陳 智 周永浪
(1.長沙市軌道交通集團有限公司,長沙 410000;2.中地海外中揚建設工程有限公司,長沙 410000)
國內外市政道路路面施工經驗表明, 熱帶地區(qū)市政道路面層瀝青混凝土需具備高強、高韌特性,高品質的改性瀝青材料作為關鍵因素,需重點考慮。本研究圍繞某市政道路工程項目, 對熱帶地區(qū)市政道路瀝青混凝土進行研究。 由于該市政道路常年處于高溫氣候區(qū)域,地面溫度最高可達到60℃,因此,改性瀝青材料需適應不同服役環(huán)境, 需具備較好的路面高溫抗車轍能力和集料的裹附性[1-2]。 然而,在每年的6-8 月雨水季節(jié),大量路表雨水的灌入和沖刷會對瀝青路面結構產生水損傷影響,瀝青路面材料的使用需具備較好的水穩(wěn)定性, 即在雨水沖刷作用下,瀝青混凝土不發(fā)生開裂、松散問題[3]。 與此同時,車輛超載嚴重,車輛起步、制動和轉彎,都會對地表產生較大的摩擦阻力,易會對路面產生開裂問題,為確保道面結構強度的不劣化, 需采用黏度性較好的高性能瀝青混凝土[4-5]。 相關研究表明:熱帶地區(qū)市政道路瀝青混合料需具備高粘彈性組分, 既要有較好的抵抗受壓變形的能力,又要具備較好的彈性恢復效果[6-7]。 本文在比選PE 改性瀝青、橡膠改性瀝青和SBS 改性瀝青的基礎上,分別制備了不同類型的瀝青混合料進行路用性能測試, 探究高品質、高性能的瀝青路面材料。
為全面提升瀝青路面質量和服役水平, 需對瀝青材料進行嚴格把控, 研究對3 種不同類型的改性瀝青材料進行性能試驗研究,主要包括針入度、軟化點、黏度等測試指標。 相關測試結果見表1。
表1 3 種改性瀝青性能技術指標
由表1 可以看出,3 種改性瀝青的性能技術狀況存在一定差異特性,其中SBS 改性瀝青的針入度、軟化點和黏度值均最小。 相較于SBS 改性瀝青,PE 改性瀝青和橡膠改性瀝青的針入度分別提升7.52%和15.79%, 軟化點分別提升3.85%和7.69%, 黏度分別提升15.24%和54.29%。由于3 種改性瀝青使用的改性劑不同,其改性機理和形成的技術性能也均不同。 SBS 改性瀝青采用的改性劑為SBS(苯乙烯類熱塑性彈性體),與瀝青的融合會形成內部物理結構鉸鏈,形成空間網絡結構,可促進瀝青材料的高溫性能和耐久性; 將廢舊橡膠材料經特殊工藝加工得到不同目數(shù)的橡膠粉材料, 橡膠粉材料與瀝青融合過程中吸收瀝青種樹脂, 烴類組分, 橡膠粉不斷濕潤膨脹,使得材料在物理和化學共同作用下黏度增大,提升整體材料的抵抗彈性變形作用。 PE 的有效組分為聚乙烯,具有強度高、耐久性好等特點,聚乙烯以低于0.03 mm 的細度分散在瀝青中, 經一定試件的融合養(yǎng)生,PE 會不斷溶脹形成空間立體網絡結構, 可提升瀝青材料的延展性和黏度, 制備的瀝青混合料可抵抗高溫環(huán)境下車轍作用影響。從改性瀝青性能測試角度來看,橡膠瀝青的黏度更大,其內部的橡膠粘彈組分是關鍵因素,但對于瀝青混合料性能的影響仍需進一步探究分析。
根據(jù)研究需要, 需對改性瀝青混合料的路用性能尤其是高溫性能和水穩(wěn)定性進行研究。在此之前,需根據(jù)路面設計結構與材料說明進行配合比設計。 研究選用的改性瀝青即上述3 種改性瀝青, 粗細集料均為項目附近的花崗巖石料,填料為普通石灰石礦粉。蒙杜市政道路的面層均采用5 cm 厚0/14 級配改性瀝青混凝土, 其目標配合比如圖1 所示,油石比及馬歇爾物理指標見表2。
圖1 AC-13 配合比設計
表2 3 種不同改性瀝青混合料馬歇爾試驗測試結果
對3 種不同改性瀝青混合料的穩(wěn)定度與流值進行繪圖分析,如圖2 所示。
圖2 改性瀝青混合料穩(wěn)定度與流值
由以上圖表可知, 瀝青路面選用0/14 密實型級配,主要考慮了瀝青混合料在嵌擠作用下內部結構材料更加密實,可在一定程度上抵抗重車在起步、制動和轉彎時對路表的沖擊作用。 從3 種不同改性瀝青的最佳油石比和馬歇爾試驗物理指標來看,SBS 改性瀝青的油石比為4.9,PE 改性瀝青和橡膠改性瀝青的油石比為5.0 和5.2。產生這種現(xiàn)象的主要原因是改性瀝青與集料的粘附性有關,橡膠改性瀝青中的橡膠粉熔融在瀝青中,黏度較大,流動性較差,不利于與集料的均勻裹附。從穩(wěn)定度和流值測試結果來看,PE 改性瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值結果最小,處于比較穩(wěn)定的結構狀態(tài),不易發(fā)生受復雜多變的服役環(huán)境的影響而產生結構失穩(wěn)。
瀝青混合料在高溫環(huán)境下, 容易使內部瀝青油脂組分發(fā)生變形和遷移,使得內部材料結構失穩(wěn),造成路面車轍、麻面、泛油等病害現(xiàn)象。 為保障瀝青路面不產生車轍變形等病害,需全面提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。研究常采用車轍試驗中動穩(wěn)定度指標來探究混合料高溫性能技術狀況,考慮到服役環(huán)境溫度較高,研究采用60℃和70℃兩個溫度水平來研究改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度,相關測試結果見圖3~4。
圖3 改性瀝青混合料抗車轍變形
圖4 改性瀝青混合料動穩(wěn)定度
由圖3~4 可知, 對于兩種不同溫度環(huán)境下的車轍試驗結果而言,PE 改性瀝青混合料的車轍變形深度最小,60℃和70℃時分別達到1.52 mm 和3.07 mm。 而橡膠改性瀝青混合料的車轍深度是三者中最大的,60℃和70℃時分別達到2.24 mm 和4.42 mm。 其主要原因是橡膠瀝青混合料中橡膠粉具有較好的粘彈性,在高溫環(huán)境下易產生彈性變形,造成混合料在外部持續(xù)作用下產生車轍, 盡管橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性達到路面設計規(guī)范要求, 但在高溫環(huán)境地區(qū)應謹慎使用。 從動穩(wěn)定數(shù)值結果來看,PE 改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度結果最大,60℃和70℃時分別達到3845 次/mm和2418 次/mm。 3 種改性瀝青混合料在70℃時的動穩(wěn)定數(shù)值較60℃時分別下降了37.11%、49.48%和45.11%,說明PE改性瀝青對于高溫環(huán)境下溫度敏感性較低, 不易受溫度變化產生直接性能劣化影響。
瀝青混合料的水穩(wěn)定性是指混合料在水損傷環(huán)境下材料的劣化影響,水損傷既包括了雨水的沖刷浸潤損傷,也包括了在低溫環(huán)境下凍融損傷。 考慮到6-8 月熱帶草原氣候環(huán)境下易產生大量持續(xù)性的雨季, 對瀝青道面抵抗水損傷的要求就更高。 研究對3 種不同改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行測試, 采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來表征混合料的水穩(wěn)定性能,測試結果見圖5~6。
圖5 改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度
圖6 改性瀝青混合料凍融劈裂強度比
由圖5~6 可知,3 種改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度分別為89.5%、87.6%、86.4%, 凍融劈裂強度比分別為87.3%、86.5%、83.2%。說明PE 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能是最佳的,橡膠改性瀝青混合料次之,SBS 改性瀝青混合料最差。 其主要原因是PE 改性瀝青中的聚乙烯和瀝青的油脂成分能夠有效融合,形成不飽和狀態(tài),使得瀝青的黏度增大,材料內部結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。 在外部水損傷的環(huán)境下,改性瀝青和集料裹附性較好,能夠延緩內部損傷、材料破碎。 而SBS 改性瀝青是SBS 改性劑在瀝青中形成網絡結構,在長期的雨水浸潤和沖刷下,內部水分子容易滲透到SBS 改性瀝青中,破壞其內部結構狀態(tài)的穩(wěn)定,在一定程度上會造成內部混凝土的松散、剝落。
從高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性試驗結果來看,PE 改性瀝青具有較好的性能優(yōu)勢,但考慮到實際生產路面鋪筑的成本,需進一步對其費用組成進行計算對比,3 種改性瀝青的費用組成如表3 所示。
由表3 分析可知, 對于不同改性劑應用到基質瀝青中制備改性瀝青,改性劑的摻量控制要求也是不一樣的。 其中,橡膠粉材料的摻量最多,達到15%。 改性劑成本因為制備工藝及原材料不同,也存在一定的價格差異。其中,SBS 改性劑的費用最高,達到15600 元/t。通過最終的計算分析,PE 改性瀝青的單位成本費用最低, 價格為3070 元/t, 橡膠改性瀝青分費用與其較為接近,達到3125 元/t。 而SBS 改性瀝青則達到3374 元/t,較PE 改性瀝青貴出304 元/t。 若同時考慮3 種不同瀝青混合料油石比,則PE 改性瀝青的單位成本是最低的。 綜合考慮改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及成本,認為PE 改性瀝青具有絕對的優(yōu)勢, 可應用于熱帶地區(qū)市政道路瀝青面層的鋪筑。
表3 不同改性瀝青費用組成分析
本研究以某市政道路工程項目為背景, 對PE 改性瀝青、橡膠改性瀝青、SBS 改性瀝青的技術性能及其混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性進行綜合分析,認為PE 改性瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面具有絕對優(yōu)勢,通過成本的綜合計算分析,PE 改性瀝青的成本為3070元/t。 研究認為PE 改性瀝青混合料具有高強、高黏、高韌等特點,能夠適應高溫環(huán)境下路面車轍、水損傷等病害問題,具有較廣的應用前景。