新型降温抗车辙改性沥青混合料性能研究

吴 涛

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300450)

我国南方部分地区属于亚热带高温区,夏季炎热,路面容易产生车辙病害;珠江三角洲地区经济较发达,重载车辆多、交通量较大,因此珠三角经济区的道路车辙病害尤为明显。车辙病害的出现不仅会缩短沥青路面的使用寿命、影响汽车行驶的舒适性,而且会危及行车安全[1]。因此,许多科研人员综合国内外抗车辙的研究,提出在沥青混合料中加入抗车辙剂,提高混合料的综合性能,以减轻路面车辙病害的影响。

目前,国内的抗车辙剂主要有热塑性树脂类聚乙烯(PE)、高模量抗车辙剂(RA)、车辙王抗车辙剂(Rad Spunrie)等。相关研究表明:与SBS 改性沥青相比,掺加PRPLAST.S 抗车辙剂的沥青混合料动稳定度提高了近30%[2]。对比现阶段大多数抗车辙剂的主要成分及改性机理可以发现,各类抗车辙剂的共同特点是使用有机高分子材料,虽然各类抗车辙剂对车辙的处治效果较好,但是其成本较高且会造成环境污染,所以在南方湿热地区没有得到全面推广使用。因此,需要寻找一种低成本、低污染的改性方法以治理南方湿热地区的车辙病害。

本文采用的电气石负离子粉是一种以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物,其自身具有压电及热释电性能,不仅能改善沥青的综合性能,还具有多重环境功效,可降低路面吸收光照的速率,从而降低路面的温度。本文在先期试验中发现添加TAP 可增大沥青的抗车辙因子,在此基础上,联合多级嵌挤骨架密实结构提高抗车辙性能的原理,通过制备新的GAC-16 沥青混合料,并与《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的AC-16 级配及70#基质沥青所得到的混合料的路用性能进行对比分析[3],由此论证此种材料在南方湿热地区的使用价值。

1 原材料试验方案

1.1 集料

本文选用的粗集料为河源芙蓉石场粗集料,粒径规格为3～5 mm、5～10 mm、10～18 mm,细集料为石灰岩机制砂。集料技术指标如表1 所示。

表1 集料技术指标

1.2 沥青

本文选用AH-70#道路石油沥青和TAP,沥青中TAP 的掺量为沥青质量的12%,矿粉为某石粉厂矿粉。TAP 物理指标如表2 所示,TAP 化学成分如表3 所示,沥青主要性能指标如表4 所示。

表2 TAP 物理指标

表3 TAP 化学成分

表4 沥青主要性能指标

1.3 试验方案

多级嵌挤密级配设计法以逐级填充理论和粒子干涉理论作为设计依据,以Superpave(高性能沥青路面)级配选择原则为基础,以贝雷法为设计检验标准,在确保粗集料形成骨架结构的基础上,加强细集料骨架结构设计,以形成多级嵌挤骨架密实结构的沥青混合料[4]。因此,GAC-16 级配是改进型的骨架密实型沥青混合料,其粗细集料比例为6∶4,此时沥青混合料能达到骨架形成嵌挤结构的效果。GAC-16 与AC-16 级配曲线对比如图1所示。

为对比本文制备的TAP 改性沥青及骨架密实型级配GAC-16 的效果,同时制备基质沥青AC-16、基质沥青GAC-16、TAP 改性沥青AC-16、TAP改性沥青GAC-16 4 种沥青混合料。首先确定其最佳油石比及最佳油石比下的体积指标,不同沥青混合料参数如表5 所示;然后在最佳油石比条件下制备试件,进行车辙试验、半圆劈裂试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及四点弯曲疲劳试验[5],分别评价其高温性能、低温性能、水稳定性及疲劳性能。

表5 不同沥青混合料参数

2 性能评价

2.1 高温性能

湿热重载条件下,沥青路面容易产生车辙病害,因此,科研人员在级配设计时也会特别强调高温性能。现阶段沥青混合料高温性能的主流评价指标为动稳定度,4 种沥青混合料的动稳定度试验结果如图2 所示。

由图2 可知,基质沥青AC-16 混合料动稳定度最低;与AC-16 相比,GAC-16 沥青混合料的动稳定度明显提高;采用TAP 改性沥青与GAC-16 级配制备的沥青混合料动稳定度最高,相比普通沥青混合料,其动稳定度提高33%。

以上结果出现主要有两方面原因。首先,本文采用的GAC-16 级配是基于抗剪能力较优且尽量不损害沥青混合料低温性能的特质提出的,其集料颗粒相较规范推荐的级配中值更粗,有利于粗集料形成良好的嵌挤结构,抗剪能力较强,因此其高温稳定性能大幅度提高。其次,负离子粉改性沥青中负离子粉比表面积较大,可有效吸附沥青,形成更多的结构沥青,一定程度上提高了沥青的高温性能,因此混合料高温性能也有所提升[6]。

2.2 低温性能

沥青是一种温度敏感材料。当外界环境温度下降时,沥青脆性增加,易开裂。因此,低温抗裂性能也是沥青混合料必须测试的一项指标。传统的劈裂试验比较单一地考虑沥青混合料的性质,评价指标不能充分反映沥青混合料的抗裂性,适用性较弱;而半圆劈裂试验采用断裂能作为评价指标,将应变和强度进行了综合考虑,故能较全面地反映沥青混合料的抗裂性能。

一般而言,沥青混合料低温性能试验温度大多设置为0 ℃,因此,本文沥青混合料半圆劈裂试验温度设置为0 ℃。试件厚度30 mm、直径10 mm,辊轴直径12 mm,支撑辊轴间距0.8 D,荷载加载速率5 mm/min。试验试件及夹具如图3 所示,试件切缝(长度15 mm)如图4 所示。

断裂能(Gf)反映了材料从完好到断裂所吸收的总能量,由断裂功[荷载与荷载平均位移(P-u)曲线如图5 所示]与韧性区面积之比计算得到[7],计算公式为

式中,Gf为断裂能,J/m2;Alig为韧性区面积,m2。Alig计算公式为

式中,r为试件半径,m;a为裂缝长度,m;t为试件厚度,mm;Wf为断裂功,J。Wf计算公式为

式中,P为施加荷载,N;u为荷载平均位移,m。

4 种沥青混合料半圆劈裂试验结果如图6 所示。由图6 可以看出,采用GAC-16 级配和TAP 改性沥青制备的沥青混合料低温性能均优于采用AC-16 级配中值和基质沥青的沥青混合料。

从断裂能出发评价沥青混合料低温性能,GAC-16 级配提高了沥青混合料的断裂能,即其低温性能相较AC-16 级配中值得到了提高。其原因可能是本文开发的级配总体相比规范推荐的级配中值更加合理,在适宜的油石比下,所成型的沥青混合料在发生断裂之前可以储存更多的能量,因此其断裂能更大。在沥青方面,本文提出的TAP改性沥青相较基质沥青可以提高沥青混合料的抗拉强度,主要是因为相较于基质沥青,采用TAP 改性沥青制备沥青混合料时油石比会提高0.2%左右,虽然TAP 在沥青中占有一定比例,实际油量相比于采用基质沥青时稍有降低,但TAP 粒径约为7 μm,远小于矿粉的粒径,比表面积极大,有利于形成结构沥青,提供更大的内聚力,使沥青的低温抗拉强度得到提升。

2.3 水稳定性

研究表明,水害是沥青路面早期病害的主要原因。结构设计缺陷、施工离析、排水不畅等原因易造成路面密水性不足,在行车荷载和环境条件的作用下,骨料和沥青胶结料会发生剥落,最终出现松散和坑洼,形成早期病害[8]。因此,本文通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价其水稳性。不同沥青混合料浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验结果如图7 所示。

由图7 可知,采用规范推荐级配中值与基质沥青制备的沥青混合料水稳定性最高,当级配选用本文开发的GAC-16 后,沥青混合料的残留稳定度下降,这主要是因为优化后的级配更粗、油石比更小,成型的沥青混合料空隙率较大,水分容易渗透到沥青混合料内部,加剧了试件的水损坏。而采用TAP改性沥青制备的沥青混合料残留稳定度比基质沥青提高1%～2%,可见TAP 改性沥青基本不会对沥青混合料的水稳定性产生不良影响。

综合以上两个试验的结果可以发现本文所选用的强嵌挤骨架密实型级配GAC-16 对沥青混合料的水稳定性有微小的不良影响,而TAP 改性沥青对沥青混合料水稳定性基本不会产生影响。

2.4 疲劳性能

沥青路面在服役过程中,会经受行车荷载的不断作用,其内部应力与应变不断发生变化,虽然单次的行车荷载作用一般情况下不会对沥青路面造成明显损伤,但长此以往沥青混凝土中微损伤会累积并发展成各种病害,对路面平整度和舒适性造成不利影响,路面结构的路用性能也会逐渐下降[9]。因此,沥青混合料的疲劳寿命也是其路用性能的重要组成部分。本文采用四点弯曲疲劳试验方法对4 种沥青混合料的疲劳性能进行评价。不同编号沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果如表6 所示。

表6 不同编号沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果

由表6 可以看出,采用本文开发的骨架密实型级配GAC-16 制备的沥青混合料试件,其疲劳次数相较于规范推荐的AC-16 级配试件中值有所下降,下降幅度为15%左右。这可能是因为本文优化后的级配粗集料占比较大。一般而言,柔性较好的材料疲劳寿命会较长。从不同沥青混合料的初始劲度模量也可以看出,采用本文开发级配制备的沥青混合料试件的初始劲度模量相比于规范推荐的级配试件中值提高12%左右,其刚度较大,在重复加载过程中容易产生疲劳应力的累积,导致其疲劳寿命较短。另外,沥青混合料中油石比与空隙率均会对其试件的疲劳寿命造成影响[10]。由表5 可以发现,规范中值级配沥青混合料的最佳油石比较大,一定程度上使得其相应的沥青混合料试件柔性增强,而其空隙率也较小,因此疲劳寿命较长。

同样由表6 可知,相较基质沥青,本文制备的TAP 改性沥青有利于延长沥青混合料的疲劳寿命,降低其初始劲度模量。这主要是由于采用TAP 改性沥青制备的沥青混合料相应的最佳油石比较大,其内部沥青胶浆含量较大,试件的空隙率较小,柔性也较大,因此在应变控制方式的重复加载过程中,其相应的沥青混合料试件的疲劳破坏累积速度较慢,表现出来的则是其疲劳寿命较长,初始劲度模量较小。

3 结论

通过室内试验对新型降温抗车辙沥青混合料的路用性能进行了全面的评价,得到主要结论如下。

本文开发的骨架密实型级配与降温抗车辙改性沥青均可明显提高沥青混合料抗车辙性能;强嵌挤骨架密实型级配对沥青混合料水稳定性、抗疲劳性能有轻微的不良影响,而降温抗车辙改性沥青则对水稳定性影响不大,对低温抗裂性及疲劳寿命有一定的提升作用。