王英帥 ，萬 超

（1.鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州450000；2.河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450000）

0 引言

道路基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展極大的促進(jìn)了交通網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，交通量的持續(xù)增長對道路服役產(chǎn)生一定負(fù)擔(dān)，尤其是重載交通環(huán)境，更會對道路產(chǎn)生嚴(yán)重變形破壞。現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)常采用改性AC 密實級配瀝青混合料作為面層結(jié)構(gòu)，其抗變形能力較好，但在低溫重載環(huán)境下易產(chǎn)生開裂損傷，而SMA 和SUP 級配的骨架結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，在重載交通環(huán)境下具有較好的性能表現(xiàn)［1－3］。王君［4］在低溫和高溫兩種不同環(huán)境下對AC－13 及SMA－13 兩種不同級配瀝青混合料進(jìn)行沖擊荷載作用，認(rèn)為SMA－13 混合料的抵抗沖擊的韌性更好； 何壯彬［5］研究了粗骨料摻量對SMA－13 瀝青混合料的性能影響，認(rèn)為粗骨料的增加可增強(qiáng)高溫穩(wěn)定性和施工和易性； 石紅星等［6］對AC－13 和SMA－13 兩種級配瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行研究，認(rèn)為SMA－13 混合料的柔韌性好，低溫抗裂性更優(yōu)； 關(guān)永勝等［7］分別在AC－13 和SMA－13 兩種級配瀝青混合料摻加橡膠瀝青進(jìn)行改性，研究表明AC－13 橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性較好； 李艷玲等［8］對AC－13 和SMA－13 兩種瀝青混合料的抗老化性能進(jìn)行研究，認(rèn)為AC－13 瀝青混合料的抗老化性更強(qiáng)。上述研究表明： AC－13 和SMA－13 兩種不同級配瀝青混合料的性能各有優(yōu)缺點，為進(jìn)一步探究重載交通環(huán)境下不同級配的適用性，研究在道路結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上對兩類級配瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，旨在促進(jìn)重載交通路面的綜合服役質(zhì)量。

1 面層結(jié)構(gòu)分析比選

關(guān)于道路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不同國家和地區(qū)會根據(jù)其所處的地理位置、氣候條件及交通發(fā)展水平做出一定適用性調(diào)整，道路結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括瀝青層、基層及底基層的材料及厚度選?。?－10］。上面層是直接與路面行車荷載相接觸的層位，受雨水沖刷侵蝕影響，面層結(jié)構(gòu)需具備較好的抗滑性能，研究一般采用改性瀝青混合料作為上面層材料，要求具備較好的感溫性、耐久性，常貴的上面層結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點如表1 所示。

表1 上面層不同結(jié)構(gòu)材料技術(shù)特征Table 1 Technical characteristics of different structural materials in the upper layer

目前道路上面層結(jié)構(gòu)主要以傳統(tǒng)SMA－13 和AC－13 為主，Sup－13 和OGFC－13 級配是根據(jù)道路技術(shù)水平提升，為滿足特定道路使用要求所設(shè)計的結(jié)構(gòu)。SMA－13 瀝青混合料的孔隙率較小，由于需要木質(zhì)素等纖維材料來達(dá)到內(nèi)部穩(wěn)定效果，需消耗較多的瀝青用量，其在抗裂、抗車轍、抗水損傷等方面均存在較好的表現(xiàn)。而AC－13 密實型級配瀝青混合料，其內(nèi)部骨料均能實現(xiàn)較好的嵌擠作用，整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好。而Sup－13和OGFC－13 在高溫抗變形、抗裂等方面交SMA－13 和AC－13 仍存在一定差異。

2 原材料與試驗方案

2.1 礦料

研究選用的骨料存產(chǎn)自湖北，粗集料為普通石灰?guī)r，細(xì)集料為玄武巖，填料為礦粉，礦料的粒徑分布較為均勻，干凈無明顯雜志，粗集料的壓碎值和磨耗值符合道路施工技術(shù)要求，礦料的技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

2.2 SBS 改性瀝青

研究采用SBS 改性瀝青分別制備SMA－13 和AC－13 瀝青混合料，瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表3 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of SBS modified asphalt

2.3 木質(zhì)素纖維

木質(zhì)素纖維是SMA 級配瀝青混合料中的穩(wěn)定劑，主要是維系瀝青在混合料中的分布狀態(tài)，可改善瀝青混合料的路用性能，混合料拌合過程中摻量為0.4%，技術(shù)指標(biāo)如表4 所示，其形貌如圖1 所示。

圖1 木質(zhì)素纖維Fig.1 Lignin fiber

表4 木質(zhì)素技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indicators of lignin

2.4 抗車轍劑

抗車轍劑（PR） 是一種灰色的固體顆粒，可顯著提高抗車轍能力、改善低溫抗裂性能，減少因交通荷載所造成的路面疲勞破壞。具有增稠－粘連－增韌作用，適用于重載交通瀝青路面，其技術(shù)指標(biāo)如表5 所示，其形貌如圖2 所示。

圖2 抗車轍劑Fig.2 Anti－rutting agent

表5 抗車轍劑技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indexes of anti－rutting agent

2.5 試驗方案

研究對AC－13 及SMA－13 兩種級配分別進(jìn)行摻和不摻抗車轍劑瀝青混合料的性能研究，其中，抗車轍劑的摻量為0.4%，AC－13 及SMA－13 級配曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 AC－13 級配曲線Fig.3 AC－13 grading curve

圖4 SMA－13 級配曲線Fig.4 SMA－13 grading curve

對兩種不同級配瀝青混合料的馬歇爾試件進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 不同級配瀝青混合料馬歇爾技術(shù)指標(biāo)Table 6 Marshall technical indexes of different graded asphalt mixture

AC－13 級配與SMA－13 級配在油石比、穩(wěn)定度及流值方面均存在一定差異，SMA 級配中添加了木質(zhì)素纖維，具體吸油特性，需要消耗更多的瀝青來穩(wěn)定混合料中集料的分布，而抗車轍劑PR的加入，也會在一定程度上增加油石比，且摻PR的瀝青混合料，其穩(wěn)定度和流值均有一定增長。

3 瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

重載交通會對瀝青面層產(chǎn)生一定變形損傷，在高溫環(huán)境下更會加劇路面的車轍病害。研究為探尋適用于重載交通環(huán)境的路面結(jié)構(gòu)及材料，對相關(guān)性能進(jìn)行探究。選用高溫車轍儀來模擬路面行車對瀝青混合料的車轍損傷，用動穩(wěn)定度來具體進(jìn)行量化表征，動穩(wěn)定度越大，則表明高溫穩(wěn)定性越好，路面車轍損傷程度越小，試驗結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，四種不同級配類型瀝青混合料的動穩(wěn)定度值分別為2865 次／mm、3652 次／mm、3225 次／mm 和4265 次／mm，摻抗車轍劑的AC－13級配瀝青混合料動穩(wěn)定度較普通瀝青混合料提升了27.47%，摻抗車轍劑的SMA－13 級配瀝青混合料動穩(wěn)定度較普通瀝青混合料提升了32.25%，而SMA－13 （PR） 動穩(wěn)定度較AC－13 （PR） 提升了16.79%。SMA－13 是一種由粗骨料嵌擠行形成的開級配混合料，由木質(zhì)素纖維填充起到穩(wěn)定作用，與此同時，木質(zhì)素頁起到了材料內(nèi)部加筋作用，可抵抗車輛荷載產(chǎn)生的變形開裂。而抗車轍劑的加入使得混合料的動穩(wěn)定度進(jìn)一步提升，抗車轍劑中的高黏組分能夠?qū)崿F(xiàn)材料的黏彈性增強(qiáng)，材料通過相關(guān)嵌擠裹附，使得強(qiáng)度進(jìn)一步提升。

3.2 水穩(wěn)定性

高等級瀝青路面不僅要承受重載交通環(huán)境影響，還需要具備較好的抗滑和防水損傷性能，研究采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比來探究四種不同類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如表7所示。

將四種不同類型混合料的殘留穩(wěn)定度劑凍融劈裂強(qiáng)度比繪制成圖分析，如圖6 所示。

圖6 瀝青混合料水穩(wěn)定性Fig.6 Water stability of the asphalt mixture

根據(jù)圖6 可知，AC 級配瀝青混合料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于SMA 級配，摻抗車轍劑PR 瀝青混合料水穩(wěn)定性要優(yōu)于不摻抗車轍劑瀝青混合料，其主要原因是： AC 級配是密實型級配，粗細(xì)骨料的骨架嵌擠作用十分明顯，在水損傷環(huán)境中，水分子的侵蝕不易對混合料的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生劣化影響，而SMA 級配是大骨料支撐結(jié)構(gòu)，且通過木質(zhì)素纖維進(jìn)行瀝青、集料間的加筋和穩(wěn)定作用，但木質(zhì)素具有吸水特性，水分子侵蝕凈潤下，木質(zhì)素易產(chǎn)生膨脹，削弱了其在混合料中裹附強(qiáng)度，水分子易沿內(nèi)部孔隙進(jìn)行滲透，進(jìn)一步破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?？管囖H劑在混合料拌合過程中，受熱作用下化解為黏聚較高的聚合物，在一定程度上會增強(qiáng)集料間的黏聚作用。

3.3 低溫抗裂性能

高等級公路往往架設(shè)在空曠地域，受晝夜溫差影響，瀝青路面往往會受到低溫開裂影響，在重載交通環(huán)境下會進(jìn)一步削弱材料的強(qiáng)度等級，研究對四種不同類型瀝青混合料的低溫開裂性能進(jìn)行研究，采用低溫小梁試件在－10 ℃環(huán)境下進(jìn)行破壞荷載施加，采用破壞應(yīng)變指標(biāo)來評價低溫抗裂性能，試驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 瀝青混合料低溫抗裂性Fig.7 Low－temperature crack resistance of asphalt mixture

由圖7 可知，上述四類不同瀝青混合料中，摻抗車轍劑的SMA－13 級配瀝青混合料破壞應(yīng)變最大，達(dá)到3925 uε，摻抗車轍劑的AC－3 級配瀝青混合料次之，破壞應(yīng)變達(dá)到3562 uε，二者分別較不摻抗車轍劑的瀝青混合料提升20.62%和25.60%。說明SMA－13 級配的低溫抗裂性要優(yōu)于AC－13 級配，抗車轍劑有利于提升材料的低溫抗裂性能。其主要是因為SMA－13 級配中采用了高用量改性瀝青和木質(zhì)素纖維，二者可以充分與集料產(chǎn)生均勻融合，材料的黏度增強(qiáng)，提升了瀝青混合料抵抗外部荷載變形能力?？管囖H劑本質(zhì)上高分子聚合物，在高溫環(huán)境下，黏聚物能夠與瀝青進(jìn)行有效熔融反應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)材料的延展性，在低溫環(huán)境下材料產(chǎn)生開裂收縮破壞的風(fēng)險有所降低。

3.4 抗疲勞性能

瀝青路面在長期的服役過程中會面臨疲勞損傷問題，疲勞損傷是瀝青路面在持續(xù)的開裂破壞下產(chǎn)生的集中性病害，會削弱瀝青路面的服役質(zhì)量水平。研究對四種不同類型瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行研究，采用四點彎曲荷載試驗來分析試件在650 uε 下的疲勞壽命，試驗結(jié)果如表8 所示。

表8 瀝青混合料疲勞壽命Table 8 Fatigue life of asphalt mixture

由圖8 可知，四種不同瀝青混合料的疲勞壽命存在一定差異，其中，摻抗車轍劑的SMA－13混合料疲勞壽命最大，達(dá)到222690 次，普通AC－13 混合料的疲勞壽命最小，達(dá)到161550 次。SMA－13 級配瀝青混合料在摻加抗車轍劑前后，其疲勞壽命提升了12.04%，而AC－13 級配提升了16.60%。說明抗車轍劑對提升混合料的疲勞壽命效果方面，AC－13 級配更加顯著。SMA－13 級配混合料的疲勞壽命要優(yōu)于AC－13 級配，其主要原因是SMA－13 級配主要是由粗骨料嵌擠形成，骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對維系瀝青路面的疲勞性能具有重要意義?？管囖H劑高聚合物材料有利用增強(qiáng)瀝青路面的疲勞性能，重載交通瀝青路面可根據(jù)道路服役需求進(jìn)行科學(xué)合理使用。

圖8 疲勞壽命－勁度模量曲線Fig.8 Fatigue life－strength modulus curve

圖9 不同類型瀝青混合料無量綱數(shù)值Fig.9 Dimensionless values of different types of asphalt mixtures

3.5 混合料綜合性能分析

為進(jìn)一步綜合比選不同類型瀝青混合料的差異性，研究采用無量綱化對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表9 所示。

表9 瀝青混合料無量綱化數(shù)據(jù)處理Table 9 Dimensionless data processing of asphalt mixtures

無量綱化后的數(shù)據(jù)表明，SMA－13 級配的動穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變及疲勞壽命均優(yōu)于AC－13 級配，而AC－13 級配在殘留穩(wěn)定度和凍融疲勞強(qiáng)度比方面占據(jù)優(yōu)勢?？管囖H劑材料的加入整體改善了瀝青混合料的路用性能。對各路用性能進(jìn)行均等賦值并對不同級配瀝青混合料整體性能進(jìn)行排序：SMA－ 13 （PR） ＞AC－13 （PR） ＞SMA－13 ＞AC－13。

4 結(jié)語

重載交通環(huán)境對瀝青路面有著更高的質(zhì)量技術(shù)要求，傳統(tǒng)的密實型級配瀝青混合料易在長期荷載作用下產(chǎn)生車轍變形、路面開裂等問題。本文在對比現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對比了摻加抗車轍劑前后AC－13 及SMA－13 級配的路用性能，研究表明SMA－13 級配在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性劑疲勞壽命方面更具優(yōu)勢，而抗車轍劑能夠進(jìn)一步增強(qiáng)相關(guān)材料的綜合性能。將抗車轍劑材料用于SMA－13 級配中可滿足重載交通路面服役需求，可延長道路使用壽命，具有較廣的應(yīng)用推廣價值。