复合增效型沥青面层在高海拔干线公路路用性能研究

陈丽莉,孙 磊,刘 康

(苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 211110)

0 引 言

西部一条干线公路位于高海拔地区,由于地处区域性交通要道,随着物流和客流的迅速增长,道路承受道路超过设计轴载负荷,引起沥青路面车辙和水损坏,严重影响路面使用寿命和服务性能。根据国内外研究结果,干线公路重载交通较大,下面层为竖向压缩区,主要承受压应力,为车辙主要发生的层位,因此要求沥青面层具有较高的模量和抗车辙、抗疲劳性能。

根据复合增效剂作用机理,将复合增效剂添加到沥青混合料中,以满足高海拔地区公路长大纵坡和弯道较多时,对沥青路面的抗车辙以及剪切性能的要求。在研究复合增效剂作用机理的基础上,分别采用高温抗车辙性能试验和冻融劈裂试验,研究沥青混合料掺入复合增效剂后路用性能的变化。最后通过试验段现场检测分析复合增效型AC-20沥青混合料路面抗车辙性能。

1 室内试验

1.1 作用机理

复合增效添加剂外观为白色粉末状固体,主要成分为高分子聚烯烃有机物。其提高混合料高温抗车辙性能和降低施工温度的作用原理,主要是通过调整沥青组份和分子量分布来实现[1]。随着温度升高,添加剂有机物中的物质通过吸附沥青中饱和组分,溶解形成稳定的溶液。能够减少溶液离析,同时可以加速沥青的熔化,从而使沥青运动粘度降低[2]。随着温度降低,添加剂有机物在沥青中形成网状结构,从而达到锁定沥青中饱和组分。能够增加沥青的稳定性,从而提升高温抗车辙性能,从而实现了复合增效的功能[3]。复合增效剂的添加能够显著提高沥青混合料高温抗车辙性能。

复合增效剂的技术要求如表1所示。在使用过程中应先对复合增效剂先进行检测[4],具体测试方法参照表1要求,同时应保证各检测指标满足技术要求。

表1 复合增效剂技术要求

1.2 复合增效剂对沥青性能影响

通过选择90#道路石油沥青作为基质沥青,复合增效剂掺量为基质沥青质量百分比,研究不同掺量复合增效添加剂对沥青胶结料性能影响。不同掺量复合增效添加剂的沥青胶结料技术指标如表2所示。

表2 不同复合增效剂掺量的沥青技术指标

在复合增效剂添加时先将基质沥青加热到160～170 ℃,掺加预先选定剂量的复合增效剂,保持170 ℃剪切60 min。不同掺量复合增效剂对软化点影响如图1所示,不同掺量复合增效剂对黏度影响如图2所示。

图1 不同掺量复合增效剂对软化点的影响

图2 不同掺量复合增效剂对黏度的影响

由试验结果可知:沥青中掺入复合增效剂后,软化点和60 ℃动力黏度随着掺量增加而上升,尤其是60 ℃动力黏度提升效果显著。但135 ℃运动黏度随掺量增加而略微下降。

沥青胶结料掺入复合增效剂后,通过提高沥青60 ℃黏度来进一步提升沥青混合料高温抗车辙性能;同时由于沥青高温黏度降低,从而改善了沥青混合料施工和易性。

1.3 复合增效沥青AC-20混合料制备

本次配合比验证原材料为石料、沥青、矿粉及复合增效剂,复合增效剂掺量为矿料质量的0.3%,马歇尔试验最佳油石比4.5%。根据规范要求,制备复合增效沥青AC-20混合料,马歇尔试验结果如表3所示。

表3 马歇尔试验结果

为了评价掺加复合增效剂对AC-20沥青混合料路用性能的影响,分别选择制备的复合增效型AC-20混合料和90#石油沥青AC-20混合料。针对两种沥青混合料,分别选择高温抗车辙试验、水稳定性试验和低温小梁弯曲试验[5],对混合料路用性能进行综合评价,研究复合增效剂对沥青混合料的影响,并评价复合增效型沥青混合料路用性能。

2 高温性能分析

分别对不掺加复合增效剂以及掺加0.3%的复合增效剂沥青混合料进行车辙试验。动稳定度试验结果如表4所示。

表4 车辙试验动稳定度

由试验结果可知,AC-20沥青混合料掺加0.3%的复合增效剂后,动稳定度由不掺加的1 231次/mm增加到3 673次/mm,动稳定度提升了198%,高温性能具有较大地提升。由此说明,复合增效剂的掺加能够较大程度的提升沥青混合料的高温抗车辙性能。复合增效型沥青混合料具有较好的高温抗车辙性能,可以用于路面抗车辙性能提升方案中。

3 水稳定性分析

针对沥青混合料掺加复合增效剂后水稳定性能变化情况,分别采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验[6],通过混合料的残留稳定度和劈裂强度进行评价。水稳定性试验结果如表5、表6所示。

表5 浸水马歇尔稳定度试验结果

表6 冻融劈裂试验结果

浸水马歇尔试验结果可知,掺加复合增效剂后,其残留稳定度由84.7%提高到98.4%。冻融劈裂试验的TSR值也由85.1%提高到88.5%。由此说明,相较于普通沥青混合料,掺加复合增效剂后,沥青混合料的水稳定性能有一定的提升。

4 低温抗裂性分析

由试验结果可知:掺加复合增效剂后,能够较大程度地提升沥青混合料的高温抗车辙性能。同时掺加复合增效剂后,沥青混合料的水稳定性能有一定的提升。但项目所在地对低温抗裂性能同样有特殊要求,因此通过室内低温弯曲试验分析复合增效剂对沥青混合料的低温性能影响,试验结果如图3所示。

图3 复合增效剂对混合料低温性能的影响

按照我国沥青路面气候分区,项目所在地属于冬寒区,普通沥青混合料的破坏应变宜不小于2 300 με。低温小梁弯曲试验结果表明,复合增效剂沥青混合料的低温弯曲应变满足相关规范要求,在掺入0.3%的复合增效剂后,其低温弯曲应变略有降低,但仍高于应变要求水平。

综上所述:掺加复合增效剂后,能够较大程度地提升沥青混合料的高温抗车辙性能。同时掺加复合增效剂后,沥青混合料的水稳定性能有一定的提升。而掺加复合增效剂对低温性能影响略有降低,但仍高于技术要求。

5 试验段性能分析

本项目为四川西部高海拔地区省道216专项改造工程,考虑到重载交通抗车辙性能,通过复合增效型路面专项试验段铺筑,验证复合增效型路面技术在高海拔地区干线公路的路用性能及可行性。试验段桩号为K89+522～K90+012(上行)、K89+522～K89+963(下行),总长度0.931 km。

5.1 施工温度控制

由于高海地区温差较大,沥青混合料运输到现场以及摊铺过程中降温较快。因此,高海拔地区沥青路面施工各个阶段的温度控制是保证施工质量的关键[7]。根据现场施工过程控制情况,高寒高海拔地区复合增效型沥青混合料的施工温度控制范围如表7所示。该地区出料温度控制、沥青混合料的摊铺温度和碾压温度都有别于现行规范的要求[8]。各阶段温度的控制尽量取高限,以保证后续工序的顺利完成和路面的质量。

表7 复合增效型沥青混合料的施工温度

沥青混合料拌合时必须根据气候条件控制好出料温度。根据施工现场经验,本次沥青混合料生产过程中,沥青加热温度控制为145 ℃左右,矿料加热温度控制住160 ℃左右。高海拔地区气温低,沥青混合料降温很快,碾压时应根据当天的气温适时调整碾压路段长度、压路机和摊铺机的距离。尽量防止沥青混凝土路面摊铺过程中因温度散失过快,造成沥青混合料难以压实的问题。现行规范要求,压路机碾压长度一般不超过60～80 m,尽量缩短碾压长度。而针对高海拔地区气候条件,应根据当天的气温适时调整碾压长度,建议碾压长度控制在20～40 m以内。

碾压温度是压实质量控制的关键,直接决定路面成型的质量。在试铺现场,随机抽查了几组碾压温度,初压温度在131 ℃左右,复压温度在117 ℃左右,满足施工指导意见要求。

5.2 试验段性能验证

试验段现场摊铺碾压完成后,按照规范要求制备车辙板试件。高温抗车辙试验条件为60±1 ℃,0.7±0.05 MPa。通过沥青混合料动稳定度试验结果评价试验段复合增效AC-20高温抗车辙性能。动稳定度试验结果如表8所示。

表8 车辙动稳定度试验结果

车辙动稳定度试验结果表明:复合增效AC-20混合料具有优异的高温稳定性能,试验段高温性能指标满足指导意见要求。

为了验证沥青混合料的抗水损害性能,采用4.5%的油石比进行马歇尔试件制备,并进行了浸水马歇尔试验,试验结果如表9所示。试验结果表明其抗水损害性能良好,满足规范要求。

表9 最佳油石比条件下浸水马歇尔试验结果

试验段设计厚度5 cm,通过取芯评定厚度和压实度,试验结果如表10所示。

表10 芯样厚度及压实度

根据芯样厚度试验结果,试验段厚度单点值均满足技术要求。试验段压实度单点值均满足技术要求。

从试验段铺筑效果、压实度、车辙稳定度试验等现场检测结果,复合增效型AC-20路面在干线公路专项改建工程中应用效果较好,表现出良好的抗车辙路用性能和铺面效果。

6 结 论

(1)沥青胶结料掺入复合增效剂后,通过提高沥青60 ℃粘度来进一步提升沥青混合料高温抗车辙性能;同时由于沥青高温粘度降低,从而改善了沥青混合料施工和易性。

(2)复合增效剂对沥青混合料的高温稳定性和水稳定性有较大改善,而使低温性能影响略有降低,但仍高于技术要求。

(3)试验段应用表明:复合增效型AC-20路面具有良好的抗车辙路用性能和铺面效果。