超薄鋪裝瀝青混合料設計及路用性能研究

王劍倫,邱 巍

(黑龍江省交投公路建設投資有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

超薄鋪裝具有大幅提高高速公路鋪裝路面抗滑能力的優點,成為近年來路面鋪裝研究熱點[1]。傳統超薄鋪裝材料廣泛使用的是間斷級配,使得水易在荷載作用下滲入,導致層間粘結能力下降,抗水損害能力差。超薄的厚度又會帶來攤鋪時降溫迅速的問題,而溫度降低進一步使得壓實困難。此外常規超薄鋪裝材料普遍存在高溫穩定性較差的問題,路表構造深度通常會在施工1年后快速衰減,抗滑性能明顯下降,限制了超薄鋪裝的大規模應用[2-3]。

針對這一問題采用具有溫拌-抗車轍效果的復合型添加劑并采用密級配設計,在目前已有研究成果的基礎上初選幾組級配,通過室內試驗確定最佳級配及油石比,成功研制出一款新型功能性的高性能超薄鋪裝養護材料。該新型材料與傳統材料相比具有諸多優勢,它的應用拓寬了有效施工溫度范圍,使得混合料施工和易性得到改善,在提高壓實效果的同時還能阻止水分的侵蝕,增強了層間粘結能力[4-5]。高速公路鋪裝路面的抗滑、高溫抗車轍及抗水損害能力得到大幅提高,路面的安全使用壽命也得到了大幅延長。通過高溫車轍、低溫抗裂、水穩定性試驗評價超薄鋪裝的路用性能,通過動態模量、高溫蠕變、疲勞性能等力學性能試驗評價超薄鋪裝的力學性能[6-7]。

1 原材料技術性質

1.1 瀝青

采用PG-70 SBS改性瀝青,主要技術性質如表1所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術要求

1.2 礦料

采用浙江湖州產石灰巖,按《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)進行測試,試驗結果均符合規范要求。

2 超薄鋪裝瀝青混合料級配設計

2.1 合成級配設計

超薄鋪裝瀝青混合料設計采用馬歇爾設計方法。目標配合比設計添加劑的技術要求如表2所示,摻量為礦料質量的0.35%,擊實溫度為135 ℃,根據規范要求選擇混合料結構。首先按照集料的篩分結果初選出粗、中、細三個級配,再結合項目現場實際使用情況選定油石比為5.5%,分別制作馬歇爾試件并得出試件的體積指標[8]。根據試驗所得體積指標選取最優設計級配如表3所示,最佳油石比取5.5%,相對應的瀝青混合料各項指標如表4所示。

表2 復合增效劑技術要求

表3 合成級配

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗結果

由表4可見,所研UWP-10超薄鋪裝材料各項馬歇爾體積指標均滿足規范要求。

2.2 配合比試驗及性能驗證

路用性能試驗結果如表5所示。

表5 最佳級配及瀝青用量下瀝青混合料的性能

由表5可見,超薄鋪裝材料混合料的標準條件動穩定度高達11 920次/mm,表明其具有優異的高溫性能,且其水穩性能及低溫抗裂性能均能滿足規范要求。

3 超薄鋪裝瀝青混合料力學性能評價

通過動態模量、高溫蠕變、疲勞性能等力學性能試驗,評價超薄鋪裝的力學性能[9]。

3.1 動態模量試驗

按照目標配合比旋轉壓實成型試件,試件高度為165 mm±5 mm,鉆芯得到Φ100 mm×150 mm的動態模量試件,置于5 Hz和10 Hz、15 ℃、無圍壓條件下進行瀝青混合料動態模量試驗[10-11]。

瀝青混合料在5 Hz和10 Hz下的動態模量E*及E*/sinθ(其中θ為相位角)與其高溫抗車轍性能具有良好的相關性,因此以E*與E*/sinθ作為評價指標可有效判斷混合料抗車轍性能的優劣。

由圖1可知:

圖1 不同頻率的超薄鋪裝瀝青混合料動態模量試驗結果

(1)混合料的動態模量隨著荷載頻率的增加而變大,相位角隨著荷載頻率的增加而變小;(2)超薄鋪裝瀝青混合料在15 ℃、10 Hz下的動態模量為10 912 MPa,普通AC和SMA混合料的動態模量則通常低于10 000 MPa,因此超薄鋪裝瀝青混合料較普通AC、SMA混合料具有更好的抗永久變形性能;(3)超薄鋪裝瀝青混合料的相位角偏大,說明超薄鋪裝瀝青混合料對荷載的反應更大,高溫抗永久變形能力更強;(4)超薄鋪裝5 Hz時的車轍因子E*/sinɑ達到44 127,10 Hz時的車轍因子E*/sinɑ則達到51 913。

3.2 高溫蠕變試驗

同樣按照目標配合比旋轉壓實成型試件并鉆芯得到所需試件進行60 ℃蠕變試驗,以軸向累積微應變達到5%作為試驗中止條件。

普遍認為瀝青混合料的受力變形需經歷三個階段:遷移期、穩定期、破壞期。在遷移期,混合料的應變隨車輛荷載作用急劇增大,但應變速率逐漸減小;穩定期混合料的應變均勻增長,應變速率隨荷載作用基本維持恒定;破壞期混合料的應變及應變速率隨時間增長而急劇上升最終破壞。三階段中穩定期的應變斜率代表試件在受壓過程中變形發展的快慢, 斜率越小則變形發展越平穩, 瀝青混合料的高溫穩定性能越好。

由圖2、圖3可知:

圖2 超薄鋪裝混合料在60 ℃下的蠕變曲線

圖3 超薄鋪裝瀝青混合料的蠕變勁度模量曲線

(1)超薄鋪裝瀝青混合料在700 kPa荷載作用下荷載重復加載次數高達388次,蠕變變形隨時間延長而增加;(2)超薄鋪裝瀝青混合料在穩定期的斜率較為平緩,說明其具有較好的高溫性能;(3)超薄鋪裝瀝青混合料的初始蠕變勁度模量為336 MPa,最終破壞時的蠕變勁度模量為13.95 MPa,說明超薄鋪裝的初始高溫性能較好,隨著加載次數的增多,高溫性能先快速降低后趨于緩和。

3.3 疲勞性能試驗

進行梁式試件四點彎曲疲勞試驗,采用應變控制,應變水平分別為500 με、600 με和700 με,以評價超薄鋪裝瀝青混合料的疲勞性能,疲勞試驗結果如表6所示。

由圖4、圖5可得如下結論。

圖4 疲勞壽命與應變水平關系曲線

圖5 logNf與logε關系曲線

(1)混合料試件疲勞次數與控制應變的大小呈負相關,應變越低疲勞壽命越長。在500 με作用下,試件疲勞次數高達182 880,而普通AC-13瀝青混合料同條件下疲勞次數約為150 000,超薄鋪裝混合料疲勞壽命較普通AC-13瀝青混合料高22%。

(2)瀝青混合料的疲勞方程采用線性函數模型擬合效果較好,得出logNf與logε之間的關系式為y=-3.315 7x+14.186,R2=0.963 9。

4 工程應用效果分析

為進一步驗證所研超薄鋪裝養護材料實際路用性能,對其所應用的G318線蘇州段進行跟蹤觀測分析。

4.1 觀測方案確定

在運營后的第5、8、11、14個月分別采用三米直尺、構造深度儀與人工調查的方式對路面裂縫、抗滑與車轍情況進行現場觀測,如圖6、圖7所示。

圖6 現場車轍檢測

圖7 局部路段反射裂縫

4.2 使用效果分析

從現場檢測結果來看,車轍方面超薄罩面路段車轍深度發展緩慢,現場抽樣檢測的位置車轍深度均<5 mm,行駛路段和交叉口均未發生車轍病害,在運營過程中表現出良好的抗車轍性能。裂縫方面處治前約40條/km,經養護處理后降至10～15條/km且運營期間裂縫數量沒有明顯增長,表現出良好的抗裂性能。構造深度方面,運營14個月以后的超薄鋪裝構造深度與竣工后的構造深度檢測指標相比衰減在5%以內,有利于長期保持較高的抗滑性能,提高行車安全性。

5 結 論

(1)超薄鋪裝材料采用密級配設計,較傳統鋪裝材料滲水系數小,抗水損害能力強。

(2)混合料為SBS改性瀝青與自熔型復合增效改性劑復合改性而成,兼具溫拌與高溫性能優異的特點,施工和易性良好,較傳統改性瀝青碾壓溫度降低10～15 ℃,同時保證了超薄鋪裝的壓實度。

(3)高溫穩定性優異:混合料標準動穩定度高達11 920次/mm,在15 ℃、10 Hz下的動態模量為10 912 MPa,車轍因子E*/sinɑ達到51 913,60 ℃初始蠕變勁度模量為336 MPa,高溫抗車轍性能顯

著。此外低溫抗裂性能及水穩定性均滿足規范要求。

(4)在500 με作用下疲勞次數高達182 880,較普通AC-13瀝青混合料提高22%。