市政改性沥青路面高温抗车辙性能试验研究

徐淑春

(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

随着我国高速公路的不断发展,沥青路面被广泛应用,沥青用量也逐渐增加。路况与自然环境的复杂化程度使得高速公路对沥青性能的要求越来越高[1]。随着使用时间的增加,沥青路面常会出现开裂、车辙等破坏现象,尤其路面长期处于高温环境时,开裂、车辙现象更加明显[2]。为了提高路面质量以及使用寿命,高速公路建设人员采用各种改性剂对基质沥青进行改性[3]。改性沥青是通过掺入各种改性剂优化基质沥青高温、低温等方面性能的新型材料,更适用于现代路面的铺设。田迎春等[4]采用反应型三元共聚物(Reactive Elastomeric Terpolymer, RET)与橡胶粉进行复配,实现基质沥青的改性,试验结果表明,RET与橡胶粉都能够增强改性沥青的抗高温性能,可以提高沥青路面的耐久性。童浩等[5]通过印尼布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt,BRA)与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene block copolymer,SBS)的改性剂对基质沥青进行混合配比,制备出复合改性沥青混合料。通过试验得知,复合改性沥青混合料增强了沥青材料的水稳定性与高温性能,使用沥青材料的使用寿命提升了大约47%。但上述2种方法未进行实际性抗车辙试验,缺乏客观性。为了得到客观的改性沥青路面高温抗车辙性能结果,本文制备3种改进沥青材料,以车辙深度、相对变形率、动稳定度、相位角与动态模量为指标开展抗车辙性能测试。以实现改进沥青路面高温抗车辙性能的充分测试,选择性能相对最优的改性沥青材料,以获取最适合市政配套项目中铺设路面的改性沥青。

1 试验研究

1.1 市政路面的工程概况

为了研究市政改性沥青路面高温抗车辙性能,需要了解路面工程概况与所采用的材料,以便选择适合市政路面建设的改性沥青。

本工程为奎文区南部城区市政配套项目,包括蓝翔街(潍胶路-南苑路)(南苑路-潍州路雨污管网、电力管沟)、金沙路(双羊街-蓝翔街)、崇文街(白浪河景观带-机场路)、南苑路(潍胶路以北)、蓝湾街(机场路-机场院墙)5条道路范围内市政基础设施的勘察、设计、工程施工、工程开工至竣工需要的所有检测、工程竣工验收备案及保修、项目移交等全部内容。工程平面示意图如图1所示。

图1 工程平面示意图

1.2 试验材料制备与试验方法

1.2.1 改性沥青的制备

在沥青加热罐中加入一定量的基质沥青,将其加热至180～200 ℃,在沥青加热罐中掺入一定量的SBS改性剂,并充分搅拌25 min。再将混合沥青放入高速剪切器中进行剪切1.5 h左右,最后在混合沥青中掺入稳定剂,等待混合沥青反应15 min,获得SBS改性沥青。在70 ℃的热水中掺入丁苯橡胶(buna-S,styrene-butadiene rubber,SBR)胶乳改性剂,然后掺入氯乙基环已烷(Hydrochloric acid,HCL)使混合溶液的pH值保持在1.4～2.4,将其搅拌均匀,获得SBR改性沥青。在160～190 ℃的条件下将SBS与SBR改性沥青高速剪切,该过程持续0.5 h,即可获得SBS-SBR复合改性沥青。

1.2.2 试验方法

首先对比改性沥青的常规性能(高温性能、存储的稳定性、路用性能、车辙深度、相对变形率,动稳定度),然后进行缓和料试验。运用AC-13连续级配,各种集料的通过率如表1所示。采用马歇尔设计方法设计试验,试验结果如表2所示。所有改性沥青的用量为5.1%,使用国产轮胎成型机制作车辙板试件,车辙板试件的尺寸为400 mm×400 mm×50 mm,空隙率保持在3%～5%范围内[7]。分别制作SBS、SBR以及SBS-SBR复合改性沥青3个试件,记为试件1、试件2、试件3。

通常车辙试验通过动稳定度DS(次/mm)判断改性沥青的高温稳定性能[8]。依据荷载作用t1=45 min与t2=60 min的永久变形,计算DS:

(1)

式中:C1、C2为修正系数;v为试验的车轮速度,m/s;d1、d2为t1、t2的变形量,mm。

DS不能完全展现试验过程中沥青的变形程度,而且1 h的试验不易看出改性沥青的差异,所以拟进行4 h的试验,并通过相对变形率β判断改性沥青的抗车辙性能:

(2)

式中:ΔL为4 h后时间的总变形程度,mm;L为试件厚度,mm。

表2 改性沥青马歇尔试验结果

在温度不变情况下,采用不同频率的正弦轴向压变力对沥青作用,检测轴向应变与应力,并计算相位角φ与动态模量E*:

(3)

(4)

式中:Tp为应力周期,s;Ti为应变与应力之间的滞后时间,s;σ0为应力, MPa;ε0为应变峰值。采用5 Hz与10 Hz荷载加载频率的E*和E*/sinφ可以判断改性沥青的抗车辙性能。

2 试验分析

在所有试验条件都相同时,对比试件1、2、3的性能指标,如表3所示。

由表3可知,在试验条件相同的情况下,3种试件的各项性能均能够满足标准值或要求,但是在许多试验项目上存在较大差距。其中,筛上剩余量,0.086%>0.079%>0.054%,试件1>试件2>试件3,说明试件1的沥青物料细度更高;试件1的恩格拉黏度高于其余2个试件,说明试件1的黏度较强;3个试件的软化点的排序为试件3<试件2<试件1,说明制作试件1的高温稳定性最好,比较适用于炎热地区或高温环境下,抗车辙性能更好。3个试件的存储稳定性的排序为试件3<试件2<试件1,说明制作试件1存储稳定性最高,便于存储和运输。综上所述,在条件相同的情况下,试件1的使用性能最好。

表3 相同条件下3个试件的性能比较

在不同的温度与荷载条件下,检验改性沥青的高温性能,试验车轮的行驶路程为230 m,车轮频率保持在45次/min。记录各试验条件下3个试件的变形结果,并计算最终变形量与相对变形率如图2、图3所示。

由图2、图3可知,无论怎样改变试验温度与轮载条件,试件1的车辙深度都是最浅的,相对变形率都是最低的,在试验条件为50 ℃/0.7 MPa、60 ℃/0.7 MPa、60 ℃/0.8 MPa以及70 ℃/0.7 MPa时,试件2的车辙深度与相对变形率大于试件3,只有试验条件为60 ℃/0.9 MPa时,试件2的车辙深度与相对变形率小于试件3。其中试验条件为70 ℃/0.7 MPa下,试件1的车辙深度明显降低,相较于试件2和试件3,试件1的车辙深度分别减少0.788 mm、0.579 mm。说明70 ℃/0.7 Mpa条件下,试件1的抗车辙性能优势更显著,说明试件1的高温抗车辙能力最强。

图2 不同条件下试件的车辙深度

图3 不同条件下试件的相对变形率

为验证3个试件的高温稳定性,测试3个试件在60 ℃与70 ℃条件下的动稳定度,具体试验结果如图4所示。

图4 试件在60 ℃与70 ℃条件下的动稳定度

由图4可知,试件1、2、3在60 ℃时的动稳定度分别为7 135.8,6 578.6,1 489.7次/mm,试件1比试件2、3的动稳定度分别高出了557.2,5 646.1次/mm。试件1、2、3在70 ℃时的动稳定度分别为4 712.8,3 868.6,1 332.7次/mm,试件1比试件2、3的动稳定度分别高出了844.2,3 380.1次/mm。试件1的动稳定度始终高于试件2与试件3,说明试件1的动稳定度最高,抗车辙性能更好。

因为本文主要研究改性沥青的高温性能,所以试验仅在20～70 ℃的温度范围检测改性沥青的动态模量,试验采用10 Hz与5 Hz的荷载加载频率。在不同试验温度与荷载频率下,各试件的E*和E*/sinφ如表4所示。

由表4可知,无论温度条件与荷载加载频率的大小,试件1的E*和E*/sinφ始终最小,试件3的E*和E*/sinφ最大,说明试件1具有最优的抗车辙性能。

在一定的温度下,对试件施加一定的轴向压力荷载,当轴向应变的变化率提升时的时间为流变时间tF,即tF为轴向变量的变化率最小的时间点。当试验条件为60 ℃/0.8 MPa、70 ℃/0.7 MPa时,即便围压值是220 kPa,试件也很容易被破坏,不能对比出3种改性剂的差异。所以将试验条件变化至:40 ℃/0.7 MPa、50 ℃/0.7 MPa、50 ℃/0.8 MPa、50 ℃/0.9 MPa以及60 ℃/0.7 MPa。试验结果如表5所示。

表4 动态模量试验结果

表5 流变时间试验结果

据表5可知,在各种试验条件下,试件1的tF最大,大致为试件3的tF的2倍,也明显大于试件2的tF。

图5、图6是tF随着温度以及荷载发生变化时的关系图。

由图5、图6可知,tF随着试验温度与荷载的增加而呈线性下降,其中试件1与试件2的tF下降较快,并始终大于试件3。图5中,当试验温度为50 ℃时,随着轴向压力的不断提高,试件1的tF由1 100 s降至540 s,试件2的tF由874 s降至386 s,试件3的tF由530 s降至284 s。图6中,当轴向压力0.7 MPa时,随着温度的上升,试件1的tF由1 620 s降至719 s,试件2的tF由1 214 s降至630 s,试件3的tF由840 s降至254 s。在各种试验条件下,3个试件的tF值有很明显的差异,其抗车辙能力排序为:试件1>试件2>试件3。综上可知试件1在不同试验温度与荷载的情况下,抗车辙能力仍然最强。

图5 tF与轴向压力的关系(温度为50 ℃)

图6 tF与温度的关系(轴向压力0.7 MPa)

室内的试验具有局限性,结果不够直观,所以在预修建路面铺一定距离的SBS、SBR以及SBS-SBR复合改性沥青,如图7所示。

经过一段时间车的反复碾压,观察3种改性沥青的路面情况,如图8所示。

(a)SBS改性沥青

(b)SBR改性沥青

(c)SBS-SBR复合改性沥青图8 3种改性沥青铺设路面的车辙结果

经过实地测量,可得到路面形变量:SBS改性沥青铺设路面的变形最小,为10 mm;SBS-SBR复合改性沥青铺设路面的变形最大,为50 mm。说明在实际应用中,SBS改性沥青铺设的路面的抗车辙性能最好。

3 结论

为了明确不同改性沥青混凝土在高温情况下的抗车辙性能,进行市政改性沥青路面高温抗车辙性能试验研究。制备SBS、SBR以及SBS-SBR复合改性沥青,在相同的测试环境下,进行实地测量,从而得到精准的抗车辙性能结果。通过改性沥青的常规性能试验可以看出SBS改性沥青的高温性能好,存储的稳定性好且路用性能高。通过高温抗车辙试验能验证SBS改性沥青的车辙深度浅、相对变形率低,动稳定度最高,因此SBS改性沥青的高温抗车辙性能最好,最适用于市政配套项目的路面施工。