寒區(qū)道路瀝青選用及路用性能評價

李秋實，單朝暉，張海濤，高丹丹

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

0 引言

黑龍江省作為我國寒區(qū)代表性地區(qū)。不僅是緯度最高，經(jīng)度最東的省份，而且受地理位置影響，該地區(qū)氣溫整體偏低。冬季寒冷漫長，多雪，最低氣溫-32 ℃。夏季溫暖濕潤，最高氣溫38 ℃，且雨水較多。而黑龍江省交通運輸需求又呈現(xiàn)逐年大幅度增長趨勢，導致該地區(qū)現(xiàn)有瀝青混凝土路面病害現(xiàn)象(裂縫、坑槽、沉陷等)十分普遍。結(jié)合以上氣候、降水、道路病害等因素，筆者認為選用該地區(qū)路面材料時應(yīng)在保證高溫性能前提下，選用偏重低溫性能及水穩(wěn)定性更為優(yōu)良的道路材料。

目前，黑龍江省選用90#SBS改性瀝青作為道路瀝青。該瀝青的抗車轍能力優(yōu)異，但低溫與凍融造成的開裂等破壞情況較為嚴重，這也是造成低溫環(huán)境下瀝青路面壽命較低的原因之一[1]。張海濤等[2]認為造成路面低溫開裂的原因是該種瀝青低溫性能不足所致。而Peng Lin等[3-4]研究發(fā)現(xiàn)膠粉與SBS的復(fù)合改性瀝青相較單一SBS改性瀝青，不僅具有更為優(yōu)異的高、低溫性能，水穩(wěn)定性和抗疲勞性能也得到了改善。Weidong Cao等[5-7]研究發(fā)現(xiàn)膠粉作為改性劑用于面層密集配時，可緩解瀝青混凝土高低溫性能的矛盾。膠粉的使用也有利于材料回收再利用。而110#瀝青作為偏軟的道路瀝青，優(yōu)點是低溫延展性、抗裂性能較好，缺點是高溫車轍性能較差。因此，本研究通過對90#瀝青、110#偏軟瀝青進行膠粉/SBS復(fù)合改性后與SBS改性瀝青對比其各項路用性能，探討寒區(qū)使用110#偏軟瀝青修筑瀝青路面的可行性。研究結(jié)果對黑龍江省瀝青路面的修筑具有一定的理論與實用價值。

1 材料與設(shè)計

1.1 材料選用

1) 瀝青

試驗采用遼寧盤錦90#、110#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標如表1所示。

表1 90#/110#基質(zhì)瀝青性能指標

2) 改性劑

試驗用SBS、膠粉改性劑的技術(shù)指標如表2、表3所示。

表2 SBS(星型LG501)技術(shù)指標

表3 膠粉技術(shù)指標

3) 集料

試驗選用的集料技術(shù)指標如表4所示。

表4 集料技術(shù)性質(zhì)指標

1.2 方案設(shè)計

1)復(fù)合改性瀝青設(shè)計

在常用90#SBS道路瀝青(SBS摻量為4%)與110#SBS道路瀝青(SBS摻量為5%)基礎(chǔ)上，本文對90#SBS、110#SBS瀝青摻入不同摻量膠粉，并進行技術(shù)指標試驗檢測，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標

根據(jù)表5結(jié)果可知，在針入度、軟化點兩項指標中，90#、110#SBS/膠粉改性瀝青呈現(xiàn)相同變化趨勢。瀝青的延度也隨著膠粉摻量的變化而改變。當90#、110#SBS的膠粉摻量為別15%、17%時，其延度達最佳水平。考慮瀝青的高、低溫性能，確定復(fù)合改性瀝青方案如下：① 4%SBS90#改性瀝青；② 4%SBS+15%膠粉90#復(fù)合改性瀝青；③ 5%SBS110#改性瀝青；④ 5%SBS+17%膠粉110#復(fù)合改性瀝青。

2) 瀝青混合料配合比設(shè)計

試驗采用AC-13級配的瀝青混合料。按密級配原則設(shè)計，集料級配曲線如圖1所示。按照Marshall方法進行瀝青混合料的配合比設(shè)計，確定的最佳瀝青摻量如表5所示。

圖1 瀝青混合料級配曲線

表6 瀝青最佳摻量

2 基于低溫條件的寒區(qū)道路瀝青選用

2.1 基于低溫延度(5 ℃)指標的寒區(qū)道路瀝青選用

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》要求，對不同改性瀝青進行常規(guī)物理性能進行檢測，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標

在SBS改性瀝青中摻入膠粉，減小了瀝青的針入度與延度，而軟化點與旋轉(zhuǎn)粘度則升高。表明膠粉改善了SBS改性瀝青的粘度和硬度，抗變形能力以及高溫穩(wěn)定性。雖然2種SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的延度均出現(xiàn)了不同程度的減小，但110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青由于自身偏軟的特性，延度降低幅度較小，說明膠粉對其低溫抗裂性影響較小。由此可知，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、可恢復(fù)變形性能上表現(xiàn)優(yōu)異。表明110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青對于寒區(qū)有較強適用性。

2.2 基于PG性能指標的寒區(qū)道路瀝青選用

1) 基于瀝青動態(tài)剪切流變試驗(DSR)的高溫性能分析

瀝青DSR的復(fù)合剪切模量G*和相位角δ的試驗結(jié)果如圖2所示。δ值越小，瀝青的粘度越小、彈性越大、抗變形能力越強。由圖2可以看出，復(fù)合改性瀝青具有更好的彈性和更強的抗變形能力。相比單一SBS改性瀝青，90#、110#瀝青經(jīng)過SBS/膠粉復(fù)合改性后的相位角δ值要小。較小的相位角δ說明摻入SBS/膠粉的復(fù)合改性瀝青具有良好的彈性，以及更強的抗變形能力。

圖2 瀝青復(fù)合剪切模量、相位角與溫度的關(guān)系

通過結(jié)合瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，可得到瀝青的高溫車轍因子(G*/sinδ)和疲勞因子(G*/sinδ)(如圖3所示)。G*/sinδ反映了瀝青試件的抗變形能力。車轍系數(shù)越大，抗變形能力越強。從圖3可以看出，90#、110#復(fù)合改性瀝青的高溫車轍系數(shù)均大于SBS改性瀝青，說明SBS/膠粉改性劑在改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性方面具有顯著的效果。同時，G*/sinδ的值越小，則瀝青混合料的抗疲勞性能越好。從圖3可以看出，隨著溫度的升高，不同改性瀝青材料的G*/sinδ值出現(xiàn)不同程度的降低，代表其抗疲勞性能均有所提高。與90#改性瀝青相比，110#改性瀝青的sinδ相對較小，且抗疲勞性能較好。隨著溫度的升高，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的抗疲勞性能逐漸強于90#SBS改性瀝青。

圖3 瀝青高溫車轍因子、疲勞系數(shù)與溫度的關(guān)系

2) 基于瀝青彎曲梁流變試驗(BBR)的低溫性能分析

瀝青BBR的蠕變勁度S(t)試驗結(jié)果如圖4所示。可以看出，隨著時間的變化，改性瀝青的蠕變勁度均出現(xiàn)不同程度的降低。SBS改性瀝青的下降趨勢快于SBS/膠粉改性瀝青，說明瀝青的蠕變勁度受膠粉影響。而在低溫和荷載共同作用下，瀝青的位移越小，蠕變勁度越大，瀝青變得越硬越脆，越容易開裂變脆。90#、110#SBS改性瀝青的蠕變勁度在120 s后均降低，表明在長期荷載作用下，單一改性劑的瀝青會根據(jù)荷載作用時間的延長發(fā)生破壞。在圖4中，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青蠕變勁度隨時間的變化最大，說明在低溫條件下，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫抗拉性優(yōu)異。瀝青低溫蠕變勁度的變化速率m代表其低溫性能，m值越大，瀝青的低溫性能越好。由圖4可知，110#SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青的m值最大，說明其低溫性能最好。而隨著加載時間的變化，4種改性瀝青的m值均逐漸減小，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的減緩速度最慢，說明該種改性瀝青隨加載時間的變化，仍可保持優(yōu)秀的低溫性能。

圖4 蠕變勁度與時間的(對數(shù))關(guān)系

在黑龍江等寒區(qū)，冬季氣溫一般都在零下10 ℃至零下30 ℃。在此低溫環(huán)境下，寒區(qū)道路瀝青的低溫抗裂、抗拉性是導致低溫開裂的重要因素。通過低溫延度(5 ℃)與BBR的低溫蠕變勁度試驗結(jié)果證明，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青能滿足寒區(qū)對道路瀝青的低溫性能要求。

3 瀝青混合料路用性能評價

3.1 基于車轍試驗的高溫性能分析

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》的瀝青混合料車轍試驗(T0719—2011)。車轍試驗采取恒溫60 ℃，輪壓為0.7 MPa。車轍試件采用輪碾成型的300 mm×300 mm×50 mm的板塊狀試件。試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 動穩(wěn)定度對比

根據(jù)圖5試驗結(jié)果可知：

1) 不同種改性瀝青混合料動穩(wěn)定度均達到規(guī)范標準值。動穩(wěn)定度值排列如下：90#SBS/膠粉>110#SBS/膠粉>90#SBS>110#SBS。

2) 90#、110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能均明顯優(yōu)于90、110#SBS改性瀝青混合料。相比于SBS改性劑，SBS/膠粉改性劑對瀝青混合料的高溫性能提升更為明顯。

3) 90#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能優(yōu)于110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料。造成高溫穩(wěn)定性差異的主要原因是瀝青的標號不同。

3.2 低溫性能分析

1) 基于小梁彎曲試驗的低溫性能分析

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》的瀝青混合料彎曲試驗(T0715—2011)，彎曲試驗試件采用 250 mm×30 mm×35 mm 的梁狀試件，試驗溫度為-10 ℃。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6結(jié)果表明，90#、110#SBS改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變并未滿足規(guī)范要求最小值(彎拉應(yīng)變≥2 800 με)。在施工控制、極端天氣等偶然條件干擾下，90#、110#SBS改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變極易小于規(guī)范值。而90#、110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均已達到規(guī)范要求值的1.6倍以上，且110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料表現(xiàn)略優(yōu)于90#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料。

圖6 破壞應(yīng)變對比

2) 基于凍融劈裂試驗的低溫性能分析

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》的瀝青混合料凍融劈裂試驗(T0729—2000)，試件采用101.6 mm×63.5 mm的圓柱體馬歇爾試件。首先將試件在恒溫冰箱中冷凍，溫度為(-18±2)℃，保持(16±1)h。在將試件取出后，撤去塑料袋，立即放入(60±0.5)℃的恒溫水槽中，且試件間保留一定間隔，并保溫24 h。試驗溫度為25 ℃，加載速率為50 mm/min。試驗結(jié)果如圖7所示。可以看出，各標號SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的凍融前后強度均小于該標號SBS改性瀝青混合料。這是由于溫度不斷降低后，膠粉改性劑對瀝青混合料的低溫性能改善逐漸降低。此時瀝青混合料的低溫性能主要由SBS改性劑主導[8]，由于膠粉的摻入導致復(fù)合改性瀝青混合料的凍融劈裂后的強度偏低。

圖7 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

對于年平均降雨量≥500 mm的地區(qū)，瀝青混合料的TSR需大于80%。2種110#瀝青混合料TSR比值均大于80%，2種90#瀝青混合料TSR比值均在75%左右，表明2種110#瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于2種90#瀝青混合料。其中，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性略差于110#SBS改性瀝青混合料。

4 結(jié)論

1) 從瀝青的針入度、延度(5 ℃)及PG試驗的結(jié)果來看，摻加SBS/膠粉改性劑的90#、110#的復(fù)合瀝青均優(yōu)于SBS改性瀝青，表明SBS/膠粉對90#110#瀝青改性效果明顯。

2) 瀝青混合料試驗結(jié)果表明，SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料相較于SBS改性瀝青混合料具有更優(yōu)秀的綜合性能。其中，90#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能略優(yōu)于110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料，而110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能、水穩(wěn)定性優(yōu)于90#復(fù)合改性瀝青混合料。

3) 結(jié)合地理位置、氣候條件與瀝青混合料各項路用性能指標的綜合因素分析，110#SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料適用于黑龍江地區(qū)或溫度偏低的寒區(qū)、低溫且嚴重水害的地區(qū)。