高粘剂在沥青路面车辙病害处置中的应用研究

古灯华,张江飞,衣路野,潘海宾,伍辉明

(1.广西道路结构材料重点试验室,广西 南宁 53007;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 53007)

0 引言

沥青路面在车辆荷载反复作用下,其行车道轮迹带部位易产生永久变形,变形达到一定程度就会产生车辙病害,严重威胁高速公路沥青路面的服役性能和行车安全,此病害在交通量和载重高的湿热地区表现更为突出[1]。根据近些年的工程实例应用效果,车辙病害也是水泥混凝土沥青加铺(白加黑)复合式路面的典型病害之一,通常采用铣刨重铺的方式来解决[2]。当工程维护经费有限,路面铣刨重铺厚度有限时,对沥青加铺材料的性能和配合比组成设计提出了较高的要求,既要求材料具有良好的密实性,又要求其具有较强的高温抗剪切能力。

路面用沥青混合料的高温抗剪切能力主要由沥青胶结料自身粘结力和矿料间颗粒的嵌挤力决定,沥青黏度相对增大时,沥青胶结料与石料间的粘结力就越强,从而提升沥青混合料的抗剪切能力,增强路面的高温稳定性。在大多工况条件下,依靠现有成品沥青难以满足要求,需掺加适量功能型添加剂来实现目标[3]。大量研究表明[4-8],在沥青中掺入一定量的高粘剂,可增强沥青胶结料的粘结力和高温稳定性,其在排水沥青混合料中的应用技术相当成熟,但是缺乏在间断级配沥青混合料中应用研究。针对广西某高速公路改扩建项目中路面车辙病害问题,本文提出在铣刨重铺试验段沥青混合料类型选用SMA-13间断级配,在优选原材料和优化级配设计的基础上,掺入4%(沥青质量的)高粘剂,通过动态剪切流变试验、低温弯曲蠕变试验、普通车辙试验、马歇尔试验、冻融劈裂试验、路面车辙深度试验和汉堡车辙试验,对两种沥青及沥青混合料的性能进行分析,研究高粘剂的掺入对其室内试验性能和施工试验段应用性能的影响,为高粘剂在沥青路面车辙病害处置工程中的推广应用提供依据。

1 试验材料与设计级配

1.1 原材料

1.1.1 沥青

试验采用壳牌SBS(Ⅰ-D)改性沥青,其技术指标如表1所示。

表1 SBS(Ⅰ-D)技术性能指标表

1.1.2 集料

辉绿岩碎石产于贵港,矿粉为石灰岩磨细加工而成,其技术指标见表2和表3。

表2 辉绿岩集料的技术指标表

表3 矿粉技术指标表

1.1.3 高粘剂

采用湖南某公司生产的高粘剂,掺量为SBS改性沥青质量的4%。掺入沥青中的具体方法为:将SBS(Ⅰ-D)改性沥青加热至180 ℃,加入一定质量的高粘剂;搅拌均匀后,调整剪切机速率为4 500 r/min,180 ℃温度条件下剪切30 min;剪切后,将试样放在180 ℃的烘箱内发育30 min,即制备得到加入高粘剂的改性沥青(TS)。高粘剂掺入沥青混合料中的具体方法为:将高粘剂和集料一起加入拌和锅中,拌和90 s后,再加入SBS改性沥青拌和90 s,最后加入矿粉拌和90 s。

1.2 矿料级配设计

采用混合料级配类型为SBS改性沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13,油石比为5.7%,掺入高粘剂的混合料中木质纤维掺量为0.3%(占沥青混合料质量的比例,下同),未掺高粘剂的混合料中木质纤维掺量为0.35%。矿料级配组成见表4。

表4 SMA-13矿料组成设计结果表

2 室内试验性能研究

2.1 高粘剂对沥青性能的影响

2.1.1 动态流变性能

制取SBS、TS的动态剪切流变试验(DSR)试样,设置试验温度为52 ℃～82 ℃(间隔6 ℃),对试样进行温度扫描,对比分析短期老化前后两种沥青的相位角δ和车辙因子G*/sinδ变化情况,从而分析两种沥青的高温流变性能,试验结果如图1～2所示。

图1 两种沥青老化前后相位角值随温度变化曲线图

由图1知,未老化前,TS相位角远小于SBS改性沥青,高粘剂的掺入使沥青受到应力作用,材料的可恢复变形与不可恢复变形之间的相对比例增大,增加了沥青的弹性成分,使其在荷载作用下的高温抗变形能力增强。短期老化后,TS高温相位角值显著增大,表明高粘剂的加入使SBS改性沥青的热稳定性有所降低。从图2可以看出,在64 ℃温度条件下,不同状态下两种沥青的车辙因子大小顺序为:TS短期老化后>SBS短期老化后>TS原样>SBS原样,高粘剂的掺入提高了沥青的高温抗变形能力;短期老化后,TS和SBS的车辙因子值分别是其原样沥青的1.8倍和1.2倍,这表明短期老化作用使得沥青的车辙因子值增大,TS受短期老化作用的影响较大,但未改变其高温PG分级温度等级,均为76 ℃。

图2 两种沥青老化前后车辙因子随温度变化曲线图

2.1.2 低温弯曲蠕变性能

设置试验温度为:-12 ℃、-18 ℃,采用弯曲梁流变仪测试两种沥青样品的低温蠕变性能。表5为SHRP评价方法(取第60 s的劲度模量S与蠕变速率m作为PG性能试验分级的依据)中沥青BBR试验结果。

表5 SBS(Ⅰ-D)和TS低温弯曲试验结果表

由表5可知,在温度为-12 ℃时,相对于SBS,TS的蠕变劲度模量S值减小28%,表明高粘剂有助于改善沥青低温松弛能力,提高其低温抗裂性。同种温度条件下,两种沥青样品的蠕变速率变化较小,其低温PG分级温度等级(-22 ℃)一致,故高粘剂的掺入对沥青低温性能影响甚微。

2.2 高粘剂对混合料性能的影响

2.2.1 普通车辙性能

制备两种沥青混合料SMA-13,成型车辙板试件进行普通车辙试验,试样尺寸为300 mm×300 mm×50 mm,试验温度分别为60 ℃±1 ℃和70 ℃±1 ℃,动稳定度试验结果如图3所示。

图3 不同温度条件下两种沥青混合料的车辙性能对比柱状图

从图3可以看出,沥青种类和温度对沥青混合料高温稳定性影响显著,相对于SBS(Ⅰ-D)改性沥青混合料,60 ℃温度条件下,TS的动稳定度值增大了52%,70 ℃温度条件下,TS的动稳定度值增大了18%,TS沥青混合料的动稳定度值比较高。但随着温度升高,两种沥青混合料间的动稳定度差距减小,这表明高粘剂的掺入可提高沥青混合料的高温抗变形能力,但对于服役温度比较高的地区,其提升能力减弱。

2.2.2 混合料水损坏性能

分别对两种改性沥青混合料SMA-13进行残留稳定度试验和冻融劈裂试验,分别以残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比评价其水稳定性能,试验结果见表6和表7。

表6 两种沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度试验结果表

表7 两种沥青混合料冻融劈裂试验结果表

由表6可知,60 ℃水浴养生后,TS沥青混合料的马歇尔稳定度高于SBS,相同体积指标条件下,在60 ℃恒温水槽浸水48 h后,两种沥青混合料的马歇尔稳定度值相近。这是由于热氧老化作用使得沥青中轻质组分挥发,黏度增大,从而提高了沥青混合料的抗变形能力,导致混合料马歇尔残留稳定度常>100%,故高粘剂的掺入对沥青混合料的高温抗水损能力影响甚微。

从表7可以看出,真空饱水后,于-18 ℃低温和60 ℃高温条件下冻融前后,SBS改性沥青混合料的劈裂强度均小于TS,这是因为掺有高粘剂的沥青混合料中,胶结料与石料的粘附性较大,提高了沥青混合料抵抗冻融循环下的水损坏能力,且其冻融劈裂抗拉强度比也显著提高,表明高粘剂对沥青混合料的低温抗水损坏性能的提升作用是显著的。

3 施工应用

3.1 项目概况

在广西某高速公路改扩建项目中,原有路面结构为水泥混凝土,改扩建工程在原有路面上加铺三层改性沥青路面层:上面层是厚度为4 cm的SMA-13,中面层是厚度为6 cm的AC-20C,下面层是厚度为9 cm的ATB-25,总厚度为19 cm。某标段路面修筑通车后半年,第四行车道出现严重车辙病害。调查发现,车辙问题主要是中面层沥青混合料抗车辙性能不足导致,且病害处于一直发展状态。根据该路段车辙深度具体情况,提出处理方案:第四车道中车辙病害深度<10 mm的路段不做处理;车辙病害深度>10 mm的路段,铣刨后重新铺筑,具体方案由试验段情况确定。为提升路面抗车辙能力,在优选原材料和优化级配设计的基础上,从经济角度考虑,在原设计SBS改性沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13中掺入少量高粘剂来提升其整体抗车辙能力,最终确定试验段具体铣刨和重铺方案为:选取典型段落,将原有车辙病害路面铣刨4 cm和6 cm厚度后,分别铺筑SBS和TS改性沥青混合料SMA-13。

3.2 试验路验证

3.2.1 路面车辙深度

在试验段落重铺开放交通后的一个月和三个月,经历夏季最高温的气候条件后,使用多功能检测车分别检测试验路段的车辙深度情况,检测结果见表8。

表8 铣刨重铺典型试验路段通车后车辙情况表

由上页表8可知,K2068+677～K2068+854和K2068+915～K2069+200试验段在通车一个月后,产生了较小的深度变化,这是由于改建工程铺筑后即开放交通,在重车荷载作用下二次压密导致的,故在全段落处理车辙病害时,建议封闭交通一周以上再开放。通车三个月后,相对于通车一个月时,K2068+677～K2068+854路段的整体车辙深度比K2068+915～K2069+200段显著增大,这表明高粘剂的掺入对提升路面抗永久变形的能力是有益的;K2061+350～K2061+650路段整体车辙深度变化较为明显,在长大纵坡段,虽然考虑特殊路段对抗车辙能力的高要求,铣刨厚度增加至6 cm,但试验段抗车辙效果并不理想,证明对于特殊路段路面抗车辙能力要求较高时,要确保一定的路面厚度,才能保证其性能需求。

3.2.2 汉堡车辙性能

为模拟沥青混合料在高温多雨地区行车荷载下的性能表现,采用汉堡车辙试验评价两种沥青混合料路面芯样抗水损和高温变形的能力。其中汉堡车辙试验停止的条件为:(1)碾压次数达到20 000次;(2)试件变形深度达到15 mm。本研究中,在试验路段,使用直径为150 mm的钻芯机,分别钻取SBS和TS改性沥青混合料铺设路段路面芯样,试验室切取芯样上面层4 cm厚度后制备成汉堡车辙试件,设置水浴温度为50 ℃,采用德国INFRATEST公司产20-4000型汉堡车辙仪进行试验,结果见图4。

图4 试验路段两种沥青混合料的汉堡车辙性能对比曲线图

从图4可以看出,两种沥青混合料的汉堡车辙均在碾压达到20 000次后,试验停止;50 ℃水浴环境条件和钢轮作用碾压状态下,车辙深度均<5 mm,表明施工铺筑后的两种材料具有较高的抗车辙和水损坏能力。随着碾压次数的增加,TS改性沥青混合料的车辙变形速率较小,变化趋势较为平缓,而SBS改性沥青混合料车辙深度变化幅度较大;在碾压次数达到20 000次时,SBS改性沥青混合料的车辙变形深度为3.5 mm,TS改性沥青混合料的车辙变形深度为2.7 mm,高粘剂的掺入有利于提升沥青混合料抗车辙和抗水损能力。

4 结语

(1)高粘剂的掺入增大了沥青中的弹性成分,使得沥青的高温抗变形能力增强,但在一定程度上降低了SBS改性沥青的热稳定性。

(2)在沥青混合料中掺入高粘剂,可显著提高其高温抗车辙和抗水损性能,但对于服役温度比较高的地区,其高温性能提升幅度减弱。

(3)对于高速公路改扩建工程路面病害的维修,铣刨重铺后要封闭交通后一周以上再开放。

(4)高速公路路面车辙病害处理时,特殊路段要确保结构层具有一定的铣刨层厚度,才能发挥材料的性能优势。

(5)高粘剂应用于沥青路面车辙病害处置时,其经济性最优掺量方案还有待进一步深入研究。