安建鑫?李哲?黃燕

摘 要：為了改善路橋工程瀝青混合料的使用性能，本文提出把地聚合物作為一種新型瀝青改性劑摻加到瀝青混合料中，并通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)的方式，對(duì)摻加地聚合物的瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性及低溫性能進(jìn)行評(píng)定，以優(yōu)化瀝青混合料，延長(zhǎng)工程使用壽命。

關(guān)鍵詞：路橋工程;瀝青混合料;高溫性能;地聚合物

中圖分類號(hào)：U415;U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）32-0104-03

Effective Test Method of Asphalt Mixture in Road and Bridge Engineering

AN Jianxin LI Zhe HUANG Yan

（Xuchang Huasheng Highway Engineering Testing Co.， Ltd.， Xuchang Henan 461000）

Abstract： In order to improve the service performance of asphalt mixture for road and bridge engineering， geopolymer is proposed to be added to asphalt mixture as a new asphalt modifier， and the high-temperature performance， water stability and low-temperature performance of asphalt mixture mixed with geopolymer are evaluated through test， so as to improve the asphalt mixture and prolong the service life of the project.

Keywords： road and bridge engineering;asphalt mixture;high temperature performance;geopolymer

瀝青路面具有行車舒適、穩(wěn)定性好、便于養(yǎng)護(hù)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)路橋工程中應(yīng)用十分廣泛。然而，在行車荷載和惡劣的自然環(huán)境下，傳統(tǒng)的瀝青路面已不堪重負(fù)。在通車運(yùn)營(yíng)1～2年后，很多瀝青路面會(huì)出現(xiàn)早期病害，尤其是裂縫問(wèn)題，無(wú)疑會(huì)增加行車風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一問(wèn)題，需要采取切實(shí)可行的措施提高工程質(zhì)量，改善瀝青混合料的質(zhì)量。目前，我國(guó)路橋工程多采用SBS類的有機(jī)聚合物改性瀝青材料，但此類材料存在一定缺陷，如儲(chǔ)存穩(wěn)定性不好、易出現(xiàn)離析現(xiàn)象等，變相地增加了工程成本[1-2]。相比之下，地聚合物不僅性能優(yōu)良，而且適用性強(qiáng)，是一種價(jià)格較低的膠凝材料，應(yīng)用前景廣闊[3-5]。為此，本文針對(duì)路橋工程摻加地聚合物瀝青混合料的性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)與評(píng)價(jià)分析。

1 試驗(yàn)方案及材料分析

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 瀝青。根據(jù)規(guī)定要求，選取70#基質(zhì)瀝青、3%摻地聚合物改性瀝青、5%摻地聚合物改性瀝青、7%摻地聚合物改性瀝青及9%摻地聚合物改性瀝青共5種不同配比的材料進(jìn)行對(duì)比分析，要求選取的瀝青材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)定要求。

1.1.2 集料。本研究選取輝綠巖集料，對(duì)其各項(xiàng)原材料進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，確定其符合技術(shù)要求。

1.1.3 礦粉。本研究選取石灰石礦粉，其表觀密度、外觀、含水量及親水系數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均要滿足規(guī)定要求。

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

為了確定地聚合物改性瀝青混合料的性能，需要在試驗(yàn)前先制備混合料試件。所需的試件有3類，具體如表1所示。

在瀝青混合料中，骨架結(jié)構(gòu)為粗集料。為了填充骨架間的空隙，需要摻加一定量的細(xì)集料、礦粉。瀝青材料在混合料中主要起到黏結(jié)的作用。因此，為了確保瀝青混合料的質(zhì)量，需要保障礦料級(jí)配合理，同時(shí)要確定瀝青混合料的最佳油石比。具體來(lái)說(shuō)，可采取馬歇爾法確定瀝青混合料的最佳油石比，瀝青混合料采取濕法進(jìn)行拌和處理。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置5組馬歇爾試件，油石比范圍為4.2%～5.4%，油石比間隔以0.3%為準(zhǔn)，每組試件不少于4個(gè)。在馬歇爾試驗(yàn)中，選定基質(zhì)瀝青為最佳油石比，按照馬歇爾試件規(guī)定要求，確定具體尺寸，并對(duì)每個(gè)試件的兩面進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)次數(shù)均為75次。在室溫條件下，冷卻24 h以上，而后測(cè)定瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)，最終得出最佳油石比為4.9%。

1.3 確定試驗(yàn)方案

按照試驗(yàn)要求，需要確定瀝青混合料的各項(xiàng)性能。試驗(yàn)檢測(cè)的重點(diǎn)在于高溫性能、水穩(wěn)定性和低溫性能，可利用車轍試驗(yàn)確定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，利用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)確定瀝青混合料的水穩(wěn)定性，利用低溫彎曲試驗(yàn)確定瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2 路橋工程瀝青混合料試驗(yàn)檢測(cè)分析

2.1 高溫穩(wěn)定性檢測(cè)

高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料試驗(yàn)檢測(cè)的重點(diǎn)之一，是指在高溫環(huán)境下瀝青路面抵抗車轍荷載的性能。通過(guò)檢測(cè)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，可以詳細(xì)地了解瀝青路面的使用性能，確保路面滿足規(guī)定要求。瀝青混合料屬于一種黏彈性材料。在高溫條件下，瀝青混合料的黏性流動(dòng)較強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)變軟的現(xiàn)象，因而瀝青路面在車輛碾壓作用下極易出現(xiàn)車轍問(wèn)題，對(duì)路橋面的使用性能影響較大，甚至?xí)哟笮熊囄ｋU(xiǎn)性。為了檢驗(yàn)改性瀝青混合料的高溫性能，本研究采取混合料高溫車轍試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)試驗(yàn)要求，對(duì)4種不同摻量的地聚合物改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)溫度為60 ℃，荷載輪壓為0.7 MPa，試驗(yàn)測(cè)定45 min、60 min兩個(gè)時(shí)間的變形量，試件各3個(gè)，確定動(dòng)穩(wěn)定度范圍、平均值及變異系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，基質(zhì)瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)指標(biāo)為不少于1 000次/mm，可見(jiàn)70#基質(zhì)瀝青滿足規(guī)定要求;地聚合物改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)指標(biāo)為不少于3 200次/mm。由表2可知，4類地聚合物改性瀝青均滿足該要求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

第一，與70#基質(zhì)瀝青相比，地聚合物改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提升幅度較大。由此得出，基質(zhì)瀝青混合料內(nèi)摻加一定量地聚合物，可以提高基質(zhì)混合料的高溫穩(wěn)定性。究其原因，主要有兩點(diǎn)：一是地聚合物自身的耐高溫性能良好，瀝青混合料內(nèi)摻加一定量地聚合物，可以明顯提高瀝青的高溫性能;二是瀝青改性后，黏附性能有所改善，同樣可以提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

第二，當(dāng)?shù)鼐酆衔飺搅坎粩嘣黾訒r(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)隨之提高。當(dāng)摻加量達(dá)到9%時(shí)，與基質(zhì)瀝青混合料相比，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度約是它的2倍。需要注意，當(dāng)?shù)鼐酆衔飺搅吭?%以上時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)幅度在逐漸下降。

第三，瀝青混合料摻加地聚合物后，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度變異系數(shù)有所下降。當(dāng)摻量為5%時(shí)，其變異系數(shù)明顯小于摻量7%時(shí)。可見(jiàn)，隨著地聚合物摻量的改變，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度變異系數(shù)并沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。但與基質(zhì)瀝青混合料相比，地聚合物改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性更好。究其原因，瀝青內(nèi)地聚合物均勻分散的情況，可以均勻提升改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，使其更加穩(wěn)定。

2.2 水穩(wěn)定性檢測(cè)分析

在瀝青混合料水穩(wěn)定性檢測(cè)中，本研究選擇兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比。根據(jù)試驗(yàn)要求，同樣以70#基質(zhì)瀝青混合料和4類地聚合物摻量瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比研究。

2.2.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)。根據(jù)4.9%最佳油石比確定馬歇爾試件，每種瀝青混合料均成型2組試件，在60 ℃恒溫水浴內(nèi)浸泡全部試件，第一組和第二組放置時(shí)間分別為30 min和48 h。完成浸泡后，便可進(jìn)行穩(wěn)定度值測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行殘留穩(wěn)定度計(jì)算，從而獲取瀝青混合料的水穩(wěn)定性。結(jié)果顯示：70#基質(zhì)瀝青的殘留穩(wěn)定度為86%，3%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為91%，5%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為94%，7%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為95%，9%地聚合物改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為96%。由此可見(jiàn)，地聚合物改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均在90%以上，且均在70#基質(zhì)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度以上。這說(shuō)明瀝青混合料內(nèi)摻入一定量地聚合物，可以提高混合料的抗水損壞能力。究其原因，在于摻加地聚合物后，改性瀝青混合料具有良好的黏附性能，且抗剝落能力明顯增強(qiáng)。

2.2.2 凍融劈裂試驗(yàn)。對(duì)基質(zhì)瀝青和地聚合物改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比分析，共做兩組試件（一組為凍融循環(huán)組，另一組為對(duì)照組），由此進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，獲取瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度及凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比（Tensile Strength Ratio，TSR）。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，要求基質(zhì)瀝青的劈裂抗拉強(qiáng)度比不小于75%。本試驗(yàn)中，70#基質(zhì)瀝青的劈裂抗拉強(qiáng)度比為82.02%，滿足要求;地聚合物改性瀝青的劈裂抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)為不小于80%。本試驗(yàn)中，4種不同摻量的地聚合物改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度均在80%以上，滿足規(guī)定要求。

同時(shí)，與基質(zhì)瀝青混合料相比，地聚合物改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比明顯較大，表明地聚合物摻加瀝青混合料內(nèi)，可以增強(qiáng)混合料的水穩(wěn)定性。除此之外，由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)?shù)鼐酆衔飺搅吭?%以上時(shí)，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比變化逐漸變小，說(shuō)明地聚合物摻量在5%的情況下，瀝青混合料水穩(wěn)定性能具有良好的提升效果。

2.3 低溫性能檢測(cè)分析

在路橋工程中，低溫開(kāi)裂是一種十分普遍的病害形式。裂縫過(guò)多會(huì)對(duì)路橋通行的舒適性和安全性造成極大影響。當(dāng)前，路橋面低溫性能檢測(cè)方法較多，如彎曲法、切口小梁彎曲法及直接拉伸法等。本文采用低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)定地聚合物改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)為最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量。

試驗(yàn)過(guò)程中，采用小梁試件，試驗(yàn)尺寸符合規(guī)定要求，并確定支座支點(diǎn)間距、加載速率及試驗(yàn)溫度等試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)所得結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在瀝青混合料低溫性能檢測(cè)中，70#基質(zhì)瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變值大于4種不同摻量的地聚合物改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變值。隨著地聚合物摻量不斷增加，混合料的最大彎拉應(yīng)變值不斷下降，尤其是地聚合物摻量達(dá)到9%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變降為3 050 με，與基質(zhì)瀝青混合料相比，降低了25%左右。通常來(lái)講，低溫條件下混合料的柔韌性可由最大彎拉應(yīng)變值表示，即瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值越大，說(shuō)明瀝青混合料具有越高的柔韌性，具有越好的低溫抗裂性能。這也說(shuō)明當(dāng)瀝青混合料內(nèi)摻加一定量的地聚合物后，混合料的低溫性能會(huì)有所下降，原因在于地聚合物具有較高的界面結(jié)合強(qiáng)度，若界面結(jié)合強(qiáng)度較高，容易造成材料脆性破壞，導(dǎo)致改性瀝青混合料開(kāi)裂。

3 結(jié)語(yǔ)

瀝青路面是最常見(jiàn)的一種路面形式，在路橋工程中應(yīng)用較為廣泛。然而在行車荷載和自然因素的反復(fù)作用下，瀝青路面開(kāi)裂，坑槽、車轍等病害層出不窮。為了提高行車舒適性和安全性，在瀝青混合料中摻加改性劑成為一種理想的改良方式。改性瀝青混合料的應(yīng)用不僅可以改善瀝青混合料的路用性能，而且能進(jìn)一步提升工程質(zhì)量。

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