摘要 某公路采取Superpave級(jí)配微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料，有效增強(qiáng)瀝青路面強(qiáng)度和抗老化性能，該型改性復(fù)合料有助于改善路用性能。文章首先簡(jiǎn)要介紹了工程概況，并介紹微晶高嶺石改性和壓實(shí)難度機(jī)理，而后重點(diǎn)闡述復(fù)合料相關(guān)施工技術(shù)參數(shù)、碾壓工藝及質(zhì)量控制技術(shù)要點(diǎn)，以期為同類改性瀝青復(fù)合料施工提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 復(fù)合料；瀝青改性；微晶高嶺石；碾壓施工；質(zhì)量控制

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0082-04

0 引言

微晶高嶺石又名膠嶺石、蒙脫土，主要產(chǎn)于火山凝灰?guī)r中，是一種硅酸鹽類天然礦物，加水后變成糊狀物，可膨脹數(shù)倍，受熱脫水后會(huì)發(fā)生體積收縮，具有極強(qiáng)的陽(yáng)離子交換和吸附能力性能，經(jīng)有機(jī)復(fù)合，可做改性瀝青復(fù)合料填充劑和吸附劑，增強(qiáng)瀝青復(fù)合料的抗老化性能。案例公路工程應(yīng)用微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料技術(shù)，提高瀝青路面的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能，從材料和施工質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面，確保瀝青路面建設(shè)質(zhì)量。結(jié)合工程應(yīng)用，這里重點(diǎn)介紹微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料碾壓施工及質(zhì)量控制技術(shù)，希望為微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料路面施工提供技術(shù)參考。

1 案例簡(jiǎn)介

某公路全長(zhǎng)35 km，雙向四車道，時(shí)速設(shè)計(jì)為80 km/h。過線區(qū)域環(huán)境干燥、日照強(qiáng)烈，對(duì)瀝青路面材料的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能要求很高。為此工程采取了微晶高嶺石改性瀝青結(jié)合料和Superpave級(jí)配結(jié)構(gòu)技術(shù)，加強(qiáng)瀝青復(fù)合料的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能。采用某PJ-90#基質(zhì)瀝青，其性能參數(shù)如表1所示^[1]。

PJ-90#瀝青改性微晶高嶺石最佳摻量2%～3%，改性制作工藝需要將基質(zhì)瀝青的溫度加熱至150 ℃±5 ℃，加強(qiáng)微晶高嶺石的加入速度控制，盡量降低速度，恒溫下1 000 r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行4 h攪拌，即獲得微晶高嶺石改性瀝青，其主要性能參數(shù)如表2所示。

2 微晶高嶺石改性機(jī)理

瀝青短期老化的影響因素在于復(fù)合料拌和、運(yùn)輸與鋪攤過程中瀝青輕組分揮發(fā)及與空氣的氧化作用。瀝青路面投入使用后，老化問題比較嚴(yán)重，主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境內(nèi)，受到環(huán)境因素的影響，會(huì)存在氧化、縮合、脫氫、蒸發(fā)等方面的變化，如揮發(fā)使瀝青低分子量油份流失；大氣氧化、紫外線輻射氧化，影響和改變?yōu)r青性能狀態(tài)。而瀝青材料與微晶高嶺石可以構(gòu)成二維有序剝離或插層復(fù)合結(jié)構(gòu)，聚合物與層狀硅酸鹽組合成為整體的結(jié)構(gòu)，而聚合物還能獲得良好的氣體阻隔，抗老化效果也在不斷提升。

插層結(jié)構(gòu)內(nèi)，前者瀝青材料進(jìn)入到黏層內(nèi)，后者寬厚比100～1 000，厚度1.2 nm黏土片層剝離進(jìn)入到瀝青內(nèi)。黏土片層寬厚比的影響，能夠避免聚合物氣體進(jìn)入到內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)，保證聚合物有足夠的阻氣性，遲滯聚合物內(nèi)的氧、臭氧擴(kuò)散，提升聚合物的耐臭氧化、耐老化性能。因?yàn)橛袡C(jī)材料長(zhǎng)期受到紫外線照射而產(chǎn)生老化的問題，一般都是在有氧環(huán)境中，所以層狀黏層阻隔性作用，可以減小材料的吸氧量，延緩光氧化老化。微晶高嶺石改性瀝青混合料的主要優(yōu)勢(shì)是控制氧化擴(kuò)散與紫外線氧化，從而改善熱氧化期的針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度等參數(shù)，使得瀝青混合料具備較高的抗老化效果。基質(zhì)瀝青與微晶高嶺石改性瀝青性能對(duì)比如圖1所示。此外，因?yàn)槲⒕Ц邘X石與瀝青結(jié)構(gòu)組合形成插層復(fù)合結(jié)構(gòu)，高溫狀態(tài)中微晶高嶺石的加入可以減小流動(dòng)速度，使得材料具備較高的高溫耐車轍效果。

3 碾壓施工及質(zhì)量控制

3.1 復(fù)合料特性

（1）Superpave復(fù)合料特性。案例所用微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料采取Superpave方法設(shè)計(jì)，因此具有一些特殊性質(zhì)。為抵抗永久形變，Superpave設(shè)計(jì)復(fù)合料應(yīng)確?？辜魪?qiáng)度與耐車轍性能合格，應(yīng)用的是嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)，并有效提升內(nèi)摩阻力。Superpave復(fù)合料確定骨料性質(zhì)，分析認(rèn)同性，以掌握混合料性質(zhì)。Superpave骨料的優(yōu)勢(shì)明顯，比如硬度高、均勻性好、破碎率高等，骨料的加入使得復(fù)合料的抗剪強(qiáng)度、使用性能得到提升，但是也會(huì)造成碾壓難度升高，極易造成碾壓效果不合格，影響路面的性能以及正常使用。

（2）Superpave復(fù)合料級(jí)配特點(diǎn)。根據(jù)0.45次方級(jí)配曲線分布，縱坐標(biāo)為百分比，橫坐標(biāo)為篩孔規(guī)格的0.45次方，最高理論密度線是坐標(biāo)原點(diǎn)與最大級(jí)配規(guī)格連線。級(jí)配圖反映出2組特點(diǎn)變化，也就是控制點(diǎn)與限制區(qū)?？刂泣c(diǎn)反映出骨料級(jí)配一定通過范圍，而限制區(qū)位2.36～0.3 mm。骨料級(jí)配曲線不經(jīng)過該區(qū)域?yàn)楹细?，使得?xì)骨料不能接近最高理密度線，空隙率VMA值相對(duì)較低。為了防止復(fù)合料內(nèi)含有過多的細(xì)料而產(chǎn)生碾壓推移、耐車轍性能不足，Superpave復(fù)合料一般多采取上“S”形級(jí)配曲線（如圖2所示）。這樣能使得復(fù)合料內(nèi)的細(xì)骨料比例在最佳范圍內(nèi)，復(fù)合料的中、粗粒度增大的情況，經(jīng)過嵌擠后組合形成復(fù)合料，抗剪強(qiáng)度提升比較明顯。該級(jí)配對(duì)于復(fù)合混合料的路用性能、強(qiáng)度提升比較明顯，但是碾壓作業(yè)環(huán)節(jié)的難度較高^[2]。

（3）復(fù)合料瀝青組分含量。與常規(guī)馬歇爾方法設(shè)計(jì)的復(fù)合料相比，Superpave方法設(shè)計(jì)復(fù)合料最優(yōu)瀝青含量相對(duì)較低。這是因?yàn)镾uperpave復(fù)合料中細(xì)集料的含量相對(duì)較低，中、粗粒度骨料含量則相對(duì)較高；此外Superpave方法以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，相對(duì)于馬歇爾擊實(shí)儀來說，壓實(shí)效率更高。Superpave方法設(shè)計(jì)復(fù)合料其瀝青含量被降低，雖利于形成較好的路面強(qiáng)度，但一定程度增加了壓實(shí)操作難度。

3.2 復(fù)合料壓實(shí)特性

瀝青復(fù)合料壓實(shí)性能受到多方面因素影響，比如材料黏附性、黏性阻力、摩阻力等。骨料摩擦力受到結(jié)構(gòu)形式、形狀、強(qiáng)度、耐磨性、嵌擠性方面干擾，自然圓滑集料的復(fù)合料表面摩擦力較小，滑移現(xiàn)象發(fā)生率較高；含有棱角、表面粗糙、破碎度高的集料復(fù)合料，其摩擦阻力相對(duì)要高，壓實(shí)相對(duì)有難度。復(fù)合料的內(nèi)摩擦力越大，破碎集料劑量越高，更難壓實(shí)。

瀝青黏性、復(fù)合料溫度及黏性阻力間具有函數(shù)關(guān)系，瀝青結(jié)合料的黏彈性比較差，低溫條件之下的彈性固體特性明顯，高溫時(shí)以黏性液體狀態(tài)存在。瀝青混合料對(duì)于溫度較為敏感，溫度較低時(shí)黏阻力較高，影響壓實(shí)作用的效果；瀝青黏度提升，壓實(shí)溫度也必須相應(yīng)提高。

Superpave復(fù)合料在原料選擇中強(qiáng)調(diào)骨料的棱角性和破碎需求，為了避開級(jí)配限制區(qū)，降低砂組分用量，因?yàn)榧?xì)骨料少，中粗骨料多，因此Superpave復(fù)合料是一種壓實(shí)質(zhì)量要求高、相對(duì)難于壓實(shí)操作的復(fù)合料；另外粗、中粒度骨料的劑量較高，也使復(fù)合料溫降速度較快，這給壓實(shí)操作帶來一定程度的碾壓時(shí)間緊迫性，把控不當(dāng)就會(huì)影響壓實(shí)質(zhì)量。

Superpave復(fù)合料中瀝青比例較低，碾壓環(huán)節(jié)使得顆粒之間摩阻力升高，難以壓實(shí)到最佳的狀態(tài)。Superpave復(fù)合料還有一個(gè)特性，就是溫度敏感區(qū)的存在。在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)中，Superpave復(fù)合料處于不穩(wěn)定的溫度敏感期間，通常在93～115 ℃區(qū)間，在該問題之間碾壓作業(yè)施工，會(huì)造成復(fù)合料發(fā)生推移、龜裂的問題，對(duì)于路面性能造成影響。

因此，Superpave復(fù)合料碾壓施工環(huán)節(jié)，不能在溫度敏感區(qū)內(nèi)碾壓施工，一般采取如下做法：第一，復(fù)合料溫度下降到115 ℃之前完成碾壓，保證壓實(shí)度合格；第二，溫度處于115 ℃以上時(shí)，應(yīng)用振動(dòng)壓路機(jī)開展碾壓施工，在溫度處于95 ℃以下時(shí)，開展靜壓施工。

3.3 關(guān)鍵壓實(shí)參數(shù)

如果材料、壓路機(jī)性能都符合要求，壓實(shí)度受到如下影響：第一，壓路機(jī)和材料的固有頻率比較相近；第二，材料對(duì)激振器的振動(dòng)發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)了共振的情況，克服、減小材料的內(nèi)摩阻力；第三，碾壓遍數(shù)不合格。在具體的施工中，技術(shù)人員必須加強(qiáng)碾壓遍數(shù)、碾壓速度的控制，預(yù)防造成質(zhì)量問題的情況。

（1）碾壓速度。壓實(shí)速度對(duì)于壓實(shí)效率存在直接影響。經(jīng)過振動(dòng)壓實(shí)分析，應(yīng)確保骨料顆粒進(jìn)入到振動(dòng)條件，需要開展連續(xù)3次以上振動(dòng)激勵(lì)，振動(dòng)壓路機(jī)的碾壓振動(dòng)激勵(lì)應(yīng)按照下式（1）計(jì)算。

式中，v——振動(dòng)壓路機(jī)的碾壓行進(jìn)速度（km/h）；f——壓路機(jī)振動(dòng)頻率（Hz）。如果振動(dòng)壓路機(jī)的額定振動(dòng)頻率是45 Hz，則碾壓行進(jìn)速度應(yīng)控制在v≤4.86 km/h為宜。

（2）碾壓遍數(shù)。為了準(zhǔn)確掌握振動(dòng)壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)度產(chǎn)生的影響，這里介紹案例試驗(yàn)段鋪筑壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。材料、壓路機(jī)碾壓行進(jìn)速度和振動(dòng)頻率參數(shù)：微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料；鋪層厚度6 cm；碾壓溫度120～160 ℃；Superpave12.5級(jí)配設(shè)計(jì)，振動(dòng)壓路機(jī)型號(hào)DD110；壓實(shí)行進(jìn)速度4.5 km/h；頻率49 Hz；振幅0.32 mm。測(cè)試結(jié)果具體如表3和圖3所示^[3]。

結(jié)果顯示，碾壓遍數(shù)不斷增多，路面壓實(shí)度會(huì)因?yàn)樽償?shù)的增加而表現(xiàn)出曲線的變動(dòng)，初期升高速度較快，但是變數(shù)再次增加的情況下，壓實(shí)度的增大變得比較緩慢，曲線趨于平緩。壓實(shí)遍數(shù)對(duì)于壓實(shí)度的提升影響并不明顯，之所以形成這一現(xiàn)象，是因?yàn)闉r青路面的壓實(shí)還會(huì)受瀝青混合料的溫度、碾壓時(shí)間影響。要想提高壓實(shí)度效果，在瀝青路面鋪設(shè)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)開展振動(dòng)碾壓施工。

4 微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料碾壓

4.1 微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料及碾壓面臨的問題

（1）實(shí)用微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料。案例工程的微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料采用Superpave12.5型配比設(shè)計(jì)，其級(jí)配如表4所示。該型復(fù)合料利于形成良好的瀝青路面強(qiáng)度，但因?yàn)樵撔蛷?fù)合料的骨料間內(nèi)摩擦阻力也相對(duì)較大，因此碾壓施工的質(zhì)量要求較高，操作存在難度。

（2）案例路面結(jié)構(gòu)中，上面層厚度4 cm，屬于典型的薄層結(jié)構(gòu)，路面溫降相對(duì)較快。因?yàn)闉r青路面的壓實(shí)與復(fù)合料溫度密切相關(guān)，只有在特定溫度以上進(jìn)行碾壓才能獲得最佳壓實(shí)效果。當(dāng)溫度不足90 ℃時(shí)，碾壓難以達(dá)到應(yīng)有的效果。因此，在碾壓時(shí)間確定時(shí)，必須要充分考慮出料溫度、攤鋪厚度、環(huán)境溫度等多方面的要素。環(huán)境條件與復(fù)合料溫度相同時(shí)，結(jié)構(gòu)層的厚度對(duì)碾壓時(shí)間產(chǎn)生直接影響。如表5～6所示，體現(xiàn)出不同鋪設(shè)層厚度的溫降特點(diǎn)與碾壓時(shí)間。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)層厚度越小，碾壓時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。

4.2 微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料碾壓工藝及質(zhì)量控制

因?yàn)槲⒕Ц邘X石改性瀝青復(fù)合料壓實(shí)時(shí)，初期作業(yè)的難度比較高，為了使得壓實(shí)質(zhì)量符合要求，選擇合適的工藝以確保質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料碾壓同樣包括初壓、復(fù)壓和終壓3個(gè)階段。

（1）初壓。攤鋪機(jī)在開展攤鋪施工中，使用2臺(tái)壓路機(jī)開展施工，按照從低到高逐一碾壓，并且沿著接縫碾壓一遍。在不黏輪和推移的情況下，開始振動(dòng)碾壓，否則進(jìn)行靜壓。靜壓應(yīng)重疊1/2輪寬，振動(dòng)碾壓重疊30 cm，共碾壓4～6遍。靜壓行進(jìn)速度2～3 km/h，振動(dòng)碾壓行進(jìn)速度4～5 km/h。

（2）復(fù)壓。2臺(tái)膠輪壓路機(jī)，碾壓速度3～5 km/h，和初壓的DD110壓路機(jī)聯(lián)合進(jìn)行，逐步開展復(fù)壓施工，總計(jì)碾壓3遍，以確保壓實(shí)度合格。

（3）終壓。1臺(tái)DD110壓路機(jī)在復(fù)壓后逐步立即開始終壓施工，速度為3～5 km/h，碾壓2遍、沒有表面輪跡為止，每次返回，縱向與振動(dòng)碾壓部位重疊1～1.5 m。碾壓施工中，應(yīng)隨時(shí)檢測(cè)復(fù)合料的溫度，不能處于敏感溫度范圍。如果混合料的溫度在該區(qū)間之內(nèi)，不能開展振動(dòng)碾壓施工，轉(zhuǎn)變?yōu)槟z輪碾壓的施工方式。碾壓距離應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合料的溫度變化情況來控制，一般在30～50 m之間。

5 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行了微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料碾壓施工及質(zhì)量控制研究。微晶高嶺石具有極強(qiáng)的陽(yáng)離子交換和吸附能力性能，經(jīng)有機(jī)復(fù)合，可做改性瀝青復(fù)合料填充劑和吸附劑，增強(qiáng)瀝青復(fù)合料的抗老化性能。有助于改善兩項(xiàng)路用性能的同時(shí)，也面臨著壓實(shí)施工操作有一定難度和質(zhì)量要求高的不足。文中介紹了微晶高嶺石瀝青改性和壓實(shí)施工操作質(zhì)量要求高、有一定操作難度的基本原理，介紹了案例應(yīng)用該復(fù)合料的相關(guān)施工技術(shù)參數(shù)、碾壓工藝以及質(zhì)量控制技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)微晶高嶺石改性瀝青復(fù)合料碾壓施工應(yīng)用有技術(shù)參考意義。

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收稿日期：2023-10-12

作者簡(jiǎn)介：鐘瑞（1982—），男，本科，助理工程師，從事公路橋梁建設(shè)管理工作。