高粘劑在瀝青路面車轍病害處置中的應用研究

古燈華,張江飛,衣路野,潘海賓,伍輝明

(1.廣西道路結構材料重點試驗室,廣西 南寧 53007;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 53007)

0 引言

瀝青路面在車輛荷載反復作用下,其行車道輪跡帶部位易產生永久變形,變形達到一定程度就會產生車轍病害,嚴重威脅高速公路瀝青路面的服役性能和行車安全,此病害在交通量和載重高的濕熱地區(qū)表現(xiàn)更為突出[1]。根據(jù)近些年的工程實例應用效果,車轍病害也是水泥混凝土瀝青加鋪(白加黑)復合式路面的典型病害之一,通常采用銑刨重鋪的方式來解決[2]。當工程維護經費有限,路面銑刨重鋪厚度有限時,對瀝青加鋪材料的性能和配合比組成設計提出了較高的要求,既要求材料具有良好的密實性,又要求其具有較強的高溫抗剪切能力。

路面用瀝青混合料的高溫抗剪切能力主要由瀝青膠結料自身粘結力和礦料間顆粒的嵌擠力決定,瀝青黏度相對增大時,瀝青膠結料與石料間的粘結力就越強,從而提升瀝青混合料的抗剪切能力,增強路面的高溫穩(wěn)定性。在大多工況條件下,依靠現(xiàn)有成品瀝青難以滿足要求,需摻加適量功能型添加劑來實現(xiàn)目標[3]。大量研究表明[4-8],在瀝青中摻入一定量的高粘劑,可增強瀝青膠結料的粘結力和高溫穩(wěn)定性,其在排水瀝青混合料中的應用技術相當成熟,但是缺乏在間斷級配瀝青混合料中應用研究。針對廣西某高速公路改擴建項目中路面車轍病害問題,本文提出在銑刨重鋪試驗段瀝青混合料類型選用SMA-13間斷級配,在優(yōu)選原材料和優(yōu)化級配設計的基礎上,摻入4%(瀝青質量的)高粘劑,通過動態(tài)剪切流變試驗、低溫彎曲蠕變試驗、普通車轍試驗、馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、路面車轍深度試驗和漢堡車轍試驗,對兩種瀝青及瀝青混合料的性能進行分析,研究高粘劑的摻入對其室內試驗性能和施工試驗段應用性能的影響,為高粘劑在瀝青路面車轍病害處置工程中的推廣應用提供依據(jù)。

1 試驗材料與設計級配

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

試驗采用殼牌SBS(Ⅰ-D)改性瀝青,其技術指標如表1所示。

表1 SBS(Ⅰ-D)技術性能指標表

1.1.2 集料

輝綠巖碎石產于貴港,礦粉為石灰?guī)r磨細加工而成,其技術指標見表2和表3。

表2 輝綠巖集料的技術指標表

表3 礦粉技術指標表

1.1.3 高粘劑

采用湖南某公司生產的高粘劑,摻量為SBS改性瀝青質量的4%。摻入瀝青中的具體方法為:將SBS(Ⅰ-D)改性瀝青加熱至180 ℃,加入一定質量的高粘劑;攪拌均勻后,調整剪切機速率為4 500 r/min,180 ℃溫度條件下剪切30 min;剪切后,將試樣放在180 ℃的烘箱內發(fā)育30 min,即制備得到加入高粘劑的改性瀝青(TS)。高粘劑摻入瀝青混合料中的具體方法為:將高粘劑和集料一起加入拌和鍋中,拌和90 s后,再加入SBS改性瀝青拌和90 s,最后加入礦粉拌和90 s。

1.2 礦料級配設計

采用混合料級配類型為SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13,油石比為5.7%,摻入高粘劑的混合料中木質纖維摻量為0.3%(占瀝青混合料質量的比例,下同),未摻高粘劑的混合料中木質纖維摻量為0.35%。礦料級配組成見表4。

表4 SMA-13礦料組成設計結果表

2 室內試驗性能研究

2.1 高粘劑對瀝青性能的影響

2.1.1 動態(tài)流變性能

制取SBS、TS的動態(tài)剪切流變試驗(DSR)試樣,設置試驗溫度為52 ℃～82 ℃(間隔6 ℃),對試樣進行溫度掃描,對比分析短期老化前后兩種瀝青的相位角δ和車轍因子G*/sinδ變化情況,從而分析兩種瀝青的高溫流變性能,試驗結果如圖1～2所示。

圖1 兩種瀝青老化前后相位角值隨溫度變化曲線圖

由圖1知,未老化前,TS相位角遠小于SBS改性瀝青,高粘劑的摻入使瀝青受到應力作用,材料的可恢復變形與不可恢復變形之間的相對比例增大,增加了瀝青的彈性成分,使其在荷載作用下的高溫抗變形能力增強。短期老化后,TS高溫相位角值顯著增大,表明高粘劑的加入使SBS改性瀝青的熱穩(wěn)定性有所降低。從圖2可以看出,在64 ℃溫度條件下,不同狀態(tài)下兩種瀝青的車轍因子大小順序為:TS短期老化后>SBS短期老化后>TS原樣>SBS原樣,高粘劑的摻入提高了瀝青的高溫抗變形能力;短期老化后,TS和SBS的車轍因子值分別是其原樣瀝青的1.8倍和1.2倍,這表明短期老化作用使得瀝青的車轍因子值增大,TS受短期老化作用的影響較大,但未改變其高溫PG分級溫度等級,均為76 ℃。

圖2 兩種瀝青老化前后車轍因子隨溫度變化曲線圖

2.1.2 低溫彎曲蠕變性能

設置試驗溫度為:-12 ℃、-18 ℃,采用彎曲梁流變儀測試兩種瀝青樣品的低溫蠕變性能。表5為SHRP評價方法(取第60 s的勁度模量S與蠕變速率m作為PG性能試驗分級的依據(jù))中瀝青BBR試驗結果。

表5 SBS(Ⅰ-D)和TS低溫彎曲試驗結果表

由表5可知,在溫度為-12 ℃時,相對于SBS,TS的蠕變勁度模量S值減小28%,表明高粘劑有助于改善瀝青低溫松弛能力,提高其低溫抗裂性。同種溫度條件下,兩種瀝青樣品的蠕變速率變化較小,其低溫PG分級溫度等級(-22 ℃)一致,故高粘劑的摻入對瀝青低溫性能影響甚微。

2.2 高粘劑對混合料性能的影響

2.2.1 普通車轍性能

制備兩種瀝青混合料SMA-13,成型車轍板試件進行普通車轍試驗,試樣尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,試驗溫度分別為60 ℃±1 ℃和70 ℃±1 ℃,動穩(wěn)定度試驗結果如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下兩種瀝青混合料的車轍性能對比柱狀圖

從圖3可以看出,瀝青種類和溫度對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響顯著,相對于SBS(Ⅰ-D)改性瀝青混合料,60 ℃溫度條件下,TS的動穩(wěn)定度值增大了52%,70 ℃溫度條件下,TS的動穩(wěn)定度值增大了18%,TS瀝青混合料的動穩(wěn)定度值比較高。但隨著溫度升高,兩種瀝青混合料間的動穩(wěn)定度差距減小,這表明高粘劑的摻入可提高瀝青混合料的高溫抗變形能力,但對于服役溫度比較高的地區(qū),其提升能力減弱。

2.2.2 混合料水損壞性能

分別對兩種改性瀝青混合料SMA-13進行殘留穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂試驗,分別以殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比評價其水穩(wěn)定性能,試驗結果見表6和表7。

表6 兩種瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結果表

表7 兩種瀝青混合料凍融劈裂試驗結果表

由表6可知,60 ℃水浴養(yǎng)生后,TS瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度高于SBS,相同體積指標條件下,在60 ℃恒溫水槽浸水48 h后,兩種瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度值相近。這是由于熱氧老化作用使得瀝青中輕質組分揮發(fā),黏度增大,從而提高了瀝青混合料的抗變形能力,導致混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度常>100%,故高粘劑的摻入對瀝青混合料的高溫抗水損能力影響甚微。

從表7可以看出,真空飽水后,于-18 ℃低溫和60 ℃高溫條件下凍融前后,SBS改性瀝青混合料的劈裂強度均小于TS,這是因為摻有高粘劑的瀝青混合料中,膠結料與石料的粘附性較大,提高了瀝青混合料抵抗凍融循環(huán)下的水損壞能力,且其凍融劈裂抗拉強度比也顯著提高,表明高粘劑對瀝青混合料的低溫抗水損壞性能的提升作用是顯著的。

3 施工應用

3.1 項目概況

在廣西某高速公路改擴建項目中,原有路面結構為水泥混凝土,改擴建工程在原有路面上加鋪三層改性瀝青路面層:上面層是厚度為4 cm的SMA-13,中面層是厚度為6 cm的AC-20C,下面層是厚度為9 cm的ATB-25,總厚度為19 cm。某標段路面修筑通車后半年,第四行車道出現(xiàn)嚴重車轍病害。調查發(fā)現(xiàn),車轍問題主要是中面層瀝青混合料抗車轍性能不足導致,且病害處于一直發(fā)展狀態(tài)。根據(jù)該路段車轍深度具體情況,提出處理方案:第四車道中車轍病害深度<10 mm的路段不做處理;車轍病害深度>10 mm的路段,銑刨后重新鋪筑,具體方案由試驗段情況確定。為提升路面抗車轍能力,在優(yōu)選原材料和優(yōu)化級配設計的基礎上,從經濟角度考慮,在原設計SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13中摻入少量高粘劑來提升其整體抗車轍能力,最終確定試驗段具體銑刨和重鋪方案為:選取典型段落,將原有車轍病害路面銑刨4 cm和6 cm厚度后,分別鋪筑SBS和TS改性瀝青混合料SMA-13。

3.2 試驗路驗證

3.2.1 路面車轍深度

在試驗段落重鋪開放交通后的一個月和三個月,經歷夏季最高溫的氣候條件后,使用多功能檢測車分別檢測試驗路段的車轍深度情況,檢測結果見表8。

表8 銑刨重鋪典型試驗路段通車后車轍情況表

由上頁表8可知,K2068+677～K2068+854和K2068+915～K2069+200試驗段在通車一個月后,產生了較小的深度變化,這是由于改建工程鋪筑后即開放交通,在重車荷載作用下二次壓密導致的,故在全段落處理車轍病害時,建議封閉交通一周以上再開放。通車三個月后,相對于通車一個月時,K2068+677～K2068+854路段的整體車轍深度比K2068+915～K2069+200段顯著增大,這表明高粘劑的摻入對提升路面抗永久變形的能力是有益的;K2061+350～K2061+650路段整體車轍深度變化較為明顯,在長大縱坡段,雖然考慮特殊路段對抗車轍能力的高要求,銑刨厚度增加至6 cm,但試驗段抗車轍效果并不理想,證明對于特殊路段路面抗車轍能力要求較高時,要確保一定的路面厚度,才能保證其性能需求。

3.2.2 漢堡車轍性能

為模擬瀝青混合料在高溫多雨地區(qū)行車荷載下的性能表現(xiàn),采用漢堡車轍試驗評價兩種瀝青混合料路面芯樣抗水損和高溫變形的能力。其中漢堡車轍試驗停止的條件為:(1)碾壓次數(shù)達到20 000次;(2)試件變形深度達到15 mm。本研究中,在試驗路段,使用直徑為150 mm的鉆芯機,分別鉆取SBS和TS改性瀝青混合料鋪設路段路面芯樣,試驗室切取芯樣上面層4 cm厚度后制備成漢堡車轍試件,設置水浴溫度為50 ℃,采用德國INFRATEST公司產20-4000型漢堡車轍儀進行試驗,結果見圖4。

圖4 試驗路段兩種瀝青混合料的漢堡車轍性能對比曲線圖

從圖4可以看出,兩種瀝青混合料的漢堡車轍均在碾壓達到20 000次后,試驗停止;50 ℃水浴環(huán)境條件和鋼輪作用碾壓狀態(tài)下,車轍深度均<5 mm,表明施工鋪筑后的兩種材料具有較高的抗車轍和水損壞能力。隨著碾壓次數(shù)的增加,TS改性瀝青混合料的車轍變形速率較小,變化趨勢較為平緩,而SBS改性瀝青混合料車轍深度變化幅度較大;在碾壓次數(shù)達到20 000次時,SBS改性瀝青混合料的車轍變形深度為3.5 mm,TS改性瀝青混合料的車轍變形深度為2.7 mm,高粘劑的摻入有利于提升瀝青混合料抗車轍和抗水損能力。

4 結語

(1)高粘劑的摻入增大了瀝青中的彈性成分,使得瀝青的高溫抗變形能力增強,但在一定程度上降低了SBS改性瀝青的熱穩(wěn)定性。

(2)在瀝青混合料中摻入高粘劑,可顯著提高其高溫抗車轍和抗水損性能,但對于服役溫度比較高的地區(qū),其高溫性能提升幅度減弱。

(3)對于高速公路改擴建工程路面病害的維修,銑刨重鋪后要封閉交通后一周以上再開放。

(4)高速公路路面車轍病害處理時,特殊路段要確保結構層具有一定的銑刨層厚度,才能發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢。

(5)高粘劑應用于瀝青路面車轍病害處置時,其經濟性最優(yōu)摻量方案還有待進一步深入研究。