市政改性瀝青路面高溫抗車轍性能試驗研究

徐淑春

(中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

隨著我國高速公路的不斷發展,瀝青路面被廣泛應用,瀝青用量也逐漸增加。路況與自然環境的復雜化程度使得高速公路對瀝青性能的要求越來越高[1]。隨著使用時間的增加,瀝青路面常會出現開裂、車轍等破壞現象,尤其路面長期處于高溫環境時,開裂、車轍現象更加明顯[2]。為了提高路面質量以及使用壽命,高速公路建設人員采用各種改性劑對基質瀝青進行改性[3]。改性瀝青是通過摻入各種改性劑優化基質瀝青高溫、低溫等方面性能的新型材料,更適用于現代路面的鋪設。田迎春等[4]采用反應型三元共聚物(Reactive Elastomeric Terpolymer, RET)與橡膠粉進行復配,實現基質瀝青的改性,試驗結果表明,RET與橡膠粉都能夠增強改性瀝青的抗高溫性能,可以提高瀝青路面的耐久性。童浩等[5]通過印尼布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt,BRA)與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene block copolymer,SBS)的改性劑對基質瀝青進行混合配比,制備出復合改性瀝青混合料。通過試驗得知,復合改性瀝青混合料增強了瀝青材料的水穩定性與高溫性能,使用瀝青材料的使用壽命提升了大約47%。但上述2種方法未進行實際性抗車轍試驗,缺乏客觀性。為了得到客觀的改性瀝青路面高溫抗車轍性能結果,本文制備3種改進瀝青材料,以車轍深度、相對變形率、動穩定度、相位角與動態模量為指標開展抗車轍性能測試。以實現改進瀝青路面高溫抗車轍性能的充分測試,選擇性能相對最優的改性瀝青材料,以獲取最適合市政配套項目中鋪設路面的改性瀝青。

1 試驗研究

1.1 市政路面的工程概況

為了研究市政改性瀝青路面高溫抗車轍性能,需要了解路面工程概況與所采用的材料,以便選擇適合市政路面建設的改性瀝青。

本工程為奎文區南部城區市政配套項目,包括藍翔街(濰膠路-南苑路)(南苑路-濰州路雨污管網、電力管溝)、金沙路(雙羊街-藍翔街)、崇文街(白浪河景觀帶-機場路)、南苑路(濰膠路以北)、藍灣街(機場路-機場院墻)5條道路范圍內市政基礎設施的勘察、設計、工程施工、工程開工至竣工需要的所有檢測、工程竣工驗收備案及保修、項目移交等全部內容。工程平面示意圖如圖1所示。

圖1 工程平面示意圖

1.2 試驗材料制備與試驗方法

1.2.1 改性瀝青的制備

在瀝青加熱罐中加入一定量的基質瀝青,將其加熱至180～200 ℃,在瀝青加熱罐中摻入一定量的SBS改性劑,并充分攪拌25 min。再將混合瀝青放入高速剪切器中進行剪切1.5 h左右,最后在混合瀝青中摻入穩定劑,等待混合瀝青反應15 min,獲得SBS改性瀝青。在70 ℃的熱水中摻入丁苯橡膠(buna-S,styrene-butadiene rubber,SBR)膠乳改性劑,然后摻入氯乙基環已烷(Hydrochloric acid,HCL)使混合溶液的pH值保持在1.4～2.4,將其攪拌均勻,獲得SBR改性瀝青。在160～190 ℃的條件下將SBS與SBR改性瀝青高速剪切,該過程持續0.5 h,即可獲得SBS-SBR復合改性瀝青。

1.2.2 試驗方法

首先對比改性瀝青的常規性能(高溫性能、存儲的穩定性、路用性能、車轍深度、相對變形率,動穩定度),然后進行緩和料試驗。運用AC-13連續級配,各種集料的通過率如表1所示。采用馬歇爾設計方法設計試驗,試驗結果如表2所示。所有改性瀝青的用量為5.1%,使用國產輪胎成型機制作車轍板試件,車轍板試件的尺寸為400 mm×400 mm×50 mm,空隙率保持在3%～5%范圍內[7]。分別制作SBS、SBR以及SBS-SBR復合改性瀝青3個試件,記為試件1、試件2、試件3。

通常車轍試驗通過動穩定度DS(次/mm)判斷改性瀝青的高溫穩定性能[8]。依據荷載作用t1=45 min與t2=60 min的永久變形,計算DS:

(1)

式中:C1、C2為修正系數;v為試驗的車輪速度,m/s;d1、d2為t1、t2的變形量,mm。

DS不能完全展現試驗過程中瀝青的變形程度,而且1 h的試驗不易看出改性瀝青的差異,所以擬進行4 h的試驗,并通過相對變形率β判斷改性瀝青的抗車轍性能:

(2)

式中:ΔL為4 h后時間的總變形程度,mm;L為試件厚度,mm。

表2 改性瀝青馬歇爾試驗結果

在溫度不變情況下,采用不同頻率的正弦軸向壓變力對瀝青作用,檢測軸向應變與應力,并計算相位角φ與動態模量E*:

(3)

(4)

式中:Tp為應力周期,s;Ti為應變與應力之間的滯后時間,s;σ0為應力, MPa;ε0為應變峰值。采用5 Hz與10 Hz荷載加載頻率的E*和E*/sinφ可以判斷改性瀝青的抗車轍性能。

2 試驗分析

在所有試驗條件都相同時,對比試件1、2、3的性能指標,如表3所示。

由表3可知,在試驗條件相同的情況下,3種試件的各項性能均能夠滿足標準值或要求,但是在許多試驗項目上存在較大差距。其中,篩上剩余量,0.086%>0.079%>0.054%,試件1>試件2>試件3,說明試件1的瀝青物料細度更高;試件1的恩格拉黏度高于其余2個試件,說明試件1的黏度較強;3個試件的軟化點的排序為試件3<試件2<試件1,說明制作試件1的高溫穩定性最好,比較適用于炎熱地區或高溫環境下,抗車轍性能更好。3個試件的存儲穩定性的排序為試件3<試件2<試件1,說明制作試件1存儲穩定性最高,便于存儲和運輸。綜上所述,在條件相同的情況下,試件1的使用性能最好。

表3 相同條件下3個試件的性能比較

在不同的溫度與荷載條件下,檢驗改性瀝青的高溫性能,試驗車輪的行駛路程為230 m,車輪頻率保持在45次/min。記錄各試驗條件下3個試件的變形結果,并計算最終變形量與相對變形率如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知,無論怎樣改變試驗溫度與輪載條件,試件1的車轍深度都是最淺的,相對變形率都是最低的,在試驗條件為50 ℃/0.7 MPa、60 ℃/0.7 MPa、60 ℃/0.8 MPa以及70 ℃/0.7 MPa時,試件2的車轍深度與相對變形率大于試件3,只有試驗條件為60 ℃/0.9 MPa時,試件2的車轍深度與相對變形率小于試件3。其中試驗條件為70 ℃/0.7 MPa下,試件1的車轍深度明顯降低,相較于試件2和試件3,試件1的車轍深度分別減少0.788 mm、0.579 mm。說明70 ℃/0.7 Mpa條件下,試件1的抗車轍性能優勢更顯著,說明試件1的高溫抗車轍能力最強。

圖2 不同條件下試件的車轍深度

圖3 不同條件下試件的相對變形率

為驗證3個試件的高溫穩定性,測試3個試件在60 ℃與70 ℃條件下的動穩定度,具體試驗結果如圖4所示。

圖4 試件在60 ℃與70 ℃條件下的動穩定度

由圖4可知,試件1、2、3在60 ℃時的動穩定度分別為7 135.8,6 578.6,1 489.7次/mm,試件1比試件2、3的動穩定度分別高出了557.2,5 646.1次/mm。試件1、2、3在70 ℃時的動穩定度分別為4 712.8,3 868.6,1 332.7次/mm,試件1比試件2、3的動穩定度分別高出了844.2,3 380.1次/mm。試件1的動穩定度始終高于試件2與試件3,說明試件1的動穩定度最高,抗車轍性能更好。

因為本文主要研究改性瀝青的高溫性能,所以試驗僅在20～70 ℃的溫度范圍檢測改性瀝青的動態模量,試驗采用10 Hz與5 Hz的荷載加載頻率。在不同試驗溫度與荷載頻率下,各試件的E*和E*/sinφ如表4所示。

由表4可知,無論溫度條件與荷載加載頻率的大小,試件1的E*和E*/sinφ始終最小,試件3的E*和E*/sinφ最大,說明試件1具有最優的抗車轍性能。

在一定的溫度下,對試件施加一定的軸向壓力荷載,當軸向應變的變化率提升時的時間為流變時間tF,即tF為軸向變量的變化率最小的時間點。當試驗條件為60 ℃/0.8 MPa、70 ℃/0.7 MPa時,即便圍壓值是220 kPa,試件也很容易被破壞,不能對比出3種改性劑的差異。所以將試驗條件變化至:40 ℃/0.7 MPa、50 ℃/0.7 MPa、50 ℃/0.8 MPa、50 ℃/0.9 MPa以及60 ℃/0.7 MPa。試驗結果如表5所示。

表4 動態模量試驗結果

表5 流變時間試驗結果

據表5可知,在各種試驗條件下,試件1的tF最大,大致為試件3的tF的2倍,也明顯大于試件2的tF。

圖5、圖6是tF隨著溫度以及荷載發生變化時的關系圖。

由圖5、圖6可知,tF隨著試驗溫度與荷載的增加而呈線性下降,其中試件1與試件2的tF下降較快,并始終大于試件3。圖5中,當試驗溫度為50 ℃時,隨著軸向壓力的不斷提高,試件1的tF由1 100 s降至540 s,試件2的tF由874 s降至386 s,試件3的tF由530 s降至284 s。圖6中,當軸向壓力0.7 MPa時,隨著溫度的上升,試件1的tF由1 620 s降至719 s,試件2的tF由1 214 s降至630 s,試件3的tF由840 s降至254 s。在各種試驗條件下,3個試件的tF值有很明顯的差異,其抗車轍能力排序為:試件1>試件2>試件3。綜上可知試件1在不同試驗溫度與荷載的情況下,抗車轍能力仍然最強。

圖5 tF與軸向壓力的關系(溫度為50 ℃)

圖6 tF與溫度的關系(軸向壓力0.7 MPa)

室內的試驗具有局限性,結果不夠直觀,所以在預修建路面鋪一定距離的SBS、SBR以及SBS-SBR復合改性瀝青,如圖7所示。

經過一段時間車的反復碾壓,觀察3種改性瀝青的路面情況,如圖8所示。

(a)SBS改性瀝青

(b)SBR改性瀝青

(c)SBS-SBR復合改性瀝青圖8 3種改性瀝青鋪設路面的車轍結果

經過實地測量,可得到路面形變量:SBS改性瀝青鋪設路面的變形最小,為10 mm;SBS-SBR復合改性瀝青鋪設路面的變形最大,為50 mm。說明在實際應用中,SBS改性瀝青鋪設的路面的抗車轍性能最好。

3 結論

為了明確不同改性瀝青混凝土在高溫情況下的抗車轍性能,進行市政改性瀝青路面高溫抗車轍性能試驗研究。制備SBS、SBR以及SBS-SBR復合改性瀝青,在相同的測試環境下,進行實地測量,從而得到精準的抗車轍性能結果。通過改性瀝青的常規性能試驗可以看出SBS改性瀝青的高溫性能好,存儲的穩定性好且路用性能高。通過高溫抗車轍試驗能驗證SBS改性瀝青的車轍深度淺、相對變形率低,動穩定度最高,因此SBS改性瀝青的高溫抗車轍性能最好,最適用于市政配套項目的路面施工。