抗車轍瀝青混合料技術經濟評價*

楊晚生, 王振, 劉群艷, 許祥云

(1.江西宜春市政交通建設有限公司, 江西 宜春 336000;2.江西省宜春市公路事業發展中心, 江西 宜春 336000)

江西省高安市作為中國建筑陶瓷產業基地,貨運量大。該地區夏季高溫,國、省干線公路車轍問題突出。采用70#、50#瀝青等修筑的瀝青路面,在重載、高溫和渠化交通作用下容易產生車轍病害[1-2]。通常采用改性瀝青或在瀝青混合料中摻加抗車轍劑、高模量劑等提高瀝青路面的抗車轍能力,近年來也采用低標號(50#以下)瀝青生產的混合料來抵抗路面車轍病害[3-4]。成高立等認為摻加抗車轍劑可提高瀝青混合料的高溫穩定性[5]。張爭奇等通過試驗分析多種抗車轍劑對瀝青混合料高溫穩定性的影響,結果表明摻加抗車轍劑能顯著改善瀝青混合料的高溫穩定性[6]。苗祺等研究抗車轍劑摻量與瀝青混合料路用性能的關系,推薦抗車轍劑最佳摻量為0.4%[7]。王俊杰研究發現在一定范圍內增加高模量劑摻量可同時改善瀝青混合料的高溫穩定性與水穩定性[8]。郭寅川等發現與普通瀝青相比,低標號瀝青的高溫抗車轍能力大幅提高,且無須摻加任何改性劑,生產成本低[9]。樊興華等的試驗結果表明 30#瀝青混合料的高溫性能優于70#瀝青混合料,與SBS改性瀝青混合料接近[10]。彭煒等通過試驗模擬不同路面面層結構使用新疆巖瀝青或70#基質瀝青時車轍深度,分析了新疆巖瀝青對路面面層抗車轍性能的影響[11]。目前對不同抗車轍改性技術下瀝青路面路用性能與經濟效益進行綜合研究的文獻較少。本文分別采用高模量劑、抗車轍劑、30#瀝青、70#瀝青設計AC-25瀝青混合料,對其路用性能和材料成本進行對比分析,為重載交通地區抗車轍技術選擇提供參考。

1 試驗方案

江西省高安市某國道大修項目,重載車輛多,車流量大,在自然環境和行車荷載作用下車轍病害嚴重。原設計瀝青路面結構為5 cm厚SBS改性AC-16上面層+7 cm厚70#AC-25下面層。已有研究表明,對于兩層結構的瀝青路面,車轍主要發生在瀝青混凝土面層結構下面層[12]。以原設計路面結構組合為基礎,采用高模量劑、抗車轍劑、30#瀝青、70#瀝青設計3種面層結構組合,對比分析重載交通下不同添加劑與低標號瀝青抵抗車轍病害的能力。3種面層結構組合分別為5 cm厚SBS改性AC-16上面層+7 cm厚抗車轍劑AC-25下面層、5 cm厚SBS改性AC-16上面層+7 cm厚高模量劑AC-25下面層、5 cm厚SBS改性AC-16上面層+7 cm厚低標號瀝青(30#瀝青)AC-25下面層,其中高模量劑及抗車轍劑摻量為0.4%,采用自動添加設備投放。按照GB/T 29050—2012《道路用抗車轍劑瀝青混凝土》的要求,抗車轍瀝青混合料的動穩定度不小于4 800次/mm。設計高模量劑AC-25瀝青混合料、抗車轍劑AC-25瀝青混合料和30#、70#瀝青AC-25瀝青混合料,對其高溫穩定性、低溫抗裂性能與水穩定性進行對比,并分析其材料成本。

2 原材料性能檢測

2.1 瀝青

采用山東中海70#瀝青與30#瀝青,其技術指標見表1,均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。

表1 瀝青的技術指標檢測結果

2.2 添加劑

高模量劑、抗車轍劑均為國產品牌,根據生產廠家提供的技術資料,兩種添加劑均能顯著提高瀝青混合料的勁度模量、高溫抗車轍性能和抗疲勞性能。添加劑摻量為瀝青混合料用量的0.4%。采用干法技術[13]制備改性AC-25混合料。

2.3 集料

集料采用石灰巖,規格為0.00～4.75 mm(1#)、4.75～9.50 mm(2#)、9.50～19.00 mm(3#)、19.00～31.50 mm(4#),其技術指標檢測結果見表2～4,篩分結果見表5。

表2 粗集料的技術指標檢測結果

表3 細集料的技術指標檢測結果

表4 礦粉的技術指標檢測結果

表5 集料篩分結果

3 AC-25瀝青混合料配合比設計

采用AC-25型級配,根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》推薦的級配范圍,通過馬歇爾試驗進行混合料配合比設計,各檔集料比例為m(1#)∶m(2#)∶m(3#)∶m(4#)∶m(礦粉)=44∶12∶26∶16∶2,合成級配見表6。

通過馬歇爾擊實試驗進行高模量劑AC-25瀝青混合料、抗車轍劑AC-25瀝青混合料(基質瀝青均為70#瀝青)及30#、70#AC-25瀝青混合料配合比設計,由混合料力學指標與體積指標綜合得出其最佳油石比分別為4.1%、4.1%、4.1%、4.0%。

4 路用性能對比分析

4.1 瀝青混合料的高溫穩定性

采用輪碾成型機分別成型高模量劑AC-25瀝青混合料、抗車轍劑AC-25瀝青混合料、30#和70#瀝青AC-25瀝青混合料板塊試件進行車轍試驗,試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,試驗溫度為60 ℃,輪壓為0.7 MPa。取輪作用45 min、60 min時的車轍變形計算動穩定度,評價混合料的高溫性能。試驗結果見表7。

表7 4種AC-25瀝青混合料車轍試驗結果

從表7可以看出:4種瀝青混合料在60 ℃下的動穩定度大小排序為高模量劑瀝青混合料>抗車轍劑瀝青混合料>30#瀝青混合料>70#瀝青混合料,高模量劑、抗車轍劑瀝青混合料的動穩定度均大于4 800 次/mm,滿足GB/T 29050—2012《道路用抗車轍劑瀝青混凝土》對抗車轍瀝青混合料1-4區的要求。與70#瀝青混合料相比,高模量劑、抗車轍劑瀝青混合料及30#瀝青混合料的動穩定度分別提高423.6%、322%、143.9%,高模量劑、抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能遠優于70#瀝青混合料。瀝青標號越低,針入度越小,軟化點越高,高溫穩定性越好,抗車轍能力越強,但30#瀝青混合料的動穩定度沒有達到GB/T 29050—2012對抗車轍瀝青混合料的要求(≥4 800次/mm)。

4.2 瀝青混合料的低溫抗裂性能

通過低溫彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性能,試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm,試驗加載速率為50 mm/min,試驗溫度為-10 ℃。試驗結果見表8。

表8 4種AC-25瀝青混合料的低溫彎曲試驗結果

從表8可以看出:以最大彎拉應變為評價指標時,4種瀝青混合料的低溫性能優劣排序為抗車轍劑瀝青混合料>高模量劑瀝青混合料>70#瀝青混合料>30#瀝青混合料。外加劑的加入可以提高瀝青混合料的低溫性能,與70#瀝青混合料相比,高模量劑、抗車轍劑瀝青混合料的彎拉應變分別提高4.5%、10.4%,30#瀝青混合料的彎拉應變降低5.3%。這是由于瀝青標號越高,黏塑性成分越多,低溫抗裂性能越好。在江西地區,改性瀝青混合料的彎拉應變應不小于2 500×10-6,基質瀝青混合料的彎拉應變應不小于2 000×10-6,高模量劑瀝青混合料的低溫破壞應變不滿足要求。

4.3 瀝青混合料的水穩定性

通過凍融劈裂試驗和馬歇爾殘留穩定度試驗對4種瀝青混合料的水穩定性進行評價,試驗結果見表9。

表9 4種AC-25瀝青混合料的浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗結果

從表9可以看出:4種瀝青混合料的水穩定性均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求,殘留穩定度大小排序為高模量劑瀝青混合料>抗車轍劑瀝青混合料>30#瀝青混合料>70#瀝青混合料,凍融劈裂強度比大小排序為高模量劑瀝青混合料>抗車轍劑瀝青混合料>70#瀝青混合料>30#瀝青混合料。由于高模量劑與抗車轍劑的加入起到了增強瀝青黏度的作用,瀝青能更好地黏附在集料表面,相比70#瀝青混合料,其水穩定性更優。

4.4 技術性能評價

4種瀝青混合料的動穩定度大小排序為高模量劑瀝青混合料>抗車轍劑瀝青混合料>30#瀝青混合料>70#瀝青混合料,均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求;低溫性能優劣排序為抗車轍劑瀝青混合料>高模量劑瀝青混合料>70#瀝青混合料>30#瀝青混合料,高模量劑瀝青混合料的低溫破壞應變不滿足JTG F40—2004的要求;殘留穩定度大小排序為高模量劑瀝青混合料>抗車轍劑瀝青混合料>30#瀝青混合料>70#瀝青混合料,凍融劈裂強度比大小排序為高模量劑瀝青混合料>抗車轍劑瀝青混合料>70#瀝青混合料>30#瀝青混合料,均滿足JTG F40—2004的要求。綜合比較,高溫穩定性、低溫抗裂性能與水穩定性均滿足規范要求的為抗車轍劑瀝青混合料。高溫穩定性和抗水破壞能力最好的為高模量劑瀝青混合料,但其低溫破壞應變偏小,不滿足規范要求。70#瀝青混合料的各項性能均滿足普通瀝青路面的技術要求,但不適應于抗車轍性能要求高的瀝青路面。

5 抗車轍AC-25瀝青混合料的材料成本

以生產1 t瀝青混合料為例,對高模量劑瀝青混合料、抗車轍劑瀝青混合料、低標號(30#)瀝青混合料進行材料成本對比,計算結果見表10。

表10 生產1 t不同抗車轍AC-25瀝青混合料的材料成本

由表10可知:高模量劑AC-25瀝青混合料的材料成本最高,抗車轍劑AC-25瀝青混合料次之,30#瀝青混合料的材料成本最低。對于重載高溫地區,減少車轍的產生是延長道路使用壽命的重要保證,推薦采用綜合性能滿足改性瀝青混合料要求、動穩定度達到GB/T 29050—2012《道路用抗車轍劑瀝青混凝土》中抗車轍瀝青混合料1-4區要求的抗車轍劑AC-25瀝青混合料。30#瀝青混合料的高溫性能滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》對改性瀝青混合料高溫性能的要求,且其材料成本低于高模量劑、抗車轍劑改性瀝青混合料,能降低道路建設成本,可用于一般抗車轍瀝青路面。

6 結論

(1) 高模量劑、抗車轍劑瀝青混合料均滿足抗車轍瀝青路面的技術要求;30#瀝青混合料的動穩定度達到改性瀝青混合料的技術要求,滿足改性瀝青路面的要求。

(2) 抗車轍劑瀝青混合料的綜合性能最佳,高模量劑瀝青混合料的低溫彎拉應變稍低于改性瀝青混合料的要求;30#瀝青混合料的高溫性能達到改性瀝青的技術要求,但其低溫和抗水破壞性能只滿足普通瀝青的技術要求。

(3) 高模量劑改性瀝青混合料的材料成本最高,30#瀝青混合料的材料成本最低。

(4) 建議高抗車轍瀝青路面采用抗車轍劑瀝青混合料,一般抗車轍瀝青路面采用30#瀝青混合料。