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      高粘瀝青在多孔排水路面的應(yīng)用

      2020-03-01 05:30:19徐強
      西部交通科技 2020年5期
      關(guān)鍵詞:路用性能改性劑

      徐強

      摘要:為研究高粘瀝青在多孔排水路面的應(yīng)用,文章分析了改性劑摻量對兩種改性瀝青性能的影響,確定最佳摻量下的性能較優(yōu)異的改性劑制備高粘瀝青,并通過車轍試驗、彎曲試驗、凍融劈裂試驗等試驗檢測高粘瀝青混合料力學(xué)性能,同時對高粘瀝青混合料的抗滑性能、排水性能等進行實驗分析,發(fā)現(xiàn)高粘瀝青混合料能夠滿足排水性瀝青路面施工要求,各項路用性能優(yōu)勢顯著,具有應(yīng)用潛力。

      關(guān)鍵詞:多孔排水路面;改性劑;高粘瀝青;路用性能

      0 引言

      近年來,我國高速公路的建設(shè)取得了快速發(fā)展,目前我國高速公路里程達到14.26萬 km,其中國家高速公路里程為10.55萬 km,我國形成了全球最大的高速公路網(wǎng)路,總里程穩(wěn)居世界第一。雖然高速公路建設(shè)發(fā)展如此之快,但仍存在一些問題尚未解決,如雨水天氣時路面積水造成路面濕滑,導(dǎo)致交通事故率陡增,大量積水甚至導(dǎo)致城市內(nèi)澇。隨著道路交通的發(fā)展,公路從業(yè)者開始致力于追求更加舒適、環(huán)保、安全的道路環(huán)境。

      排水瀝青路面具有良好的排水降溫降噪功能,能夠提高行車舒適性,增強道路的使用品質(zhì)。排水瀝青路面也稱透水瀝青路面,是通過將粒徑較大的粗集料互相擠嵌形成骨架孔隙結(jié)構(gòu),經(jīng)過壓實作用之后將孔隙率保持在20%左右,其內(nèi)部的空隙可構(gòu)成排水通道有利于排出路面積水。但排水瀝青混合料中細集料較少,粗集料含量較多,這會造成集料間的瀝青接觸面較小,空隙率較大,其粘聚力遠低于普通密級配混合料[1],因此混合料的抗飛散性能、水穩(wěn)定性能、耐久性能不佳是排水瀝青路面發(fā)展的一大障礙。

      通過匯總國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及大量工程實踐可知,高粘改性瀝青能夠顯著提高排水性瀝青混合料的抗水損壞、抗車轍、抗飛散損壞以及抗裂性能。高粘瀝青與普通改性瀝青相比,具有較高的60 ℃黏度,即使在排水瀝青混合料中也能產(chǎn)生較大的粘結(jié)力,同時也能提高排水瀝青混合料的抗老化和抗結(jié)構(gòu)性損害能力。因此本文以期開發(fā)一種高粘瀝青改性劑,制備混合料并檢測其性能指標,通過對比規(guī)范要求以評價混合料路用性能,為今后我國排水瀝青路面應(yīng)用提供參考經(jīng)驗,對提升我國道路交通安全性、舒適性具有參考意義。

      1 原材料

      1.1 基質(zhì)瀝青

      基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標對改性后瀝青的性能有重要影響,因此基質(zhì)瀝青各項指標必須符合規(guī)范要求。本文采用東海牌70#基質(zhì)瀝青,其主要技術(shù)指標見表1。

      1.2 改性劑

      SBS是排水性路面中應(yīng)用較為廣泛的高粘改性劑成分之一,多摻配增粘樹脂、增塑劑等組分制備高粘改性劑。研究表明,橡膠類物質(zhì)可改善瀝青混凝土的低溫性能,但與SBS等改性劑相比,對高溫性能的貢獻不大[2]。根據(jù)以往經(jīng)驗,初步確定使用SBS、40目廢舊輪胎橡膠粉兩種高粘改性劑進行試驗。橡膠粉、SBS改性劑基本性能指標分別如表2、表3所示。

      1.3 礦料

      因條件限制,本研究采用粗細集料均為石灰?guī)r,礦粉由石灰?guī)r磨細制得。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)對礦料進行基本性能試驗,技術(shù)要求根據(jù)施工技術(shù)規(guī)范中高速公路、一級公路表面層,氣候分區(qū)1-3-2確定。試驗結(jié)果如表4所示。

      2 高粘改性瀝青制備

      為優(yōu)選一種經(jīng)濟適用的改性劑用于制備高粘瀝青,本文根據(jù)經(jīng)驗采用SBS、橡膠粉兩種改性劑,選擇6%、8%、10%三種摻量水平進行對比試驗,以確定改性劑摻量對兩種改性瀝青性能指標的影響。具體試驗方案如表5所示。

      控制相容劑和穩(wěn)定劑摻量相同,改性劑摻量參照試驗方案,制備6份高粘瀝青試件,依次測定高粘瀝青的針入度、5 ℃延度、軟化點、60 ℃黏度。試驗結(jié)果如表6所示。

      橡膠粉或SBS均可提高瀝青粘稠度。隨著改性劑摻量的增加,瀝青針入度降低,經(jīng)14%橡膠粉或SBS改性后,瀝青針入度降低0.1 mm左右。這可能是SBS分散在瀝青中形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會阻礙改性瀝青分子間相對運動,提高瀝青黏度,導(dǎo)致針入度下降、瀝青變硬。隨著膠粉摻量的增加,瀝青分子與膠粉中橡膠結(jié)構(gòu)的結(jié)合度增加,分散橡膠質(zhì)與橡膠??臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)合機率增加,導(dǎo)致針入度下降。

      橡膠粉或SBS均可提高瀝青高低溫性能。隨著改性劑摻量的增加,延度和軟化點增大,改性劑摻量為14%時,延度增加至基質(zhì)瀝青的兩倍左右。這是因為橡膠粒子吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分后發(fā)生溶脹,在高溫時發(fā)生裂解反應(yīng),使瀝青含量相對增加,導(dǎo)致改性后的瀝青變稠,流動性下降,從而提升了高低溫性能。瀝青中摻加SBS改性劑會使瀝青變稠,彈性增加,同時瀝青組分間的粘附性增強,從而對高低溫性能有不同程度的提升[3]。

      SBS改性瀝青各項性能指標均高于橡膠改性瀝青,這是因為高分子聚合物的彈性比膠粉粒子要好,且SBS改性劑可以與基質(zhì)瀝青相互交聯(lián)成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),但橡膠改性劑無法達到這種功效,同時在低溫下膠粉粒子剛性較強,在集中應(yīng)力作用下極易斷裂[3]。

      60 ℃黏度作為高粘瀝青性能的重要考慮指標,其數(shù)值越大則高溫條件下對集料的粘附性越好,兩種改性劑在摻量相同時,SBS改性劑的60 ℃黏度更高,且滿足《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)細則》中高粘瀝青60 ℃動力黏度≥50 000 Pa·s。若在選取改性劑時綜合考慮經(jīng)濟性和技術(shù)指標,應(yīng)選用SBS改性劑,摻量為14%制備高粘瀝青。

      3 高粘瀝青混合料路用性能研究

      3.1 混合料配合比設(shè)計

      路面的排水功能主要依靠內(nèi)部孔隙形成排水通道,但孔隙率較大時又會造成耐久性能不佳,因此在兼顧耐久性和排水功能性時,空隙率是關(guān)鍵的技術(shù)指標。18%~25%是國內(nèi)外比較普遍使用的空隙率,以20%最為常見,因此本文目標空隙率設(shè)定為20%。

      依據(jù)推薦的級配范圍,進行級配設(shè)計,根據(jù)已經(jīng)確定的目標空隙率進行適當調(diào)整,得出最終設(shè)計級配如表7所示。

      排水路面瀝青混合料中的大粒徑碎石粗集料比較多,若油石比過小會發(fā)生集料松散剝落的現(xiàn)象,若油石比過大則會導(dǎo)致析漏。因此為保證排水路面瀝青混合料的性能,確定最佳油石比尤為重要。選取油石比為3.7%~5.7%,以0.5%間隔變化成型馬歇爾試件,進行馬歇爾性能試驗。試驗結(jié)果如下頁表8所示。

      由表8可知,當油石比為4.7%時,瀝青混合料馬歇爾試件的空隙率在20%左右,穩(wěn)定度為最大值,且其余各項指標均滿足規(guī)范要求,因此選取最佳油石比為4.7%。

      3.2 高粘瀝青混合料力學(xué)性能研究

      本文以車轍試驗、彎曲試驗和凍融劈裂試驗評價SBS改性瀝青混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性。SBS改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料試驗結(jié)果如表9所示。

      高粘排水瀝青混合料的動穩(wěn)定度>6 000 次/mm,[JP2]約為基質(zhì)瀝青混合料的3倍,彎曲破壞應(yīng)變和凍融劈裂強度比也均高于后者,表現(xiàn)出良好的高低溫性能和水穩(wěn)定性。

      4 高粘瀝青應(yīng)用效果分析

      4.1 抗滑性能

      按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60-2008)中的試驗方法,本文采用英國ELE-6000型便攜式擺式儀測量高粘瀝青混合料成型的車轍試件的擺值[4],以檢驗其抗滑性能,試驗結(jié)果如表10所示。

      由表10可知,三次測得的高粘瀝青混合料BPN值均>60,滿足《公路路面驗收規(guī)范》中規(guī)定的高速公路的瀝青路面擺值應(yīng)>45 BPN的要求。說明高粘瀝青混合料具有比較好的微觀紋理,滿足路面的抗滑性能。

      4.2 排水性能

      根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60-2008)中的試驗方法,將高粘瀝青混合料碾壓成型后,利用路面滲水儀來測定其滲水系數(shù),測定五次取平均值,以檢驗該混合料的排水性能[4]。試驗結(jié)果如表11所示。

      根據(jù)表11可以發(fā)現(xiàn),高粘瀝青混合料滲水系數(shù)為4 428.3 ml/min,遠超過技術(shù)標準≥3 600 ml/min的要求;滲水時間為5.3 s,遠低于技術(shù)標準≤6.7 s的要求,表明其具有很強的排水能力。

      因此,將高粘瀝青應(yīng)用于排水性路面時,雨水能夠迅速滲入面層,有效減少水濺、水霧等問題,同時其抗滑性能良好,能夠提高行車的安全性,表明高粘瀝青應(yīng)用在排水路面中效果良好,可以推廣應(yīng)用。

      5 結(jié)語

      在目前建設(shè)“海綿城市”的理念下,本文對高粘瀝青在多孔排水路面的應(yīng)用進行研究,發(fā)現(xiàn)改性瀝青的摻量對制備的改性瀝青性能有影響,隨著摻量的升高,各項性能逐漸變好。通過車轍試驗、彎曲試驗和凍融劈裂試驗發(fā)現(xiàn)高粘瀝青用于排水瀝青混合料中,表現(xiàn)出良好的高、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性;通過高粘瀝青混合料排水性能和抗滑性能測試發(fā)現(xiàn)各項性能指標遠超過規(guī)范要求,路用性能良好。高粘瀝青排水路面是一種具有高端使用功能和環(huán)保品質(zhì)的路面類型,為建設(shè)更為舒適、環(huán)保、安全的道路交通提供了一種選擇,在國內(nèi)應(yīng)用前景廣闊,建議推廣應(yīng)用。[JP2]

      參考文獻:

      [1]劉東美,葉慶凡,于曉霞,等.排水路面高黏瀝青及其混合料性能試驗研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報,2019,34(2):17-21.

      [2]宋樂春,寧愛民,李志軍,等.排水性瀝青路面用高黏改性劑研究進展[J].中國膠粘劑,2017,26(12):55-58.

      [3]盧 杰.透水瀝青路面專用高粘度改性瀝青性能研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2018.

      [4]張 嚴.排水性環(huán)氧瀝青混合料性能研究[D].南京:東南大學(xué),2018.

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