SAC-10、SMA-10、SMA-5分別提高8.7%,6.4%,13.1%。

3 結論

1) 基于本文超薄罩面橡膠改性瀝青混凝土級配設計方法,通過粗集料摻配比例分級填充可以保證骨架結構處于最佳嵌擠狀態,同時根據抗滑性能需求,可以有選擇地減少部分集料的用量。

2) 受益于瀝青膠結料和級配設計的共同作用結果,UTARHM-10混合料可以較好地協調基本路用性能和長期抗滑性能,使二者均達到較優水平。

3) 與其他罩面類型相比,UTARHM-10混合料的抗滑衰減過程回升現象更早出現,抗滑初值、抗滑穩定值均高于其他3種類型。

4) UTARHM-10混合料在長期服役后仍能保持較大的構造深度,其在承受較高荷載和溫度的情況下仍能保持良好的抗滑性能,將橡膠改性瀝青混合料應用于超薄罩面對路表抵抗長期的抗滑性能衰減有益。