基于脹縮特性的瀝青混凝土路面穩定性研究

摘要：為探究高速公路主線4 cmAC-13C改性瀝青混凝土路面脹縮特性，文章采用70號A級道路石油瀝青、斜交輪胎粉碎物、碎石和礦渣作為改性瀝青混凝土制備材料，通過McDonald濕法制作橡膠摻量分別為10%、20%、30%的改性瀝青混凝土試樣進行收縮實驗與膨脹實驗。結果表明：30%橡膠摻量下的試樣具有最低的位移值，更能夠控制瀝青混凝土的收縮情況；在不同齡期下，30%橡膠摻量瀝青混凝土的膨脹率始終最低，說明30%橡膠摻量改性瀝青混凝土的熱穩定性更好。

關鍵詞：高速公路主線；瀝青混凝土；路面脹縮特性；溫縮系數；溫縮應變；抗車轍能力

中圖分類號：U416.217 A 20 074 3

0 引言

由于車流量的迅速增加，當前高速公路存在一定的超載現象，普通的瀝青混凝土已無法滿足現有需求［1-2］。因此，采用更優秀的改性材料制備瀝青混凝土可以使高速公路的路用性能更加完善［3-4］。

有較多學者對此進行研究，如潘友強等［5］研究復合澆注式鋼橋面瀝青鋪裝的路用性能，但該方法制備的瀝青混凝土更適用于橋面路用，并不適合應用于高速公路，因此該種方法所制備的材料抗車轍性能較差；雷斌等［6］研究改性再生骨料瀝青混凝土的路用性能，但該方法研究材料在高溫下穩定性較差，且當溫度過低時容易發生冷縮現象。

為此，研究高速公路主線4 cm AC-13C改性瀝青混凝土路面脹縮特性，通過不同摻量的橡膠實現瀝青混凝土的改性，并設計試驗分析改性后的瀝青混凝土路面膨脹與冷縮情況。

1 試驗設計

1.1 試驗工程概況

本項目主線路面結構為4 cm AC-13C改性瀝青混凝土（4 cm ARAC-13G橡膠瀝青混凝土）上面層+黏層，20 cm級配碎石粒料墊層（黏性土路段）。

1.2 實驗材料

1.2.1 AC-13C橡膠改性瀝青制備

將設計好的普通瀝青混凝土與改性瀝青混凝土制作為試樣，試樣尺寸大小為70 mm×35 mm。需提前制備橡膠改性瀝青［7-9］，采用McDonald濕法制作方式。選取基質瀝青為70號A級道路石油瀝青，同時選取粉細度為40目的斜交輪胎粉碎物作為試驗的橡膠粉，制造兩種類型瀝青混凝土：（1）基礎普通瀝青混凝土AC-13，其瀝青用量為6.0%；（2）與該混凝土使用相同基質瀝青，通過不同摻量橡膠對瀝青進行改性，構成10%、20%、30%的瀝青混凝土AC-13C試樣，瀝青用量均值約為7.5%，與普通瀝青混凝土差別較小。兩種瀝青混凝土均使用一致的粗集料與細集料。

1.2.2 混凝土粗集料選取

在混凝土材料中，內摩擦角越大，集料之間嵌擠作用發揮得越好［10］，因此，粗集料選取碎石和礦渣，并利用反擊式破碎機對其加工。具體分析粗集料性能如表1所示。

1.2.3 混凝土細集料選取

通常情況下，制造瀝青混凝土時會選取機制砂與天然砂等，現選取石灰巖機制砂作為細集料。在制造細集料時，需保證材料無其他雜質，采用水洗烘干的方式處理該材料，使其可應用于試驗中。具體細集料各項性能指標如表2所示。

2 實驗分析

2.1 收縮特性分析

選取HSL-225型溫濕度環境箱作為該試驗的降溫設備。在該環境箱內放置試樣，當試樣振動影響量消減后，設定最高溫度為25 ℃，2 h恒溫。在2 h后，記錄箱內千分表讀數，并調整環境箱的恒溫時間、降溫溫差以及降溫速度，使環境箱降溫速率保證在2 ℃/h，每當降溫達到30 min，就記錄千分表讀數，直到降溫完成。

通過式（1）計算不同瀝青混凝土的溫縮系數α：

α=ΔSL×ΔT （1）

式（1）中：試樣的溫度收縮系數由α表示；試樣在初始溫度T0下降至試驗所需低溫值T時的變形量由ΔS表示，即ΔS=（結束讀數-初始讀數）/1 000；鋼框架觸點位置的可用收縮長度由L表示，試驗時選取該長度為450 mm；溫度變化區間由ΔT表示，同時ΔT=T0-T，其中，實驗初始與結束溫度分別由T0、T表示。

每個試樣采取兩次平行試驗，針對不同試樣的收縮試驗結果如表3所示。

根據表3可知，經過試驗后，普通瀝青混凝土溫縮系數平均值達到11.87×10-6 ℃，而改性后的試樣最高溫縮系數平均值僅為6.64×10-6 ℃，最低僅有3.89×10-6℃，說明改性后的試樣溫縮系數相對較低，能夠盡可能避免試樣出現溫縮現象。

分析不同溫度下各種試樣的溫縮應變與溫縮系數平均值，結果如圖1所示。

由圖1可知，通過橡膠對瀝青混凝土進行改性，可以保障材料不受冷縮影響，使瀝青混凝土在不同溫度下保持較好的穩定性。

2.2 膨脹特性分析

2.2.1 熱膨脹率分析

研究不同養護溫度（20 ℃、40 ℃）對瀝青混凝土膨脹性能的影響，同時分析不同瀝青混凝土的熱學性能。在20 ℃環境中，不同齡期下各種試樣的膨脹系數試驗結果如表4、下頁圖2所示。

由表4與圖2可知，普通瀝青混凝土在20 ℃下隨著齡期增大無法保障自身穩定性，而采用橡膠改性后的瀝青混凝土可以在不同齡期下有效維持原狀。

在40 ℃環境中，不同齡期下各種試樣的膨脹系數試驗分析結果如表5、圖3所示。

由表5與圖3可知，30%摻量改性瀝青混凝土始終維持較低的膨脹系數，這說明通過橡膠改性后的瀝青混凝土具有更好的穩定性。

2.2.2 高溫穩定性分析

采用馬歇爾試驗與車轍試驗驗證瀝青混凝土材料的高溫穩定性。

通過馬歇爾試驗分析不同試樣高溫特性，結果如表6所示。

由表6可知，采用橡膠改性后的瀝青混凝土最佳油石比最高達到5.6%，說明采用橡膠改性后的瀝青混凝土具有較高飽和度，改性后的瀝青混凝土更加密實。

車轍試驗是一種通過模擬現實車輛載荷在路面中行走造成車轍痕跡的方法，實質上是觀測車輪在試樣上反復行走時試樣的變化情況，通常分析動穩定度或車轍深度試驗結果。采用輪碾法，將試樣碾壓成為300 mm×300 mm×50 mm的板塊狀，并將板塊放置在室溫下養護12 h以上，之后放置在60 ℃溫度中保溫6 h，再進行分析試驗。在試驗時，車輪行走方向和試樣成型時的碾壓方向完全相同，經60 min測試后完成試驗。通過公式（2）可對試樣的動穩定度進行計算：

DS=42×15d60-d45 （2）

式中，DS表示動穩定度；試驗時間在60 min、45 min時的變形量分別由d60、d45表示。

不僅可以通過動穩定度分析試樣的高溫穩定性，還可以通過試樣相對變形分析實現。試樣相對變形是指在相應作用時間、次數下，試樣的變形與試樣總厚度的比值，通常根據試驗60 min后的車轍深度計算試樣相對變形，具體采用公式（3）進行計算：

δ=Δll （3）

式中：相對變形由δ表示；當完成試驗時試樣在厚度方向的總變形由Δl表示；試樣厚度由l表示。

將不同車轍試驗指標的分析情況通過表7表示。

由表7可知，在不同變形量與相對變形量下，普通瀝青混凝土的變形情況較大，而改性后的瀝青混凝土僅會出現較小幅度的變形。由此可知，采用橡膠改性后的瀝青混凝土具有較強的抗車轍能力，且具備較高的高溫穩定性。

3 結語

本文研究高速公路主線4 cm AC-13C改性瀝青混凝土路面脹縮特性，制備不同橡膠摻量的改性瀝青混凝土，并制備未改性的普通混凝土，將兩者進行對比實驗，分析不同瀝青混凝土的收縮與膨脹特性，實現瀝青混凝土的全面分析與對比。在未來研究過程中，可繼續對本文制備的混凝土添加材料，使該材料的路用性能更好。

參考文獻

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收稿日期：2022-11-01