李曉娟, 李 淵, 奚龍飛

(1. 西安公路研究院, 陜西 西安 710065; 2. 中交二公局第三工程有限公司, 陜西 西安 710016; 3. 中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 道橋所, 甘肅 蘭州 730000)

隨著公路交通行業(yè)的快速發(fā)展,由于貨車(chē)超載而引發(fā)的事故頻頻發(fā)生,全球變暖現(xiàn)象日益嚴(yán)重,這些問(wèn)題都對(duì)路面抗車(chē)轍性能提出了更高要求.考慮到未來(lái)交通量的增長(zhǎng),必然對(duì)路面的抗車(chē)轍性能提出更高的要求.基于此,我國(guó)道路科研人員開(kāi)始對(duì)抗車(chē)轍劑的性能進(jìn)行研究[1-5].通過(guò)借鑒國(guó)外對(duì)抗高溫車(chē)轍病害的經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)路孚8000抗車(chē)轍劑、法國(guó)PR抗車(chē)轍劑和殼牌公司抗車(chē)轍劑進(jìn)行瀝青混合料高溫性能的對(duì)比試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)多家高校及科研單位研發(fā)出不少品種的抗車(chē)轍劑[6-8].本研究中筆者選用北京紫瑞天成科技有限公司研發(fā)的LY抗車(chē)轍劑,這是一種經(jīng)過(guò)特殊生產(chǎn)工藝提煉得到的粒狀聚合物添加劑.為驗(yàn)證LY抗車(chē)轍劑對(duì)瀝青混合料抗高溫性能的改善效果,筆者分別對(duì)高溫重載、高溫浸水和不同碾壓次數(shù)等較苛刻條件下?lián)郊覮Y抗車(chē)轍劑的瀝青混合料抗車(chē)轍性能進(jìn)行研究探討.

1 原材料的選擇

采用的瀝青、集料和礦粉指標(biāo)要求滿足 JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求.

1.1 瀝 青

采用的瀝青為SBS(1-C)瀝青和克拉瑪依90#改性瀝青,其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集 料

粗集料和細(xì)集料均為玄武巖,礦粉為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r磨細(xì)制成的.表2為粗集料的技術(shù)指標(biāo).表3為礦粉的技術(shù)指標(biāo).

表2 粗集料的技術(shù)指標(biāo)

表3 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

1.3 LY抗車(chē)轍劑

抗車(chē)轍劑添加到混合料中可以有效改善和提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能,其主要成分是高分子聚合物和瀝青.

筆者采用新型抗車(chē)轍劑LY,其物理技術(shù)指標(biāo)如表4所示.

表4 LY抗車(chē)轍劑的物理技術(shù)指標(biāo)

2 高溫和重載下的混合料抗車(chē)轍性能

2.1 高溫條件

當(dāng)氣溫小于38 ℃時(shí)路面幾乎不會(huì)產(chǎn)生明顯車(chē)轍,而當(dāng)氣溫超過(guò)38 ℃時(shí)車(chē)轍病害就會(huì)變得明顯;交通量相同時(shí),溫度持續(xù)增加會(huì)使車(chē)轍損壞成倍增長(zhǎng)[9-10].筆者用70 ℃高溫車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)M研究夏季路面高溫條件下的抗車(chē)轍性能,采用試驗(yàn)溫度分別為60 ℃和70 ℃時(shí)添加0.4%LY的改性瀝青混合料、SBS 改性瀝青混合料及基質(zhì)瀝青混合料等3種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比值,分析高溫對(duì)3種混合料抗車(chē)轍性能的影響程度.試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表5 不同溫度條件下動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知:當(dāng)溫度上升10 ℃時(shí),3種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大幅度下降,表明溫度對(duì)混合料的高溫性能影響顯著;由于3種混合料所用膠結(jié)料和摻加抗車(chē)轍劑的情況不同,動(dòng)穩(wěn)定度降低幅度差異較大;3種混合料動(dòng)穩(wěn)定度比依次為53.7%,47.8%和40.5%;隨著溫度升高,基質(zhì)瀝青混合料的耐高溫性能最差,SBS改性瀝青混合料次之,添加0.4%LY抗車(chē)轍劑混合料動(dòng)穩(wěn)定度比最大,說(shuō)明LY抗車(chē)轍劑能夠更好地提高混合料的高溫抗變形能力.

當(dāng)試驗(yàn)荷載一致時(shí),混合料中的膠結(jié)材料隨著溫度升高逐漸達(dá)到軟化點(diǎn),膠結(jié)材料軟化后,必然導(dǎo)致混合料穩(wěn)定性下降.區(qū)別在于不同的膠結(jié)料軟化點(diǎn)不同,所表現(xiàn)出來(lái)的高溫性能也會(huì)不同.從LY抗車(chē)轍劑自身特性考慮,其軟化點(diǎn)較高,且在混合料拌和過(guò)程中添加,可以快速融化分散,達(dá)到對(duì)瀝青進(jìn)行一定程度的有效改性,從而增強(qiáng)瀝青與集料間的相互黏附,同時(shí)由于LY抗車(chē)轍劑受熱,在瀝青中形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可以對(duì)混合料產(chǎn)生一定的約束作用,進(jìn)而改善瀝青混合料高溫性能.

2.2 重載條件

由于存在貨車(chē)嚴(yán)重超載現(xiàn)象,在超載大貨車(chē)常走的高速公路外側(cè)行車(chē)道上存在嚴(yán)重的車(chē)轍病害.為探討重載條件下瀝青混合料高溫抗車(chē)轍性能,將試驗(yàn)荷載調(diào)整為1.1 MPa,試驗(yàn)溫度保持60 ℃,利用荷載分別為0.7 MPa和 1.1 MPa時(shí)不同混合料動(dòng)穩(wěn)定度比來(lái)驗(yàn)證他們?cè)诔d條件下的抗車(chē)轍性能.動(dòng)穩(wěn)定度比計(jì)算式為

式中:DS為動(dòng)穩(wěn)定度;DR為荷載分別為1.1 MPa和0.7 MPa時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度的比值.

不同試驗(yàn)荷載條件下3種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)值見(jiàn)表6.

表6 不同試驗(yàn)荷載條件下動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)值

由表6可知:在溫度保持不變的情況下,將試驗(yàn)荷載從0.7 MPa增加到1.1 MPa,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)顯著下降;不同混合料類(lèi)型的下降程度不同,這說(shuō)明混合料性能可以影響混合料的重載抗車(chē)轍能力;2種荷載下,表現(xiàn)最好的是添加0.4%LY 改性瀝青混合料,動(dòng)穩(wěn)定度比達(dá)到了65.1%,SBS 改性瀝青混合料次之,基質(zhì)瀝青混合料最差,從這一點(diǎn)可以看出,SBS改性瀝青和摻0.4%LY抗車(chē)轍劑都能提高重載下的抗變形能力,而LY抗車(chē)轍劑表現(xiàn)最佳.

3 浸水車(chē)轍試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定,車(chē)轍試驗(yàn)是在荷載為0.7 MPa、溫度為60 ℃的條件下來(lái)模擬研究瀝青路面的抗車(chē)轍能力,沒(méi)有水的參與.但是公路長(zhǎng)期處在室外環(huán)境中,會(huì)遭遇各種復(fù)雜氣候條件,夏季高溫條件下有雨水滲入路面中,同時(shí)受到車(chē)輛荷載的綜合作用,無(wú)疑會(huì)造成更為嚴(yán)重的影響.筆者用2種工況下的浸水車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)模擬浸水后的路面車(chē)轍變形:工況(1)為先將試件冷卻數(shù)小時(shí)后,烘箱恒溫60 ℃,保溫6 h,隨后在60 ℃水槽中進(jìn)行浸水車(chē)轍試驗(yàn);工況(2)為將試件冷卻12 h,然后在60 ℃水浴中放置6 h,再取出進(jìn)行常規(guī)車(chē)轍試驗(yàn).通過(guò)浸水與常規(guī)車(chē)轍試驗(yàn),對(duì)比有無(wú)水、高溫條件下3種材料的抗車(chē)轍性能.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

用殘留動(dòng)穩(wěn)定度表征不同條件下混合料的高溫浸水抗車(chē)轍能力,3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7.

表7 不同車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表7可知,3種材料在浸水以后的抗車(chē)轍性能都出現(xiàn)降低,但浸水車(chē)轍試驗(yàn)(1)相較于浸水車(chē)轍試驗(yàn)(2)下降得要多.浸水車(chē)轍試驗(yàn)(1)全程都有水的參與,基質(zhì)瀝青混合料、添加0.4%LY改性瀝青混合料及SBS 改性瀝青混合等3種混合料的殘留動(dòng)穩(wěn)定度分別為54.6%,58.9%和60.0%,與常規(guī)車(chē)轍試驗(yàn)相比均出現(xiàn)了動(dòng)穩(wěn)定度大幅度的降低,其中SBS改性瀝青混合料在高溫浸水條件下的抗車(chē)轍性能略高于添加0.4%LY改性瀝青混合料,說(shuō)明SBS改性瀝青混合料在高溫條件下的水穩(wěn)定性能要略好于添加0.4%LY改性瀝青混合料,但兩者相對(duì)于基質(zhì)瀝青混合料都有較大提升,說(shuō)明添加LY的瀝青混合料可以提升其在高溫與水綜合作用下的抗車(chē)轍能力.

浸水車(chē)轍試驗(yàn)(2)中,基質(zhì)瀝青混合料、添加0.4%LY改性瀝青混合料以及SBS改性瀝青混合料的殘留動(dòng)穩(wěn)定度分別為65.3%,70.9%和75.3%,與浸水車(chē)轍試驗(yàn)(1)相比動(dòng)穩(wěn)定度降低幅度略小.綜上,瀝青混合料高溫性能的外部影響因素除了溫度、荷載外,水的存在也是必須要考慮的,同時(shí)添加LY抗車(chē)轍劑對(duì)提高混合料的高溫、荷載和水綜合作用下抵抗永久變形能力有積極的效果.

4 碾壓次數(shù)對(duì)抗車(chē)轍性能的影響

普通車(chē)轍試驗(yàn)的試件一般往返碾壓24次即可,但在瀝青混合料中按一定比例添加抗車(chē)轍劑LY后,會(huì)使混合料中的瀝青膠結(jié)料黏度增大,因此要增大壓實(shí)功來(lái)保證密實(shí)度.在碾壓機(jī)械不變的情況下,可通過(guò)增加碾壓次數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn).

試驗(yàn)時(shí),除了要保證油石比相同,還應(yīng)盡量保證拌和時(shí)間、溫度等條件相同.將分別碾壓24,36和48次后成型的添加0.4%LY改性瀝青混合料試件進(jìn)行常規(guī)車(chē)轍試驗(yàn).表8為不同碾壓次數(shù)下添加0.4%LY改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)值.

表8 不同碾壓次數(shù)下動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)值

由表8可知:隨著碾壓次數(shù)增多,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也不斷上升;從碾壓24次增加到36次時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度急劇增大,比碾壓24次時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度增加了12.5%;從碾壓36次增加到48次時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度漲幅較小,比碾壓36次時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度增加了2.2%.對(duì)比可知,碾壓次數(shù)增加可有效地提高混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,但超過(guò)最佳碾壓次數(shù)后,對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的提高效果非常微小.這可能是由于適當(dāng)增加碾壓次數(shù)可以減小混合料的空隙率,從而提高動(dòng)穩(wěn)定度,但當(dāng)增加一定次數(shù)后,混合料將變得足夠密實(shí),因此再繼續(xù)增加碾壓次數(shù)將不再有明顯效果.綜上可知,碾壓36次左右對(duì)于提高0.4%的LY改性瀝青混合料的抗車(chē)轍性能有較好的效果.

5 結(jié) 論

1) 當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí),測(cè)試0.4%LY改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能,以動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),可以看出在較高的溫度下,0.4% LY改性瀝青混合料表現(xiàn)最好,SBS改性瀝青混合料次之,基質(zhì)瀝青混合料表現(xiàn)不太理想.

2) 將試驗(yàn)荷載由原來(lái)的0.7 MPa改成1.1MPa來(lái)模擬測(cè)試重載環(huán)境下3種材料的抗車(chē)轍性能,從動(dòng)穩(wěn)定度比可以看出,三者的抗車(chē)轍能力從大到小依次為添加0.4%LY抗車(chē)轍劑的改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料及基質(zhì)瀝青混合料.

3) 通過(guò)2種浸水車(chē)轍試驗(yàn)和常規(guī)車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,用殘留穩(wěn)定度表征混合料的高溫抗車(chē)轍性能.試驗(yàn)結(jié)果表明:水的存在對(duì)混合料高溫抗車(chē)轍性能帶來(lái)較大影響,且浸水狀況越復(fù)雜,其影響越大;3種混合料中,SBS改性瀝青混合料性能最佳,0.4%LY改性瀝青混合料性能次之,與基質(zhì)瀝青混合料相比,兩者性能都有較明顯提升.

4) 增加碾壓次數(shù)可以提升LY改性瀝青混合料的抗車(chē)轍能力,但有一個(gè)最佳碾壓次數(shù),超過(guò)最佳碾壓次數(shù)后提升效果不明顯.試驗(yàn)結(jié)果表明,使得0.4%LY改性瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能最好的碾壓次數(shù)是36次.

5) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究混合料在各種特殊環(huán)境下的高溫抗車(chē)轍性能.相比之下,摻加LY抗車(chē)轍劑的瀝青混合料能全方位提升混合料在特殊環(huán)境下的抗車(chē)轍能力,尤其在外部環(huán)境惡劣的地區(qū)值得推廣使用摻加LY抗車(chē)轍劑的瀝青混合料.