Superflex 改性瀝青抗裂層混合料路用性能試驗研究

陳善祥，黃艷芳，姚 勇，周 棟

（1.嘉應學院 土木工程學院，廣東 梅州 514015；2.梅縣區公路事務中心；廣東 梅州 514700；3.長沙比盟云信息科技有限公司，長沙 414004）

在當前建養并重時期的舊路大修和改造中，加鋪瀝青混合料罩面能有效地改善舊路的使用性能，但舊路存在的反射裂縫嚴重影響了加鋪層的使用質量和壽命[1-3].傳統的處理措施如設置玻纖格柵、土木布等土工織物未能取得很好的抗裂效果[4-8].加鋪抗裂層能很好地有效地消解或減輕接縫或裂縫處的應力集中現象，降低上面層層底應力，延緩反射裂縫產生，延長加鋪層的使用壽命.已有研究表明[9-11]，Superflex 改性瀝青是一種天然屑粒橡膠濃縮改性瀝青,粘度和軟化點高，與集料粘結性好,抗車轍能力強；生產工藝簡單，與基質瀝青進行機械攪拌即可；Superflex 改性瀝青混合料具有良好的高溫穩定性、水穩定性、抗裂性和耐久性.摻加纖維Superflex 改性瀝青抗裂層的研究不多，針對南方濕熱地區Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的路用性能進行試驗研究很有實際價值和現實意義.

1 原材料性質

1.1 Superflex 改性瀝青

本研究以SK70#基質瀝青作為調和瀝青，選用印尼生產的Superflex 濃縮瀝青采用濕法工藝制備Superflex 改性瀝青，通過對比試驗優選出Superflex 濃縮瀝青與基質瀝青的最佳摻量為18∶82.先將基質瀝青和Superflex 濃縮瀝青加熱到160℃左右，把Superflex 濃縮瀝青按摻量加入基質瀝青中，然后維持在180 ℃±5 ℃溫度環境中高速剪切改性45 min，由此制得Superflex 改性瀝青，Superflex 濃縮瀝青和Superflex 改性瀝青的技術指標如表1 所示.

表1 Superflex 濃縮瀝青和Superflex 改性瀝青技術指標

1.2 粗集料

采用的粗集料為玄武巖，其技術性質如表2 所示.

表2 粗集料技術性質

1.3 細集料

采用的細集料為玄武巖，其技術性質如表3 所示，采用的礦粉是石灰巖礦粉.

表3 細集料技術性質

1.4 聚酯短纖維

選用單絲聚酯短纖維改善Superflex 改性瀝青混合料的高溫穩定性、抗裂性能、疲勞性能和水穩定性，其技術性質如表4.

表4 聚酯短纖維技術性質

2 抗裂層混合料配合比設計

2.1 改進的Superpave 設計方法

抗裂層因其變形能力強、密實不透水、結構層厚度小、瀝青含量高、空隙率小及其級配細的特點，不適合采用傳統馬歇爾方法進行配合比設計.因此采用superpave 體積設計法進行Superflex 改性瀝青混合料配合比設計，但鑒于其特殊的層位功能及其性能要求，對superpave 體積設計法進行了適當改進，具體參數要求如下：試件尺寸為直徑150 mm，高度約115 mm；設計旋轉壓實次數為125次；設計空隙率為0.5%～3%；瀝青填隙率為85%～98%；礦料間隙率要求大于20%；粉膠比為0.5～1.6；目標空隙率為2.0%±0.2%.

2.2 抗裂層混合料級配

根據粗細集料級配合成滿足要求的Superflex 改性瀝青抗裂層混合料級配如表5 所示.

表5 抗裂層混合料級配

2.3 最佳瀝青用量

本試驗初定混合料油石比為7%、8%、9%，用旋轉壓實儀（SGC）制備直徑為150 mm、高度約115 mm 的圓柱體試件如圖1 所示，測試其體積性能參數，發現Superflex 改性瀝青抗裂層混合料空隙率隨油石比的增大而減小，當油石比為7%、8%、9%時，其空隙率分別為2.713%、2.232%、1.985%，依據目標空隙率可確定Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的最佳用油量為8.9%，其體積性能如表6 所示.

圖1 利用旋轉壓實儀（SGC）制備試件

表6 抗裂層混合料體積性能

3 抗裂層混合料路用性能

主要從Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的水穩定性、高溫穩定性、低溫穩定性、常溫彎曲性能和疲勞性能等路用性能開展試驗研究，同時對比分析了聚酯短纖維（摻量為0.2%）對Superflex 改性瀝青抗裂層混合料路用性能的影響.

3.1 水穩定性能

根據設計級配和最佳油石比，采用標準擊實法制備尺寸符合直徑101.6 mm±0.2 mm、高度63.5 mm±1.3 mm 要求的標準馬歇爾試件如圖2，以通過馬歇爾試驗得到的浸水殘留穩定度和劈裂試驗得到的凍融劈裂抗拉強度比來表征Superflex 改性瀝青抗裂層混合料水穩定性能，對比分析纖維對Superflex 改性瀝青抗裂層混合料水穩定性能的影響，其結果如表7 所示.

圖2 馬歇爾標準試件

表7 抗裂層混合料水穩定性能

由試驗結果可知，纖維對Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的水穩定的影響不大，提升了穩定度和抗拉強度，浸水殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比有所降低，但完全滿足規范中浸水殘留穩定度大于75%和凍融劈裂抗拉強度比大于75%的技術要求，并分別超出15.3%和12.7%以上，水穩定性能良好.

3.2 高溫穩定性能

本試驗試件采用由輪碾成型的長300 mm，寬300 mm，高50 mm 的板塊狀試件，進行摻加纖維和不摻纖維的Superflex 改性瀝青抗裂層混合料單層車轍試驗，并進行雙層組合結構“4 cmAC-13+3 cmSuperflex改性瀝青”的車轍試驗，試驗結果如表8 所示.

表8 抗裂層混合料高溫穩定性能

由此可知：未摻纖維單層Superflex 改性瀝青抗裂層的抗車轍能力不滿足規范中DS 大于800 次/mm的技術要求，但其用于中面層或下面層而非上面層，對路面結構的高溫抗車轍性能影響有限.摻加纖維纖維單層Superflex 改性瀝青抗裂層和雙層組合（抗裂層+上面層）結構的動穩定度滿足要求，纖維對Superflex改性瀝青抗裂層混合料的高溫性能有一定的提升.

3.3 低溫抗開裂性能

采用250 mm×30 mm×35 mm 棱柱體小梁試件，試驗溫度-10 ℃±0.5 ℃，以通過低溫彎曲試驗得出的最大彎拉應變表征Superflex 改性瀝青抗裂層混合料低溫抗開裂性能，其結果如表9 所示.

表9 抗裂層混合料低溫抗開裂性能

由試驗結果可知，摻加纖維后Superflex 改性瀝青抗裂層混合料最大拉應變減小了34.5%，抗彎拉強度降低了17.2%，彎曲勁度模量增大了7.9%，纖維的摻入降低了其低溫抗開裂性能，但最大彎拉應變遠超出規范中大于2000 με的技術要求，低溫抗開裂性能良好.

3.4 常溫彎曲性能

采用250 mm×30 mm×35 mm 棱柱體小梁試件，試驗溫度20 ℃±0.5 ℃，以通過彎曲試驗分析Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的常溫彎曲性能，其結果如表10 所示.

表10 抗裂層混合料常溫彎曲性能

由試驗結果可知，Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的常溫彎曲性能良好，摻加纖維后Superflex 改性瀝青抗裂層混合料最大拉應變增加了39.2%，抗彎拉強度提高了10.5%，彎曲勁度模量減小了25%，纖維的摻入較大幅度提升了其常溫彎曲性能.

3.5 疲勞性能

利用萬能材料試驗機MTS 采用300 mm×50 mm×50 mm 棱柱體小梁試件進行疲勞試驗，以控制應力加載模式進行加載，加載頻率10HZ，加載波形為半正弦波，試驗溫度為20 ℃±0.5 ℃.試驗分析了應力比為0.3 0.4、0.5、0.6 四個狀況下的疲勞壽命變化規律，結果如表11.

表11 抗裂層混合料疲勞性能

由此可以看出，在應力控制模式下，未摻纖維Superflex改性瀝青抗裂層混合料的疲勞壽命隨應力比的增大而減小，疲勞壽命與應力呈指數關系，擬合得到疲勞方程為Nf=11 531.9σ-1.077，R2=0.943 1；摻加纖維Superflex 改性瀝青抗裂層混合料的疲勞壽命隨應力比的增大而急劇減小，疲勞壽命與應力呈指數關系，擬合得到疲勞方程為Nf=576 9σ-3.5777，R2=0.974 0；摻加纖維能明顯提高低應力比狀態時的疲勞壽，降低高應力比狀態下的疲勞壽命，且應力比越大降幅越大；低應力比狀態下的疲勞性能較高應力比狀態好得多，應用時應充分考慮抗裂層所處的層位及其受力狀況.

4 結論

（1）利用旋轉壓實儀SGC 成型混合料試件，采用改進的Superpave 設計方法進行Superflex 改性瀝青抗裂層混合料配合比設計是適合的.

（2）Superflex 改性瀝青抗裂層具有良好的水穩定性、低溫抗裂性能和低應力比狀態下的疲勞性能，具有較好的應力吸收能力和抗裂效果，但高溫性能欠缺，可通過層位和路面結構予以增強.

（3）Superflex 改性瀝青抗裂層單層混合料的高溫性能不足，組合雙層結構高溫抗車轍性能良好，完全滿足規范要求.

（4）纖維能明顯提升Superflex 改性瀝青抗裂層混合料低應力狀態下的疲勞壽命，與應力呈指數關系，相關性較好，擬合得到疲勞方程為Nf=5 769σ-3.5777，R2=0.974.摻加纖維Superflex 改性瀝青混合料具有良好的疲勞性能和較好的抗裂效果.

（5）纖維可較大幅度提高Superflex 改性瀝青抗裂層混合料常溫彎曲性能，但對其低溫彎曲性能有不小的降幅作用，摻加纖維的Superflex 改性瀝青抗裂層混合料抗裂層適用于南方濕熱地區.