橋面鋪裝抗推移瀝青混合料設(shè)計(jì)及性能研究

唐乾富， 吳維平， 蔡文龍， 楊 響

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司， 江西 南昌 333000； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司, 江蘇 南京 211806)

橋面鋪裝抗推移瀝青混合料設(shè)計(jì)及性能研究

唐乾富1， 吳維平1， 蔡文龍2， 楊 響2

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司， 江西 南昌 333000； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司, 江蘇 南京 211806)

在對(duì)橋面鋪裝抗推移混合料性能需求分析的基礎(chǔ)上，采用SBS改性瀝青與復(fù)合增效劑進(jìn)行復(fù)合改性，開發(fā)出抗推移性能優(yōu)異、施工和易性優(yōu)良的AC-13C型抗推移混合料，提出相應(yīng)的混合料的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其力學(xué)性能性能進(jìn)行了深入評(píng)價(jià)，建立了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與性能指標(biāo)體系。

橋面鋪裝； 瀝青混合料； 抗推移設(shè)計(jì)； 力學(xué)性能

0 引言

我國(guó)大部分水泥混凝土橋面采用瀝青混凝土鋪裝，由于瀝青鋪裝層具有各項(xiàng)性能良好，后期可直接將鋪裝層銑刨便于養(yǎng)護(hù)[1]。但水泥混凝土橋面鋪裝技術(shù)研究在我國(guó)尚處于研究階段，尚未建立完整的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和相關(guān)規(guī)范。橋面瀝青鋪裝層的各項(xiàng)性能直接影響到橋面的服務(wù)水平和行車安全，由于橋面承受交通壓力較大，大部分橋面鋪裝層還未到設(shè)計(jì)使用年限就出現(xiàn)推移、擁包、松散、水損害、開裂等病害[2]。因此如何提高橋面鋪裝的耐久性，確保橋面鋪裝的服務(wù)水平，是當(dāng)今急需解決的問題。橋面在服役過程中，同時(shí)受到拉應(yīng)力和剪應(yīng)力相互作用，需要提升鋪裝層瀝青混合料抗拉和抗剪性能，本文對(duì)橋面鋪裝抗推移瀝青混合料進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，在滿足鋪裝層路用性能的同時(shí)又具有較長(zhǎng)使用壽命和抗推移性，從而提升橋面鋪裝的耐久性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 橋面鋪裝抗推移瀝青混合料性能要求

橋面在服役過程中，同時(shí)承受較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，如橋面瀝青混合料力學(xué)性能不足，防水粘層與橋面水泥混凝土板的粘結(jié)力不足，就會(huì)產(chǎn)生疲勞開裂、推移、擁包等病害[3]，因此，橋面鋪裝層瀝青混合料應(yīng)具備如下性能： ①高溫穩(wěn)定性較好，確保橋面鋪裝能夠在高溫季節(jié)，避免出現(xiàn)車轍、推移等病害； ②低溫抗裂性能較好，確保橋面鋪裝在冬季寒冷季節(jié)具有良好的應(yīng)力松弛性能，防止橋面鋪裝層開裂； ③抗水損害性能好，確保橋面鋪裝在雨水條件下不會(huì)出現(xiàn)剝落損壞現(xiàn)象，提升鋪裝的耐久性； ④抗滑性能好，確保潮濕橋面的行車安全，此外能夠增加鋪裝層與橋面板的粘結(jié)性能；⑤耐久性好，混合料耐久性是指其具有良好的抗疲勞性能、水穩(wěn)定性、抗老化性能，確保橋面鋪裝在苛刻的外界條件下具有良好的使用性能。

2 抗推移瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

抗推移混合料主要是提升混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、力學(xué)性能和疲勞性能，因此采用SBS和多鏈聚烯烴(為低熔點(diǎn)聚乙烯蠟，軟鏈段大于20%的橡膠和硬鏈段的聚烯烴構(gòu)成的熱塑性聚烯烴彈性體，推薦摻量為0.35%)復(fù)合改性技術(shù)，用于提升混合料的各項(xiàng)性能，從而確保橋面鋪裝的耐久性。

2.1 原材料性能試驗(yàn)

對(duì)抗推移混合料所采用的原材料進(jìn)行基本性能測(cè)試[4]，結(jié)果如表1和表2所示。

2.2 瀝青混合料級(jí)配選擇

抗推移混合料采用普通AC — 13的瀝青混合料級(jí)配規(guī)范要求，具體見表3[5]。

表1 集料、礦粉基本性能礦料表觀相對(duì)密度毛體積相對(duì)密度吸水率/%1#料2.9352.9120.272#料2.8422.8160.323#料2.7452.7060.534#料2.7012.6380.88礦粉2.692

表2 瀝青相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果表瀝青品種瀝青相對(duì)密度SBS改性瀝青1.013

表3 AC—13C瀝青混合料級(jí)配要求篩孔/mm上限/%下限/%篩孔/mm上限/%下限/%16.01001001.1838.015.013.210090.00.628.010.09.585.068.00.320.07.04.7568.038.00.1515.05.02.3650.024.00.0758.04.0

依據(jù)規(guī)范(JTG F40 — 2004)設(shè)計(jì)要求，初選粗、中、細(xì)3個(gè)級(jí)配(級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3)，如表4和圖1。根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ虒?shí)際應(yīng)用情況選擇油石比，分別進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。

表4 3種混合料的級(jí)配級(jí)配類型通過下列篩孔(方孔篩,mm)的質(zhì)量百分率/%16.013.29.54.752.36級(jí)配1100.096.770.039.427.4級(jí)配2100.097.072.643.230.3級(jí)配3100.097.375.347.133.3通過下列篩孔(方孔篩,mm)的質(zhì)量百分率/%1.180.60.30.150.07518.111.38.35.54.319.912.19.05.94.621.813.29.76.24.8

2.3 瀝青混合料級(jí)配確定及油石比設(shè)計(jì)

參照以往江西省瀝青路面AC — 13C的工程應(yīng)用情況，選擇油石比4.8%作為3種試級(jí)配用油石比，雙面各擊實(shí)75次成型馬歇爾試件。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示[6]。

由表5可以看出級(jí)配2體積指標(biāo)滿足要求，級(jí)配1和級(jí)配3體積指標(biāo)不滿足要求，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇級(jí)配2為設(shè)計(jì)級(jí)配。

圖1 AC — 13C型3種試級(jí)配曲線圖

按礦料比例配料，采用5種油石比進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 3種試級(jí)配馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總表級(jí)配油石比/%毛體積相對(duì)密度計(jì)算理論最大相對(duì)密度空隙率/VV/%礦料間隙率/VMA/%飽和度VFA/%級(jí)配14.82.4722.6045.115.467.0級(jí)配24.82.4912.5974.114.471.7級(jí)配34.82.5152.5902.913.378.2技術(shù)要求//4.0～6.0*65～75 *注:要求空隙率4、5、6所對(duì)應(yīng)的VMA最小值分別為14、15、16,當(dāng)空隙率不是整數(shù)時(shí),由內(nèi)插確定要求的VMA最小值。

表6 AC—13C設(shè)計(jì)級(jí)配馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果級(jí)配類型油石比/%毛體積相對(duì)密度計(jì)算理論最大相對(duì)密度3.82.4642.6374.32.4792.617AC—13C4.82.4912.5975.32.5022.5785.82.5112.559要求//VV/%VMA/%VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/(0.1mm)6.614.654.912.8525.75.314.563.513.3227.24.114.471.713.9828.62.914.579.613.5129.61.914.687.112.9530.34.0～6.0*65～75≥8.015～40 *注:要求空隙率3、4、5所對(duì)應(yīng)的VMA最小值分別為13、14、15,當(dāng)空隙率不是整數(shù)時(shí),由內(nèi)插確定要求的VMA最小值。

根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳油石比為4.8%?；裟犴f爾添加劑占礦料的0.35%，相對(duì)應(yīng)的瀝青混合料性質(zhì)如表7所示。

表7 瀝青混合料體積性質(zhì)表類別毛體積相對(duì)密度計(jì)算理論最大相對(duì)密度空隙率VV/%礦料間隙率VMA/%飽和度VFA/%Pbe/%Vbe/%Vg/%粉膠比DP穩(wěn)定度MS/kN流值FL/(0.1mm)設(shè)計(jì)結(jié)果2.4912.5974.114.471.73.989.8086.121.1613.9828.6技術(shù)要求實(shí)測(cè)計(jì)算4.0～6.0≥14.165～75///宜0.6～1.6≥815～40 注:Pbe為瀝青混合料中有效瀝青用量,%;Vbe為有效瀝青的體積百分率,%;Vg為礦料的體積百分率,%;DA為瀝青膜有效厚度,μm。

3 抗推移瀝青混合料橋面鋪裝路用性能研究

3.1 水穩(wěn)定性研究

浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果混合料類型非條件(0.5h)空隙率/%穩(wěn)定度/kN流值/(0.1mm)4.113.2329.3AC—13C4.012.9829.54.213.5628.9平均值4.113.2629.2條件(48h)空隙率/%穩(wěn)定度/kN流值/(0.1mm)殘留穩(wěn)定度MS0/%要求/%4.211.6334.24.112.1336.189.5≥854.111.8233.74.111.8634.7

凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果混合料類型非條件條件TSR/%空隙率/%劈裂強(qiáng)度/MPa空隙率/%劈裂強(qiáng)度/MPa實(shí)測(cè)值要求5.11.19754.90.9818AC—13C5.21.19894.80.993282.3≥804.91.21354.90.98224.91.18995.00.9926平均值5.01.20004.90.9875

從表8和表9中數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的復(fù)合改性AC — 13C抗推移混合料的浸水馬歇爾及凍融劈裂均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 高溫穩(wěn)定性研究

在(60±1)℃，(0.7±0.05)MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度混合料類型油石比/%動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)12AC—13C4.81202312115動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)變異系數(shù)/%3平均要求實(shí)測(cè)值要求1218312107≥80000.7≤20

從車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，在60 ℃條件下其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到12000次/mm，高于規(guī)范要求的50%，可見摻入采用SBS和多鏈聚烯烴復(fù)合改性技術(shù)能夠明顯提高混合料的高溫性能。

3.3 低溫穩(wěn)定性研究

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20 — 2011)中的規(guī)定進(jìn)行低溫彎曲破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表11。

表11 梁底最大彎拉應(yīng)變Hon7456添加量/%破壞時(shí)梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度RB/MPa破壞時(shí)的彎曲勁度模量/SB/MPa0.353287.6με9.02737.6

試驗(yàn)結(jié)果表明： 瀝青混合料低溫彎曲破壞試驗(yàn)的結(jié)果較好，滿足規(guī)范要求。

4 抗推移瀝青混合料力學(xué)性能研究

4.1 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

進(jìn)行15 ℃動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，無圍壓的情況下測(cè)定0.1～25 Hz等9種頻率下的動(dòng)態(tài)模量，試驗(yàn)結(jié)果如表12和圖2。

從表12可以看出，復(fù)合改性AC — 13C瀝青混合料在15 ℃、10 Hz下的動(dòng)態(tài)模量大于14000 MPa，高于普通AC — 13混合料的10000 MPa，說明摻入多鏈聚烯烴能夠提高混合料的動(dòng)態(tài)模量，且已達(dá)到高模量瀝青混合料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這是由于摻入改性劑后，能夠提高混合料內(nèi)部集料與瀝青之間的粘結(jié)力，使得混合料更易形成穩(wěn)定密實(shí)的結(jié)構(gòu)，從而提高了混合料的抗變形能力。

表12 摻不同改性劑的AC—13C混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果混合料類型不同荷載頻率下的動(dòng)態(tài)模量/MPa25Hz20Hz10Hz5Hz2Hz1Hz0.5Hz0.2Hz0.1HzAC—13C166871650914963136291173010328895871885985

圖2 15 ℃，復(fù)合改性劑AC — 13C混合料的動(dòng)態(tài)模量

相位角測(cè)試結(jié)果如表13和圖3。

從表13可以看出，復(fù)合改性AC — 13C瀝青混合料的相位角隨著荷載頻率的增加而降低，說明在高頻荷載作用下，該混合料對(duì)荷載反應(yīng)較小，具有較好的抗變形能力。

表13 摻不同改性劑的AC—13C混合料的相位角試驗(yàn)結(jié)果混合料類型不同荷載頻率下的相位角θ/(°)25Hz20Hz10Hz5Hz2Hz1Hz0.5Hz0.2Hz0.1HzAC—13C13.5113.6714.7115.4517.5519.1420.6623.0224.98

圖3 15 ℃，摻復(fù)合改性劑的AC — 13C混合料的相位角

動(dòng)態(tài)模量評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如表14。

表14 摻復(fù)合改性劑的AC—13C混合料E*/sinθ試驗(yàn)結(jié)果混合料類型不同荷載頻率下的E*/sinθ5Hz10Hz復(fù)合改性AC—13C45760.6237634.79普通AC—1341268.5735828.89

15 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)模量評(píng)價(jià)指標(biāo)E*/sina是判斷混合料的抗車轍能力，摻加多鏈聚烯烴能夠改善AC — 13混合料的抗車轍能力。

4.2 高溫蠕變?cè)囼?yàn)

高溫穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)瀝青混合料耐久性的重要指標(biāo)，本文采用60 ℃動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)研究瀝青混合料的高溫性能，以評(píng)價(jià)混合料高溫條件下的抗變形能力。復(fù)合改性AC — 13C瀝青混合料的60 ℃的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 復(fù)合改性的AC — 13C瀝青混合料在60 ℃下的蠕變曲線

由蠕變曲線可以看出，復(fù)合改性的AC — 13C瀝青混合料在700 kPa荷載作用下，荷載重復(fù)加載次數(shù)高達(dá)13211次，最終微應(yīng)變?yōu)?0002με。蠕變勁度模量曲線如圖5。

圖5 蠕變勁度模量曲線

可以看出: 復(fù)合改性的AC — 13C瀝青混合料的初始蠕變勁度模量為263.9 MPa，最終破壞時(shí)的蠕變勁度模量為14 MPa，說明在加載階段，瀝青混合料的蠕變變形隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,說明勁度模量隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低。而穩(wěn)定期的斜率則反映的是試件在加載過程中變形發(fā)展的速度的快慢，從圖中可以看出曲線較為平穩(wěn)，斜率較小，說明變形增加緩慢，進(jìn)一步說明混合料的高溫性能較好。

4.3 疲勞試驗(yàn)

本文采用梁式試件四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(采用應(yīng)變控制，應(yīng)變水平分別為400με，500με和600 με)來評(píng)價(jià)復(fù)合改性AC — 13C瀝青混合料的疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果表15。

表15 摻復(fù)合改性劑的AC-13C瀝青混合料的疲勞性能檢測(cè)結(jié)果試驗(yàn)編號(hào)應(yīng)變水平疲勞壽命/次初始勁度模量/MPa滯后角/(°)累積耗散能/MPa1400με165470980817.9469.26212500με6463011347.7616.32264.50013600με83408864.7424.5541.55661

從上表數(shù)據(jù)可知，疲勞次數(shù)隨著控制應(yīng)變的增大而減小，低應(yīng)變的疲勞壽命較長(zhǎng)，在400με的作用下，疲勞次數(shù)高達(dá)165470，根據(jù)資料可知，普通AC — 13瀝青混合料在400με的作用下，疲勞次數(shù)為25000左右，可見摻改性劑可以明顯改善混合料的疲勞性能。從表15可知，疲勞次數(shù)隨著控制應(yīng)變的增大而減小，低應(yīng)變的疲勞壽命較長(zhǎng)。

從圖6可知: 瀝青混合料的疲勞方程采用線性函數(shù)模型擬合效果較好，得出lgNf與lgε之間的關(guān)系式為：

圖6 lgNf與lgε關(guān)系曲線圖

lgNf=-0.648 8lgε+5.9471；

R2=0.9568。

5 結(jié)束語

本文通過開展抗推移混合料配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)摻復(fù)合改性劑的AC — 13C瀝青混合料進(jìn)行路用性能及力學(xué)性能研究，得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)抗推移混合料設(shè)計(jì)結(jié)果，油石比為4.8%，多鏈聚烯烴改性劑占礦料的0.35%，相對(duì)應(yīng)的瀝青混合料各項(xiàng)體積指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

2) 對(duì)抗推移混合料進(jìn)行路用性能評(píng)價(jià)，其浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度達(dá)到89.5%，在60 ℃條件下其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到12000次/mm，低溫彎拉應(yīng)變3287.6με，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，可見摻入復(fù)合改性劑能夠明顯改善混合料的各項(xiàng)性能。

3) 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合改性技術(shù)能夠很好地改善AC — 13C瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量；高溫蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，復(fù)合改性的AC — 13C瀝青混合料在700kPa荷載作用下，荷載重復(fù)加載次數(shù)高達(dá)13211次，說明混合料的高溫性能較好；疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合改性的AC — 13C瀝青混合料在400 με的作用下，疲勞次數(shù)高達(dá)165470次，可明顯改善混合料的疲勞性能。

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2016-11-16

唐乾富( 1959-) ，男，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理工作。

1008-844X(2017)01-0107-05

U 443.33

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