復合增效型瀝青面層在高海拔干線公路路用性能研究

陳麗莉,孫 磊,劉 康

(蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 211110)

0 引 言

西部一條干線公路位于高海拔地區,由于地處區域性交通要道,隨著物流和客流的迅速增長,道路承受道路超過設計軸載負荷,引起瀝青路面車轍和水損壞,嚴重影響路面使用壽命和服務性能。根據國內外研究結果,干線公路重載交通較大,下面層為豎向壓縮區,主要承受壓應力,為車轍主要發生的層位,因此要求瀝青面層具有較高的模量和抗車轍、抗疲勞性能。

根據復合增效劑作用機理,將復合增效劑添加到瀝青混合料中,以滿足高海拔地區公路長大縱坡和彎道較多時,對瀝青路面的抗車轍以及剪切性能的要求。在研究復合增效劑作用機理的基礎上,分別采用高溫抗車轍性能試驗和凍融劈裂試驗,研究瀝青混合料摻入復合增效劑后路用性能的變化。最后通過試驗段現場檢測分析復合增效型AC-20瀝青混合料路面抗車轍性能。

1 室內試驗

1.1 作用機理

復合增效添加劑外觀為白色粉末狀固體,主要成分為高分子聚烯烴有機物。其提高混合料高溫抗車轍性能和降低施工溫度的作用原理,主要是通過調整瀝青組份和分子量分布來實現[1]。隨著溫度升高,添加劑有機物中的物質通過吸附瀝青中飽和組分,溶解形成穩定的溶液。能夠減少溶液離析,同時可以加速瀝青的熔化,從而使瀝青運動粘度降低[2]。隨著溫度降低,添加劑有機物在瀝青中形成網狀結構,從而達到鎖定瀝青中飽和組分。能夠增加瀝青的穩定性,從而提升高溫抗車轍性能,從而實現了復合增效的功能[3]。復合增效劑的添加能夠顯著提高瀝青混合料高溫抗車轍性能。

復合增效劑的技術要求如表1所示。在使用過程中應先對復合增效劑先進行檢測[4],具體測試方法參照表1要求,同時應保證各檢測指標滿足技術要求。

表1 復合增效劑技術要求

1.2 復合增效劑對瀝青性能影響

通過選擇90#道路石油瀝青作為基質瀝青,復合增效劑摻量為基質瀝青質量百分比,研究不同摻量復合增效添加劑對瀝青膠結料性能影響。不同摻量復合增效添加劑的瀝青膠結料技術指標如表2所示。

表2 不同復合增效劑摻量的瀝青技術指標

在復合增效劑添加時先將基質瀝青加熱到160～170 ℃,摻加預先選定劑量的復合增效劑,保持170 ℃剪切60 min。不同摻量復合增效劑對軟化點影響如圖1所示,不同摻量復合增效劑對黏度影響如圖2所示。

圖1 不同摻量復合增效劑對軟化點的影響

圖2 不同摻量復合增效劑對黏度的影響

由試驗結果可知:瀝青中摻入復合增效劑后,軟化點和60 ℃動力黏度隨著摻量增加而上升,尤其是60 ℃動力黏度提升效果顯著。但135 ℃運動黏度隨摻量增加而略微下降。

瀝青膠結料摻入復合增效劑后,通過提高瀝青60 ℃黏度來進一步提升瀝青混合料高溫抗車轍性能;同時由于瀝青高溫黏度降低,從而改善了瀝青混合料施工和易性。

1.3 復合增效瀝青AC-20混合料制備

本次配合比驗證原材料為石料、瀝青、礦粉及復合增效劑,復合增效劑摻量為礦料質量的0.3%,馬歇爾試驗最佳油石比4.5%。根據規范要求,制備復合增效瀝青AC-20混合料,馬歇爾試驗結果如表3所示。

表3 馬歇爾試驗結果

為了評價摻加復合增效劑對AC-20瀝青混合料路用性能的影響,分別選擇制備的復合增效型AC-20混合料和90#石油瀝青AC-20混合料。針對兩種瀝青混合料,分別選擇高溫抗車轍試驗、水穩定性試驗和低溫小梁彎曲試驗[5],對混合料路用性能進行綜合評價,研究復合增效劑對瀝青混合料的影響,并評價復合增效型瀝青混合料路用性能。

2 高溫性能分析

分別對不摻加復合增效劑以及摻加0.3%的復合增效劑瀝青混合料進行車轍試驗。動穩定度試驗結果如表4所示。

表4 車轍試驗動穩定度

由試驗結果可知,AC-20瀝青混合料摻加0.3%的復合增效劑后,動穩定度由不摻加的1 231次/mm增加到3 673次/mm,動穩定度提升了198%,高溫性能具有較大地提升。由此說明,復合增效劑的摻加能夠較大程度的提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能。復合增效型瀝青混合料具有較好的高溫抗車轍性能,可以用于路面抗車轍性能提升方案中。

3 水穩定性分析

針對瀝青混合料摻加復合增效劑后水穩定性能變化情況,分別采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗[6],通過混合料的殘留穩定度和劈裂強度進行評價。水穩定性試驗結果如表5、表6所示。

表5 浸水馬歇爾穩定度試驗結果

表6 凍融劈裂試驗結果

浸水馬歇爾試驗結果可知,摻加復合增效劑后,其殘留穩定度由84.7%提高到98.4%。凍融劈裂試驗的TSR值也由85.1%提高到88.5%。由此說明,相較于普通瀝青混合料,摻加復合增效劑后,瀝青混合料的水穩定性能有一定的提升。

4 低溫抗裂性分析

由試驗結果可知:摻加復合增效劑后,能夠較大程度地提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能。同時摻加復合增效劑后,瀝青混合料的水穩定性能有一定的提升。但項目所在地對低溫抗裂性能同樣有特殊要求,因此通過室內低溫彎曲試驗分析復合增效劑對瀝青混合料的低溫性能影響,試驗結果如圖3所示。

圖3 復合增效劑對混合料低溫性能的影響

按照我國瀝青路面氣候分區,項目所在地屬于冬寒區,普通瀝青混合料的破壞應變宜不小于2 300 με。低溫小梁彎曲試驗結果表明,復合增效劑瀝青混合料的低溫彎曲應變滿足相關規范要求,在摻入0.3%的復合增效劑后,其低溫彎曲應變略有降低,但仍高于應變要求水平。

綜上所述:摻加復合增效劑后,能夠較大程度地提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能。同時摻加復合增效劑后,瀝青混合料的水穩定性能有一定的提升。而摻加復合增效劑對低溫性能影響略有降低,但仍高于技術要求。

5 試驗段性能分析

本項目為四川西部高海拔地區省道216專項改造工程,考慮到重載交通抗車轍性能,通過復合增效型路面專項試驗段鋪筑,驗證復合增效型路面技術在高海拔地區干線公路的路用性能及可行性。試驗段樁號為K89+522～K90+012(上行)、K89+522～K89+963(下行),總長度0.931 km。

5.1 施工溫度控制

由于高海地區溫差較大,瀝青混合料運輸到現場以及攤鋪過程中降溫較快。因此,高海拔地區瀝青路面施工各個階段的溫度控制是保證施工質量的關鍵[7]。根據現場施工過程控制情況,高寒高海拔地區復合增效型瀝青混合料的施工溫度控制范圍如表7所示。該地區出料溫度控制、瀝青混合料的攤鋪溫度和碾壓溫度都有別于現行規范的要求[8]。各階段溫度的控制盡量取高限,以保證后續工序的順利完成和路面的質量。

表7 復合增效型瀝青混合料的施工溫度

瀝青混合料拌合時必須根據氣候條件控制好出料溫度。根據施工現場經驗,本次瀝青混合料生產過程中,瀝青加熱溫度控制為145 ℃左右,礦料加熱溫度控制住160 ℃左右。高海拔地區氣溫低,瀝青混合料降溫很快,碾壓時應根據當天的氣溫適時調整碾壓路段長度、壓路機和攤鋪機的距離。盡量防止瀝青混凝土路面攤鋪過程中因溫度散失過快,造成瀝青混合料難以壓實的問題?，F行規范要求,壓路機碾壓長度一般不超過60～80 m,盡量縮短碾壓長度。而針對高海拔地區氣候條件,應根據當天的氣溫適時調整碾壓長度,建議碾壓長度控制在20～40 m以內。

碾壓溫度是壓實質量控制的關鍵,直接決定路面成型的質量。在試鋪現場,隨機抽查了幾組碾壓溫度,初壓溫度在131 ℃左右,復壓溫度在117 ℃左右,滿足施工指導意見要求。

5.2 試驗段性能驗證

試驗段現場攤鋪碾壓完成后,按照規范要求制備車轍板試件。高溫抗車轍試驗條件為60±1 ℃,0.7±0.05 MPa。通過瀝青混合料動穩定度試驗結果評價試驗段復合增效AC-20高溫抗車轍性能。動穩定度試驗結果如表8所示。

表8 車轍動穩定度試驗結果

車轍動穩定度試驗結果表明:復合增效AC-20混合料具有優異的高溫穩定性能,試驗段高溫性能指標滿足指導意見要求。

為了驗證瀝青混合料的抗水損害性能,采用4.5%的油石比進行馬歇爾試件制備,并進行了浸水馬歇爾試驗,試驗結果如表9所示。試驗結果表明其抗水損害性能良好,滿足規范要求。

表9 最佳油石比條件下浸水馬歇爾試驗結果

試驗段設計厚度5 cm,通過取芯評定厚度和壓實度,試驗結果如表10所示。

表10 芯樣厚度及壓實度

根據芯樣厚度試驗結果,試驗段厚度單點值均滿足技術要求。試驗段壓實度單點值均滿足技術要求。

從試驗段鋪筑效果、壓實度、車轍穩定度試驗等現場檢測結果,復合增效型AC-20路面在干線公路專項改建工程中應用效果較好,表現出良好的抗車轍路用性能和鋪面效果。

6 結 論

(1)瀝青膠結料摻入復合增效劑后,通過提高瀝青60 ℃粘度來進一步提升瀝青混合料高溫抗車轍性能;同時由于瀝青高溫粘度降低,從而改善了瀝青混合料施工和易性。

(2)復合增效劑對瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性有較大改善,而使低溫性能影響略有降低,但仍高于技術要求。

(3)試驗段應用表明:復合增效型AC-20路面具有良好的抗車轍路用性能和鋪面效果。