(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

河北省張家口市北部壩上地區(qū)由于受到內(nèi)蒙古高壓控制，冬季寒冷，冰凍期長。受氣候條件和交通荷載影響，當(dāng)?shù)貫r青路面存在嚴(yán)重的反射裂縫問題。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毓坊鶎哟罅坎捎梅€(wěn)定類半剛性材料，這種材料雖然有著很高的強(qiáng)度和較低的成本，但由于其本身的溫縮和干縮裂縫會隨著車輛荷載作用而反射到瀝青層[1，2]，因而產(chǎn)生了大量的反射裂縫。在當(dāng)?shù)氐呐f路加鋪改建過程中，許多舊瀝青路面加鋪瀝青面層后，短時(shí)間內(nèi)又出現(xiàn)了大量的反射裂縫，它會影響新鋪設(shè)的瀝青路面的質(zhì)量，并降低路面完整性和使用壽命。鑒于如何延緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，國內(nèi)外已采取了許多措施，并開展了大量研究和工程實(shí)踐[3-7]。近年來，在歐洲、美國及我國的經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)力吸收層可有效防治反射裂縫。本文主要研究了3種應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料的性能及其混合料的路用性能，為解決河北省張家口市北部壩上地區(qū)瀝青路面反射裂縫嚴(yán)重的問題提供技術(shù)支撐。

1 瀝青原材料

應(yīng)力吸收層瀝青混合料是由大量的細(xì)骨料、礦物填料和特殊高含量、高彈性聚合物改性瀝青結(jié)合料組成，瀝青在應(yīng)力吸收層瀝青混合料中所占比重大，其性能直接決定了應(yīng)力吸收層瀝青混合料路用性能的優(yōu)劣，也是能否實(shí)現(xiàn)混合料路用性能優(yōu)良的保障。本研究通過對不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的高黏高彈Ⅰ型改性瀝青(以下稱A瀝青)、高黏高彈Ⅱ型改性瀝青(以下稱B瀝青)和I-D SBS改性瀝青(以下稱C瀝青)的技術(shù)性能進(jìn)行研究，來評價(jià)3種瀝青結(jié)合料。

1.1 應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料的常規(guī)試驗(yàn)評價(jià)

3種改性瀝青常規(guī)技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 3種改性瀝青的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果Table1 Testresultsofroutinetechnicalindexesofthreemodifiedasphalts瀝青品種針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/cm軟化點(diǎn)TR&B/℃60℃動力粘度/(Pa·s)布氏黏度135℃/(Pa·s)閃點(diǎn)/℃彈性恢復(fù)25℃/%離析,48h/℃旋轉(zhuǎn)薄膜老化質(zhì)量變化/%針入度比25℃/%延度5℃/cmA瀝青8963.5852179813.95288981.6-0.1958036B瀝青85.265.7892547942.5613181000.54-0.098555C瀝青56.632.989.3647402.664334921.60.0627815.1試驗(yàn)方法T0604T0605T0606T0620T0619T0611T0662T0661T0610T0604T0605

從3種瀝青的常規(guī)指標(biāo)值來看，3種瀝青的軟化點(diǎn)和135 ℃的布氏黏度相差不多，然而，就針入度、延度、60 ℃的動力黏度及RTFOT老化后的延度等技術(shù)指標(biāo)而言，通過添加各種改性劑制成的A、B兩種高黏高彈改性瀝青，與普通改性瀝青C相比，均有大幅提高。

1.2 按PG分級評價(jià)應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料

美國SHRP瀝青結(jié)合料規(guī)范主要是根據(jù)瀝青老化前后的性能變化對瀝青結(jié)合料進(jìn)行分級，本研究基于SHRP的分級試驗(yàn)，研究了3種應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料的性能。

1.2.1高溫PG分級

a.原樣瀝青結(jié)合料的高溫流變性能研究。

采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)對3種瀝青原樣樣品進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 原樣瀝青結(jié)合料抗車轍因子(G*/sinδ)值Figure 1 Primary asphalt anti-rutting factor G*/sinδ

b.RTFOT殘留物瀝青結(jié)合料高溫流變性能研究。

對上述3種瀝青原樣樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT)，以模擬拌合、運(yùn)輸及施工過程中瀝青材料實(shí)際發(fā)生的短期老化。然后進(jìn)行老化瀝青樣品的動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 RTFOT殘留瀝青抗車轍因子(G*/sinδ)值Figure 2 RTFOT leftover asphalt anti-rutting factor G*/sinδ

瀝青結(jié)合料的抗車轍因子(G*/sinδ)用來表征瀝青的抗車轍變形能力，其值越大，說明其流動變形能力越小，其瀝青混合料的抗永久變形能力越強(qiáng)。從圖1和圖2可以清楚地看出3種瀝青結(jié)合料之間的差別，A、B瀝青原樣的抗車轍因子要顯著高于C瀝青原樣，但經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜老化后，這種優(yōu)勢明顯減弱。B瀝青無論是原樣瀝青還是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青，都具有良好的高溫性能(82 ℃)，A瀝青原樣表現(xiàn)出了良好的高溫性能，但經(jīng)過短期老化后，其高溫性能與C瀝青相接近。

1.2.2低溫PG分級

瀝青路面在寒冷的氣候狀況下容易產(chǎn)生裂縫，防裂是應(yīng)力吸收層的基本功能。瀝青結(jié)合料的低溫變形能力是瀝青混合料低溫抗裂性能的主要影響因素。為了確定3種瀝青結(jié)合料的低溫性能，對3種瀝青進(jìn)行了RTFOT短期老化和PAV長期老化，然后對老化殘留瀝青樣品進(jìn)行了彎曲梁試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：A瀝青的低溫PG分級為PG34，B、C瀝青的低溫PG分級為PG22。A瀝青的低溫性能明顯優(yōu)于B和C，考慮到應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，對于壩上氣候嚴(yán)寒地區(qū)，建議使用具有更好低溫性能的A瀝青，進(jìn)行應(yīng)力吸收層技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料路用性能研究

本研究的礦料級配設(shè)計(jì)采用美國科氏推薦的礦料級配范圍，礦料合成級配如表2所示。采用8.2%的油石比成型混合料，然后研究其路用性能。

表2 3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料礦料合成級配Table2 Syntheticgradationofthreeasphaltmixturewithstressabsorbinglayers篩孔尺寸/mm級配上限下限合成級配篩孔尺寸/mm級配上限下限合成級配13.2100100100.00.6552529.69.510010099.80.3351520.24.751008091.90.1520815.92.36856074.90.07514612.51.18704043.0

2.1 高溫穩(wěn)定性

應(yīng)力吸收層屬于砂粒式瀝青混合料，集料偏細(xì)，礦粉和瀝青用量偏多，它的強(qiáng)度主要是依靠集料跟瀝青與礦粉組成的膠漿之間的黏結(jié)力。在本文中，車轍試驗(yàn)被用來評價(jià)3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，其試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Figure 3 Rutting test results of asphalt mixtures with different stress absorbing layers

根據(jù)圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于礦料級配偏細(xì)和高瀝青含量，3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的動穩(wěn)定度都比較低，國內(nèi)技術(shù)規(guī)范對應(yīng)力吸收層瀝青混合料的高溫性能也沒相關(guān)技術(shù)要求，考慮到應(yīng)力吸收層主要是用來抑制受氣候條件影響產(chǎn)生的低溫開裂和反復(fù)行車荷載造成的疲勞破壞而非高溫車轍破壞，對其高溫穩(wěn)定性的要求并不是很嚴(yán)格。此外，應(yīng)力吸收層主要用作結(jié)構(gòu)層，攤鋪在舊瀝青路面與瀝青加鋪層之間，只要設(shè)置適當(dāng)厚度的瀝青加鋪層，路面整體結(jié)構(gòu)便可以擁有良好的抗車轍能力。

2.2 低溫彎曲性能

在低溫下，瀝青混合料的勁度將增加，其抗變形能力將顯著降低，比較容易產(chǎn)生開裂。在壩上氣候嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)力吸收層的低溫抗裂性能更顯得重要。本文采用小梁彎曲試驗(yàn)來對應(yīng)力吸收層瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料-10 ℃低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Figure 4 Low temperature bending test results of asphalt mixtures with different stress absorbing layers at-10 ℃

從圖4的結(jié)果可知，A、B兩種瀝青混合料在-10 ℃的低溫彎拉應(yīng)變滿足冬嚴(yán)寒區(qū)≥3 000 με的技術(shù)要求，表明A、B兩種高黏高彈改性瀝青應(yīng)力吸收層瀝青混合料具有優(yōu)良的低溫抗裂性能，且A瀝青混合料的低溫彎曲性能明顯優(yōu)于B和C。

2.3 水穩(wěn)定性

水損害在瀝青路面損害中較為常見，許多瀝青路面的早期破損多是由于水損害而引起的。應(yīng)力吸收層混合料攤鋪在舊瀝青路面上，如果水穩(wěn)定性不好，結(jié)構(gòu)層滲水或混合料自身產(chǎn)生水損害，則會進(jìn)一步導(dǎo)致原基層的水損害，進(jìn)而引起整體路面結(jié)構(gòu)的承載力下降。浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)是用來評價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的2種最常用的試驗(yàn)方法，本文也采用這2種試驗(yàn)方法評價(jià)3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Figure 5 Test results of marshall immerion test and freeze-thaw spilitting test of asphalt mixtures with different stress absorbing layers

根據(jù)圖5中的試驗(yàn)結(jié)果，3種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度都高于85%，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比也都大于80%，三者都具有良好的抗水損害能力。分析其原因，可能與應(yīng)力吸收層的材料組成特點(diǎn)有關(guān)，級配連續(xù)、集料細(xì)、瀝青含量高且孔隙率小，水分很難浸入。綜合對比3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性，C瀝青混合料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于A和B。

2.4 抗疲勞性能

應(yīng)力吸收層瀝青混合料應(yīng)具備很強(qiáng)的抗疲勞性能，這是其防治反射裂縫的特定功能所必需的。本文通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，來分析3種瀝青混合料的疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同應(yīng)力吸收層瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table3 Fatiguetestresultsofasphaltmixtureswithdifferentstressabsorbinglayers混合料類型試驗(yàn)條件疲勞作用次數(shù)Nf/次A瀝青混合料266740B瀝青混合料20℃,2000με,10Hz163546C瀝青混合料6580

3 結(jié)論

a.從3種瀝青的常規(guī)指標(biāo)來看，A、B兩種高黏高彈改性瀝青的針入度、延度和60 ℃的動力黏度都要明顯高于普通改性瀝青C。

b.根據(jù)3種瀝青結(jié)合料的高低溫PG分級結(jié)果，A瀝青的PG分級是76-34，B瀝青的PG分級是82-22，C瀝青的PG分級是76-22，A瀝青的低溫性能要優(yōu)于B和C。

c.從高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果來看，3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料由于礦料級配偏細(xì)，瀝青含量較高，高溫穩(wěn)定性均不是很好。從低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果來看，A、B兩種高黏高彈改性瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能，且A的低溫性能要明顯優(yōu)于B和C。從水穩(wěn)定性來看來看，3種瀝青混合料都具有良好的水穩(wěn)定性，且C瀝青混合料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于A和B。從四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果來看，3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的疲勞壽命排序?yàn)锳>B>C。

d.通過對3種應(yīng)力吸收層瀝青混合料的路用性能的研究發(fā)現(xiàn)，高黏高彈改性瀝青混合料相比常規(guī)的改性瀝青混合料，具有更好的路用性能，推薦在河北省張家口市北部壩上地區(qū)和國內(nèi)氣候類似地區(qū)采用高黏高彈Ⅰ型改性瀝青進(jìn)行應(yīng)力吸收層技術(shù)的推廣應(yīng)用。