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. 中國市政工程西北設計研究院有限公司 道橋所, 甘肅 蘭州 730000)

隨著公路交通行業(yè)的快速發(fā)展,由于貨車超載而引發(fā)的事故頻頻發(fā)生,全球變暖現(xiàn)象日益嚴重,這些問題都對路面抗車轍性能提出了更高要求.考慮到未來交通量的增長,必然對路面的抗車轍性能提出更高的要求.基于此,我國道路科研人員開始對抗車轍劑的性能進行研究[1-5].通過借鑒國外對抗高溫車轍病害的經驗，以及對路孚8000抗車轍劑、法國PR抗車轍劑和殼牌公司抗車轍劑進行瀝青混合料高溫性能的對比試驗，國內多家高校及科研單位研發(fā)出不少品種的抗車轍劑[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抗車轍劑,這是一種經過特殊生產工藝提煉得到的粒狀聚合物添加劑.為驗證LY抗車轍劑對瀝青混合料抗高溫性能的改善效果,筆者分別對高溫重載、高溫浸水和不同碾壓次數(shù)等較苛刻條件下?lián)郊覮Y抗車轍劑的瀝青混合料抗車轍性能進行研究探討.

1 原材料的選擇

采用的瀝青、集料和礦粉指標要求滿足 JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(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,其技術指標見表1.

表1 瀝青的技術指標

1.2 集 料

粗集料和細集料均為玄武巖,礦粉為優(yōu)質石灰?guī)r磨細制成的.表2為粗集料的技術指標.表3為礦粉的技術指標.

表2 粗集料的技術指標

表3 礦粉的技術指標

1.3 LY抗車轍劑

抗車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.

筆者采用新型抗車轍劑LY,其物理技術指標如表4所示.

表4 LY抗車轍劑的物理技術指標

2 高溫和重載下的混合料抗車轍性能

2.1 高溫條件

當氣溫小于38 ℃時路面幾乎不會產生明顯車轍,而當氣溫超過38 ℃時車轍病害就會變得明顯;交通量相同時,溫度持續(xù)增加會使車轍損壞成倍增長[9-10].筆者用70 ℃高溫車轍試驗模擬研究夏季路面高溫條件下的抗車轍性能,采用試驗溫度分別為60 ℃和70 ℃時添加0.4%LY的改性瀝青混合料、SBS 改性瀝青混合料及基質瀝青混合料等3種瀝青混合料的動穩(wěn)定度比值,分析高溫對3種混合料抗車轍性能的影響程度.試驗結果如表5所示.

表5 不同溫度條件下動穩(wěn)定度的試驗結果

由表5可知:當溫度上升10 ℃時,3種混合料的動穩(wěn)定度均大幅度下降,表明溫度對混合料的高溫性能影響顯著;由于3種混合料所用膠結料和摻加抗車轍劑的情況不同,動穩(wěn)定度降低幅度差異較大;3種混合料動穩(wěn)定度比依次為53.7%,47.8%和40.5%;隨著溫度升高,基質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抗車轍劑混合料動穩(wěn)定度比最大,說明LY抗車轍劑能夠更好地提高混合料的高溫抗變形能力.

當試驗荷載一致時,混合料中的膠結材料隨著溫度升高逐漸達到軟化點,膠結材料軟化后,必然導致混合料穩(wěn)定性下降.區(qū)別在于不同的膠結料軟化點不同,所表現(xiàn)出來的高溫性能也會不同.從LY抗車轍劑自身特性考慮,其軟化點較高,且在混合料拌和過程中添加,可以快速融化分散,達到對瀝青進行一定程度的有效改性,從而增強瀝青與集料間的相互黏附,同時由于LY抗車轍劑受熱,在瀝青中形成纖維網(wǎng)狀結構,可以對混合料產生一定的約束作用,進而改善瀝青混合料高溫性能.

2.2 重載條件

由于存在貨車嚴重超載現(xiàn)象,在超載大貨車常走的高速公路外側行車道上存在嚴重的車轍病害.為探討重載條件下瀝青混合料高溫抗車轍性能,將試驗荷載調整為1.1 MPa,試驗溫度保持60 ℃,利用荷載分別為0.7 MPa和 1.1 MPa時不同混合料動穩(wěn)定度比來驗證他們在超載條件下的抗車轍性能.動穩(wěn)定度比計算式為

式中:DS為動穩(wěn)定度;DR為荷載分別為1.1 MPa和0.7 MPa時動穩(wěn)定度的比值.

不同試驗荷載條件下3種瀝青混合料的動穩(wěn)定度試驗值見表6.

表6 不同試驗荷載條件下動穩(wěn)定度的試驗值

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

3 浸水車轍試驗

3.1 試驗方案

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

3.2 試驗結果及分析

用殘留動穩(wěn)定度表征不同條件下混合料的高溫浸水抗車轍能力,3個試驗數(shù)據(jù)見表7.

表7 不同車轍試驗動穩(wěn)定度的試驗結果對比

由表7可知,3種材料在浸水以后的抗車轍性能都出現(xiàn)降低,但浸水車轍試驗(1)相較于浸水車轍試驗(2)下降得要多.浸水車轍試驗(1)全程都有水的參與,基質瀝青混合料、添加0.4%LY改性瀝青混合料及SBS 改性瀝青混合等3種混合料的殘留動穩(wěn)定度分別為54.6%,58.9%和60.0%,與常規(guī)車轍試驗相比均出現(xiàn)了動穩(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轍性能略高于添加0.4%LY改性瀝青混合料,說明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,但兩者相對于基質瀝青混合料都有較大提升,說明添加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轍能力.

浸水車轍試驗(2)中,基質瀝青混合料、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穩(wěn)定度分別為65.3%,70.9%和75.3%,與浸水車轍試驗(1)相比動穩(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,同時添加LY抗車轍劑對提高混合料的高溫、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)對抗車轍性能的影響

普通車轍試驗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轍劑LY后,會使混合料中的瀝青膠結料黏度增大,因此要增大壓實功來保證密實度.在碾壓機械不變的情況下,可通過增加碾壓次數(shù)的方式來實現(xiàn).

試驗時,除了要保證油石比相同,還應盡量保證拌和時間、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行常規(guī)車轍試驗.表8為不同碾壓次數(shù)下添加0.4%LY改性瀝青混合料動穩(wěn)定度的試驗值.

表8 不同碾壓次數(shù)下動穩(wěn)定度的試驗值

由表8可知:隨著碾壓次數(shù)增多,混合料的動穩(wěn)定度也不斷上升;從碾壓24次增加到36次時,動穩(wěn)定度急劇增大,比碾壓24次時的動穩(wěn)定度增加了12.5%;從碾壓36次增加到48次時,動穩(wěn)定度漲幅較小,比碾壓36次時的動穩(wěn)定度增加了2.2%.對比可知,碾壓次數(shù)增加可有效地提高混合料的動穩(wěn)定度,但超過最佳碾壓次數(shù)后,對動穩(wěn)定度的提高效果非常微小.這可能是由于適當增加碾壓次數(shù)可以減小混合料的空隙率,從而提高動穩(wěn)定度,但當增加一定次數(shù)后,混合料將變得足夠密實,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次左右對于提高0.4%的LY改性瀝青混合料的抗車轍性能有較好的效果.

5 結 論

1) 當試驗溫度為70 ℃時,測試0.4%LY改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和基質瀝青混合料的高溫抗車轍性能,以動穩(wěn)定度作為評價指標,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,基質瀝青混合料表現(xiàn)不太理想.

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

3) 通過2種浸水車轍試驗和常規(guī)車轍試驗進行對比,用殘留穩(wěn)定度表征混合料的高溫抗車轍性能.試驗結果表明:水的存在對混合料高溫抗車轍性能帶來較大影響,且浸水狀況越復雜,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轍能力,但有一個最佳碾壓次數(shù),超過最佳碾壓次數(shù)后提升效果不明顯.試驗結果表明,使得0.4%LY改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能最好的碾壓次數(shù)是36次.

5) 通過室內試驗研究混合料在各種特殊環(huán)境下的高溫抗車轍性能.相比之下,摻加LY抗車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抗車轍劑的瀝青混合料.