廣西地區(qū)中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能影響因素分析

陳顯國

文章以目前廣西地區(qū)常用的中面層瀝青混合料的類型、中面層瀝青膠結(jié)料的類型及指標(biāo)、施工質(zhì)量控制的均勻性為切入點(diǎn)，分析影響中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的相關(guān)因素，并給出相關(guān)建議，為后續(xù)廣西高速公路中面層結(jié)構(gòu)類型選擇、瀝青膠結(jié)料的選擇、施工質(zhì)量均勻性控制提供參考。

廣西地區(qū);中面層;瀝青混合料;高溫穩(wěn)定性;影響因素

U416.217-A-16-051-5

0?引言

瀝青是由典型的粘彈性材料瀝青膠結(jié)礦料及填料構(gòu)成的材料，在高溫和一定載荷下會(huì)發(fā)生流動(dòng)變形，隨著載荷次數(shù)的增加，流動(dòng)變形不斷累積，就會(huì)形成嚴(yán)重的車轍現(xiàn)象，影響路面的實(shí)用性和安全性。當(dāng)下影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素有很多，主要可將其劃分為內(nèi)因和外因兩種，而國內(nèi)外研究都表明，在氣溫和載荷都難以控制的情況下，通過科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)混合料，可以有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能。本文從混合料角度分析了影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素，并通過不同類型瀝青混合料的高溫車轍試驗(yàn)，對(duì)比了各影響因素的顯著程度，以此為瀝青混合料的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1?工程概述

2014—2018年，廣西高速公路以每年300～500 km里程的速度在增加，截至2018年年底，廣西已通車高速公路里程達(dá)到5 563 km，而路面結(jié)構(gòu)也趨于多元化。以中面層路面結(jié)構(gòu)層為例，從最早開建的瀝青路面高速公路路面結(jié)構(gòu)形式可知，南友高速的瀝青層結(jié)構(gòu)形式為4 cmAK-13改性瀝青混合料+5 cmAC-20普通瀝青混合料中面層+6 cmAC-25普通瀝青混合料下面層;百羅高速的瀝青層結(jié)構(gòu)形式為4 cmAK-13改性瀝青混合料+5 cmAC-16普通瀝青混合料中面層+6 cmAC-25普通瀝青混合料下面層。因此，早期中面層大多采用普通70#道路瀝青AC-20或AC-16混合料。從中期建成通車的高速公路可知，宜河和河都高速公路瀝青層結(jié)構(gòu)形式為4 cmAC-13C改性瀝青混合料+6 cmAC-20C改性瀝青混合料中面層+8 cmAC-25普通瀝青混合料下面層（其中宜河路開展橡膠瀝青ARAC-20混合料的中面層試驗(yàn)路鋪筑，通車七年目前運(yùn)營良好）。而近三年通車的項(xiàng)目，如吳大高速、貴合高速、南欽防改擴(kuò)建高速、陽鹿高速、龍靖高速、河百高速等瀝青路面中面層結(jié)構(gòu)大多均采用6 cmAC-20C或GAC-20改性瀝青混合料（其中河百高速進(jìn)行耐久性高模量EME-14瀝青混合料試驗(yàn)路鋪筑）。總體來看中面層的結(jié)構(gòu)形式從早期的普通瀝青的AC-20、AC-16混合料正逐漸向高指標(biāo)的SBS改性瀝青AC-20C混合料、高性能橡膠瀝青ARAC-20、高模量EME-14混合料發(fā)展。

中面層作為提供瀝青路面抗車轍能力保證的承重層（相關(guān)研究表明路表5～7 cm以下位置承受的剪切力最大，最容易出現(xiàn)流動(dòng)變形），采用何種材料、結(jié)構(gòu)及如何控制施工均勻性，直接關(guān)系到后續(xù)整條高速路面抗車轍性能，因此有必要開展廣西地區(qū)中面層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響因素分析研究。結(jié)合目前廣西高速公路常用的中面層瀝青混合料的類型、中面層瀝青膠結(jié)料的類型及指標(biāo)、現(xiàn)場施工質(zhì)量控制的均勻性指標(biāo)，分析影響中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的相關(guān)因素，并給出相關(guān)建議，為后續(xù)廣西高速公路建設(shè)提供借鑒。

2?中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能影響因素分析

2.1?不同類型的中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能差異性

本次對(duì)比采用的中面層混合料結(jié)構(gòu)類型有ARAC-20、AC-20C、GAC-20、EME-14這四種瀝青混合料，四種瀝青混合料均采用廣西地區(qū)石灰?guī)r集料，瀝青（均為廣西常用瀝青品牌）分別為橡膠瀝青[70#道路石油瀝青+20%的40目橡膠粉+3%（綜合助劑，含SBS改性劑、活化劑、交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑等）]、SBS改性瀝青（70#道路石油瀝青+SBS摻量為4.5%）、10-20的硬質(zhì)瀝青（70#基質(zhì)瀝青與硬質(zhì)瀝青顆粒調(diào)和后，比例為75%∶25%）。首先對(duì)比三種瀝青膠結(jié)料相關(guān)指標(biāo)，其次對(duì)比四種混合料的級(jí)配、體積指標(biāo)和高溫穩(wěn)定性能。

（1）三種瀝青指標(biāo)對(duì)比（見表1）

從表1三種瀝青膠結(jié)料的指標(biāo)結(jié)果和技術(shù)要求可知，三種瀝青的指標(biāo)要求各不相同，均滿足相關(guān)規(guī)范要求，硬質(zhì)瀝青側(cè)重于對(duì)針入度的指標(biāo)控制（針入度偏小）;橡膠瀝青側(cè)重于三大指標(biāo)的控制和180 ℃黏度的控制;SBS改性瀝青側(cè)重于三大指標(biāo)的控制和老化后相關(guān)指標(biāo)的控制。而且，廣西地區(qū)在建的項(xiàng)目均提高了改性瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)要求（大部分項(xiàng)目均要求>75 ℃），以確保路面高溫穩(wěn)定性能。

（2）四種混合料的級(jí)配對(duì)比（見表2）

從表2的四種混合料合成級(jí)配可知，20型的ARAC-20、AC-20C、GAC-20三種混合料均采用連續(xù)骨架嵌擠型的級(jí)配，粗骨料4.75 mm篩孔以上占比均在68%～70%左右，以減少由于級(jí)配不佳導(dǎo)致混合料高穩(wěn)定性有所降低的情況;13型的EME-14屬于法國體系的高模量瀝青混合料，并不追求混合料的級(jí)配骨架，而采用高瀝青用量、低標(biāo)號(hào)的瀝青，追求混合料的高模量和抗疲勞性能，最終確保混合料的高溫穩(wěn)定性能。

（3）四種混合料體積指標(biāo)和高溫指標(biāo)對(duì)比（見表3）

從表3四種混合料的油石比、設(shè)計(jì)方法、體積指標(biāo)、高溫穩(wěn)定性能可知，ARAC-20、AC-20C、GAC-20采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定相關(guān)油石比和體積指標(biāo)，而EME-14采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式確定體積指標(biāo)，且最低油石比確定采用豐度系數(shù)進(jìn)行控制（最低豐度系數(shù)K≥3.4，油石比約≥5.4%）。整體高溫穩(wěn)定性能AC-20C和GAC-20基本相當(dāng)，EME-14略好于ARAC-20，基本相當(dāng)。由此可知，不同設(shè)計(jì)體系確定的中面層混合料高溫穩(wěn)定性能也是有所差距的，高性能、更耐久的混合料是發(fā)展方向，設(shè)計(jì)階段可根據(jù)路段特性和路面性能要求，嘗試不同結(jié)構(gòu)類型的組合使用，以保證整體路面的高溫穩(wěn)定性能，減少后續(xù)養(yǎng)護(hù)運(yùn)營成本。

2.2?不同指標(biāo)瀝青膠結(jié)料對(duì)中面層混合料高溫穩(wěn)定性能的影響

為進(jìn)一步確認(rèn)同一種瀝青膠結(jié)料，不同指標(biāo)要求下所拌制的混合料的高溫穩(wěn)定性能的差異性，對(duì)比采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)類型AC-20C，均采用SBS改性瀝青（但瀝青指標(biāo)有所不同），集料均采用廣西地區(qū)石灰?guī)r集料且級(jí)配基本一致。

（1）瀝青指標(biāo)對(duì)比（見表4）

從表4的對(duì)比結(jié)果可知，選用廣西兩個(gè)項(xiàng)目采用的SBS改性瀝青，分別為樣品1和樣品2，樣品1的改性瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)高于樣品2的軟化點(diǎn)指標(biāo)10度，且通過SHRP瀝青性能等級(jí)可知樣品1的高溫性能等級(jí)比樣品2高出一個(gè)等級(jí)。

（2）混合料體積指標(biāo)和高溫指標(biāo)對(duì)比（見表5）

從表5的對(duì)比結(jié)果可知，兩種指標(biāo)有所偏差改性瀝青分別拌制的AC-20C瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能還是有一定的差異，這也證明了提高部分高溫指標(biāo)可以改善改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。

2.3?施工關(guān)鍵控制指標(biāo)對(duì)中面層混合料高溫穩(wěn)定性能的影響

施工控制水平著重關(guān)注級(jí)配和油石比的波動(dòng)、現(xiàn)場壓實(shí)的均勻性，因此本次對(duì)比采用現(xiàn)場切割車轍板的方式進(jìn)行混合料的燃燒級(jí)配、油石比和車轍板的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，分析施工過程中級(jí)配、油石比、壓實(shí)度控制對(duì)中面層混合料的高溫穩(wěn)定性能的影響。

試驗(yàn)方案如下：現(xiàn)場在中面層AC-20C施工攤鋪機(jī)起步位置，設(shè)置好取樣地點(diǎn)，分別按照距中央分隔帶1.0 m位置、6 m位置、9 m位置分別切割40 cm×40 cm的車轍板試件，每一處取三塊試件，然后加工成車轍板30 cm×30 cm標(biāo)準(zhǔn)試件（切割多余的條狀試件用于測量毛體積密度，計(jì)算壓實(shí)度），放入長30 cm×寬30 cm×高8 cm試模中，邊部不緊密處用水泥漿填充密實(shí)后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在60 ℃下保溫5 h，分批進(jìn)行相關(guān)動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)。每一組動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)束后，烘散車轍板，剔除切割骨料外露和中間碾壓輪位置的混合料，分別進(jìn)行燃燒級(jí)配和油石比試驗(yàn)。

不同取樣位置的車轍板烘散后的混合料級(jí)配和油石比數(shù)據(jù)如表6所示。

從表6對(duì)比結(jié)果可知，三處取樣點(diǎn)的車轍板烘散后的瀝青混合料合成級(jí)配、油石比與設(shè)計(jì)值有一定的偏差（邊部1 m處級(jí)配相對(duì)偏粗，油石比偏小;中部6 m處，級(jí)配偏細(xì)，油石比偏大;9 m處級(jí)配和油石比相對(duì)穩(wěn)定），說明由于攤鋪設(shè)備的性能，導(dǎo)致攤鋪的整個(gè)斷面混合料的均勻性有一定的偏差，存在一定離析，而離析的存在導(dǎo)致級(jí)配和油石比產(chǎn)生一定的變異。

不同取樣位置的車轍板壓實(shí)度數(shù)據(jù)和動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

從表7的對(duì)比結(jié)果可知，三處取樣點(diǎn)的車轍板數(shù)據(jù)均滿足要求，但對(duì)于同一攤鋪斷面取樣試驗(yàn)結(jié)果仍有很大的變異性，并且由于邊部1 m處的壓實(shí)度偏小導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度偏小（邊部離析且欠壓導(dǎo)致變形相對(duì)過大）;中部6 m處攤鋪機(jī)中縫部位容易細(xì)集料堆積（造成級(jí)配偏細(xì)，油石比相對(duì)偏大，4.75 mm以上骨料偏少，難以形成較好的骨架結(jié)構(gòu)）;距中部9 m處數(shù)據(jù)相對(duì)正常，與日常室內(nèi)成型車轍試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果偏差較小。

3?結(jié)語

本文結(jié)合目前廣西高速公路發(fā)展的狀況和中面層混合料類型的發(fā)展情況，通過分析常用的各種不同結(jié)構(gòu)類型中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能差異、不同指標(biāo)要求的瀝青膠結(jié)料對(duì)中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響、施工關(guān)鍵控制指標(biāo)對(duì)中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）AC-20C、GAC-20作為常用的中面層瀝青混合料類型，整體高溫穩(wěn)定性能兩者基本相當(dāng)，高模量瀝青EME-14混合料略好于橡膠瀝青ARAC-20混合料。因此就中面層高溫穩(wěn)定性能而言，AC-20C、GAC-20相比高性能的橡膠瀝青ARAC-20混合料和EME-14混合料仍有一定的差異。后續(xù)項(xiàng)目可結(jié)合路段特點(diǎn)和路面性能要求，選擇不同結(jié)構(gòu)類型的組合，以保證整體路面的高溫穩(wěn)定性能，減少后續(xù)養(yǎng)護(hù)運(yùn)營成本。

（2）在中面層混合料結(jié)構(gòu)類型確定的情況下，通過提高瀝青部分指標(biāo)要求（例如：要求提高軟化點(diǎn)至75 ℃以上，PG性能等級(jí)須達(dá)到PG76-22），對(duì)于提高中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能是有幫助的，但也不能一味提高高溫指標(biāo)，這樣既不經(jīng)濟(jì)，也會(huì)導(dǎo)致混合料的其他指標(biāo)衰減嚴(yán)重。

（3）油石比、級(jí)配、壓實(shí)度作為施工控制的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)中面層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能影響較大，因此需要提高攤鋪機(jī)的鋪筑性能和壓路機(jī)碾壓的均勻性，采用大功率、抗離析的攤鋪機(jī)，減少施工環(huán)節(jié)導(dǎo)致的施工的不均勻性，同時(shí)采用智能壓實(shí)手段控制碾壓的均勻性。

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