吳 濤

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300450)

我國南方部分地區(qū)屬于亞熱帶高溫區(qū),夏季炎熱,路面容易產(chǎn)生車轍病害;珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá),重載車輛多、交通量較大,因此珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)的道路車轍病害尤為明顯。車轍病害的出現(xiàn)不僅會縮短瀝青路面的使用壽命、影響汽車行駛的舒適性,而且會危及行車安全[1]。因此,許多科研人員綜合國內(nèi)外抗車轍的研究,提出在瀝青混合料中加入抗車轍劑,提高混合料的綜合性能,以減輕路面車轍病害的影響。

目前,國內(nèi)的抗車轍劑主要有熱塑性樹脂類聚乙烯(PE)、高模量抗車轍劑(RA)、車轍王抗車轍劑(Rad Spunrie)等。相關(guān)研究表明:與SBS 改性瀝青相比,摻加PRPLAST.S 抗車轍劑的瀝青混合料動穩(wěn)定度提高了近30%[2]。對比現(xiàn)階段大多數(shù)抗車轍劑的主要成分及改性機(jī)理可以發(fā)現(xiàn),各類抗車轍劑的共同特點(diǎn)是使用有機(jī)高分子材料,雖然各類抗車轍劑對車轍的處治效果較好,但是其成本較高且會造成環(huán)境污染,所以在南方濕熱地區(qū)沒有得到全面推廣使用。因此,需要尋找一種低成本、低污染的改性方法以治理南方濕熱地區(qū)的車轍病害。

本文采用的電氣石負(fù)離子粉是一種以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鎂、鋰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物,其自身具有壓電及熱釋電性能,不僅能改善瀝青的綜合性能,還具有多重環(huán)境功效,可降低路面吸收光照的速率,從而降低路面的溫度。本文在先期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)添加TAP 可增大瀝青的抗車轍因子,在此基礎(chǔ)上,聯(lián)合多級嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)提高抗車轍性能的原理,通過制備新的GAC-16 瀝青混合料,并與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的AC-16 級配及70#基質(zhì)瀝青所得到的混合料的路用性能進(jìn)行對比分析[3],由此論證此種材料在南方濕熱地區(qū)的使用價(jià)值。

1 原材料試驗(yàn)方案

1.1 集料

本文選用的粗集料為河源芙蓉石場粗集料,粒徑規(guī)格為3～5 mm、5～10 mm、10～18 mm,細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂。集料技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青

本文選用AH-70#道路石油瀝青和TAP,瀝青中TAP 的摻量為瀝青質(zhì)量的12%,礦粉為某石粉廠礦粉。TAP 物理指標(biāo)如表2 所示,TAP 化學(xué)成分如表3 所示,瀝青主要性能指標(biāo)如表4 所示。

表2 TAP 物理指標(biāo)

表3 TAP 化學(xué)成分

表4 瀝青主要性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方案

多級嵌擠密級配設(shè)計(jì)法以逐級填充理論和粒子干涉理論作為設(shè)計(jì)依據(jù),以Superpave(高性能瀝青路面)級配選擇原則為基礎(chǔ),以貝雷法為設(shè)計(jì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),在確保粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)細(xì)集料骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以形成多級嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料[4]。因此,GAC-16 級配是改進(jìn)型的骨架密實(shí)型瀝青混合料,其粗細(xì)集料比例為6∶4,此時(shí)瀝青混合料能達(dá)到骨架形成嵌擠結(jié)構(gòu)的效果。GAC-16 與AC-16 級配曲線對比如圖1所示。

為對比本文制備的TAP 改性瀝青及骨架密實(shí)型級配GAC-16 的效果,同時(shí)制備基質(zhì)瀝青AC-16、基質(zhì)瀝青GAC-16、TAP 改性瀝青AC-16、TAP改性瀝青GAC-16 4 種瀝青混合料。首先確定其最佳油石比及最佳油石比下的體積指標(biāo),不同瀝青混合料參數(shù)如表5 所示;然后在最佳油石比條件下制備試件,進(jìn)行車轍試驗(yàn)、半圓劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)[5],分別評價(jià)其高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性及疲勞性能。

表5 不同瀝青混合料參數(shù)

2 性能評價(jià)

2.1 高溫性能

濕熱重載條件下,瀝青路面容易產(chǎn)生車轍病害,因此,科研人員在級配設(shè)計(jì)時(shí)也會特別強(qiáng)調(diào)高溫性能。現(xiàn)階段瀝青混合料高溫性能的主流評價(jià)指標(biāo)為動穩(wěn)定度,4 種瀝青混合料的動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知,基質(zhì)瀝青AC-16 混合料動穩(wěn)定度最低;與AC-16 相比,GAC-16 瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯提高;采用TAP 改性瀝青與GAC-16 級配制備的瀝青混合料動穩(wěn)定度最高,相比普通瀝青混合料,其動穩(wěn)定度提高33%。

以上結(jié)果出現(xiàn)主要有兩方面原因。首先,本文采用的GAC-16 級配是基于抗剪能力較優(yōu)且盡量不損害瀝青混合料低溫性能的特質(zhì)提出的,其集料顆粒相較規(guī)范推薦的級配中值更粗,有利于粗集料形成良好的嵌擠結(jié)構(gòu),抗剪能力較強(qiáng),因此其高溫穩(wěn)定性能大幅度提高。其次,負(fù)離子粉改性瀝青中負(fù)離子粉比表面積較大,可有效吸附瀝青,形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青,一定程度上提高了瀝青的高溫性能,因此混合料高溫性能也有所提升[6]。

2.2 低溫性能

瀝青是一種溫度敏感材料。當(dāng)外界環(huán)境溫度下降時(shí),瀝青脆性增加,易開裂。因此,低溫抗裂性能也是瀝青混合料必須測試的一項(xiàng)指標(biāo)。傳統(tǒng)的劈裂試驗(yàn)比較單一地考慮瀝青混合料的性質(zhì),評價(jià)指標(biāo)不能充分反映瀝青混合料的抗裂性,適用性較弱;而半圓劈裂試驗(yàn)采用斷裂能作為評價(jià)指標(biāo),將應(yīng)變和強(qiáng)度進(jìn)行了綜合考慮,故能較全面地反映瀝青混合料的抗裂性能。

一般而言,瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)溫度大多設(shè)置為0 ℃,因此,本文瀝青混合料半圓劈裂試驗(yàn)溫度設(shè)置為0 ℃。試件厚度30 mm、直徑10 mm,輥軸直徑12 mm,支撐輥軸間距0.8 D,荷載加載速率5 mm/min。試驗(yàn)試件及夾具如圖3 所示,試件切縫(長度15 mm)如圖4 所示。

斷裂能(Gf)反映了材料從完好到斷裂所吸收的總能量,由斷裂功[荷載與荷載平均位移(P-u)曲線如圖5 所示]與韌性區(qū)面積之比計(jì)算得到[7],計(jì)算公式為

式中,Gf為斷裂能,J/m2;Alig為韌性區(qū)面積,m2。Alig計(jì)算公式為

式中,r為試件半徑,m;a為裂縫長度,m;t為試件厚度,mm;Wf為斷裂功,J。Wf計(jì)算公式為

式中,P為施加荷載,N;u為荷載平均位移,m。

4 種瀝青混合料半圓劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出,采用GAC-16 級配和TAP 改性瀝青制備的瀝青混合料低溫性能均優(yōu)于采用AC-16 級配中值和基質(zhì)瀝青的瀝青混合料。

從斷裂能出發(fā)評價(jià)瀝青混合料低溫性能,GAC-16 級配提高了瀝青混合料的斷裂能,即其低溫性能相較AC-16 級配中值得到了提高。其原因可能是本文開發(fā)的級配總體相比規(guī)范推薦的級配中值更加合理,在適宜的油石比下,所成型的瀝青混合料在發(fā)生斷裂之前可以儲存更多的能量,因此其斷裂能更大。在瀝青方面,本文提出的TAP改性瀝青相較基質(zhì)瀝青可以提高瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度,主要是因?yàn)橄噍^于基質(zhì)瀝青,采用TAP 改性瀝青制備瀝青混合料時(shí)油石比會提高0.2%左右,雖然TAP 在瀝青中占有一定比例,實(shí)際油量相比于采用基質(zhì)瀝青時(shí)稍有降低,但TAP 粒徑約為7 μm,遠(yuǎn)小于礦粉的粒徑,比表面積極大,有利于形成結(jié)構(gòu)瀝青,提供更大的內(nèi)聚力,使瀝青的低溫抗拉強(qiáng)度得到提升。

2.3 水穩(wěn)定性

研究表明,水害是瀝青路面早期病害的主要原因。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、施工離析、排水不暢等原因易造成路面密水性不足,在行車荷載和環(huán)境條件的作用下,骨料和瀝青膠結(jié)料會發(fā)生剝落,最終出現(xiàn)松散和坑洼,形成早期病害[8]。因此,本文通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)其水穩(wěn)性。不同瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知,采用規(guī)范推薦級配中值與基質(zhì)瀝青制備的瀝青混合料水穩(wěn)定性最高,當(dāng)級配選用本文開發(fā)的GAC-16 后,瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度下降,這主要是因?yàn)閮?yōu)化后的級配更粗、油石比更小,成型的瀝青混合料空隙率較大,水分容易滲透到瀝青混合料內(nèi)部,加劇了試件的水損壞。而采用TAP改性瀝青制備的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青提高1%～2%,可見TAP 改性瀝青基本不會對瀝青混合料的水穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

綜合以上兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)本文所選用的強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)型級配GAC-16 對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有微小的不良影響,而TAP 改性瀝青對瀝青混合料水穩(wěn)定性基本不會產(chǎn)生影響。

2.4 疲勞性能

瀝青路面在服役過程中,會經(jīng)受行車荷載的不斷作用,其內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變不斷發(fā)生變化,雖然單次的行車荷載作用一般情況下不會對瀝青路面造成明顯損傷,但長此以往瀝青混凝土中微損傷會累積并發(fā)展成各種病害,對路面平整度和舒適性造成不利影響,路面結(jié)構(gòu)的路用性能也會逐漸下降[9]。因此,瀝青混合料的疲勞壽命也是其路用性能的重要組成部分。本文采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法對4 種瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行評價(jià)。不同編號瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 不同編號瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表6 可以看出,采用本文開發(fā)的骨架密實(shí)型級配GAC-16 制備的瀝青混合料試件,其疲勞次數(shù)相較于規(guī)范推薦的AC-16 級配試件中值有所下降,下降幅度為15%左右。這可能是因?yàn)楸疚膬?yōu)化后的級配粗集料占比較大。一般而言,柔性較好的材料疲勞壽命會較長。從不同瀝青混合料的初始勁度模量也可以看出,采用本文開發(fā)級配制備的瀝青混合料試件的初始勁度模量相比于規(guī)范推薦的級配試件中值提高12%左右,其剛度較大,在重復(fù)加載過程中容易產(chǎn)生疲勞應(yīng)力的累積,導(dǎo)致其疲勞壽命較短。另外,瀝青混合料中油石比與空隙率均會對其試件的疲勞壽命造成影響[10]。由表5 可以發(fā)現(xiàn),規(guī)范中值級配瀝青混合料的最佳油石比較大,一定程度上使得其相應(yīng)的瀝青混合料試件柔性增強(qiáng),而其空隙率也較小,因此疲勞壽命較長。

同樣由表6 可知,相較基質(zhì)瀝青,本文制備的TAP 改性瀝青有利于延長瀝青混合料的疲勞壽命,降低其初始勁度模量。這主要是由于采用TAP 改性瀝青制備的瀝青混合料相應(yīng)的最佳油石比較大,其內(nèi)部瀝青膠漿含量較大,試件的空隙率較小,柔性也較大,因此在應(yīng)變控制方式的重復(fù)加載過程中,其相應(yīng)的瀝青混合料試件的疲勞破壞累積速度較慢,表現(xiàn)出來的則是其疲勞壽命較長,初始勁度模量較小。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)對新型降溫抗車轍瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了全面的評價(jià),得到主要結(jié)論如下。

本文開發(fā)的骨架密實(shí)型級配與降溫抗車轍改性瀝青均可明顯提高瀝青混合料抗車轍性能;強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)型級配對瀝青混合料水穩(wěn)定性、抗疲勞性能有輕微的不良影響,而降溫抗車轍改性瀝青則對水穩(wěn)定性影響不大,對低溫抗裂性及疲勞壽命有一定的提升作用。