微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工及質量控制

摘要 某公路采取Superpave級配微晶高嶺石改性瀝青復合料，有效增強瀝青路面強度和抗老化性能，該型改性復合料有助于改善路用性能。文章首先簡要介紹了工程概況，并介紹微晶高嶺石改性和壓實難度機理，而后重點闡述復合料相關施工技術參數、碾壓工藝及質量控制技術要點，以期為同類改性瀝青復合料施工提供技術參考。

關鍵詞 復合料；瀝青改性；微晶高嶺石；碾壓施工；質量控制

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0082-04

0 引言

微晶高嶺石又名膠嶺石、蒙脫土，主要產于火山凝灰巖中，是一種硅酸鹽類天然礦物，加水后變成糊狀物，可膨脹數倍，受熱脫水后會發生體積收縮，具有極強的陽離子交換和吸附能力性能，經有機復合，可做改性瀝青復合料填充劑和吸附劑，增強瀝青復合料的抗老化性能。案例公路工程應用微晶高嶺石改性瀝青復合料技術，提高瀝青路面的溫度穩定性和抗老化性能，從材料和施工質量兩個方面，確保瀝青路面建設質量。結合工程應用，這里重點介紹微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工及質量控制技術，希望為微晶高嶺石改性瀝青復合料路面施工提供技術參考。

1 案例簡介

某公路全長35 km，雙向四車道，時速設計為80 km/h。過線區域環境干燥、日照強烈，對瀝青路面材料的溫度穩定性和抗老化性能要求很高。為此工程采取了微晶高嶺石改性瀝青結合料和Superpave級配結構技術，加強瀝青復合料的溫度穩定性和抗老化性能。采用某PJ-90#基質瀝青，其性能參數如表1所示^[1]。

PJ-90#瀝青改性微晶高嶺石最佳摻量2%～3%，改性制作工藝需要將基質瀝青的溫度加熱至150 ℃±5 ℃，加強微晶高嶺石的加入速度控制，盡量降低速度，恒溫下1 000 r/min轉速進行4 h攪拌，即獲得微晶高嶺石改性瀝青，其主要性能參數如表2所示。

2 微晶高嶺石改性機理

瀝青短期老化的影響因素在于復合料拌和、運輸與鋪攤過程中瀝青輕組分揮發及與空氣的氧化作用。瀝青路面投入使用后，老化問題比較嚴重，主要是因為長期暴露在自然環境內，受到環境因素的影響，會存在氧化、縮合、脫氫、蒸發等方面的變化，如揮發使瀝青低分子量油份流失；大氣氧化、紫外線輻射氧化，影響和改變瀝青性能狀態。而瀝青材料與微晶高嶺石可以構成二維有序剝離或插層復合結構，聚合物與層狀硅酸鹽組合成為整體的結構，而聚合物還能獲得良好的氣體阻隔，抗老化效果也在不斷提升。

插層結構內，前者瀝青材料進入到黏層內，后者寬厚比100～1 000，厚度1.2 nm黏土片層剝離進入到瀝青內。黏土片層寬厚比的影響，能夠避免聚合物氣體進入到內結構內，保證聚合物有足夠的阻氣性，遲滯聚合物內的氧、臭氧擴散，提升聚合物的耐臭氧化、耐老化性能。因為有機材料長期受到紫外線照射而產生老化的問題，一般都是在有氧環境中，所以層狀黏層阻隔性作用，可以減小材料的吸氧量，延緩光氧化老化。微晶高嶺石改性瀝青混合料的主要優勢是控制氧化擴散與紫外線氧化，從而改善熱氧化期的針入度、軟化點、延度、黏度等參數，使得瀝青混合料具備較高的抗老化效果。基質瀝青與微晶高嶺石改性瀝青性能對比如圖1所示。此外，因為微晶高嶺石與瀝青結構組合形成插層復合結構，高溫狀態中微晶高嶺石的加入可以減小流動速度，使得材料具備較高的高溫耐車轍效果。

3 碾壓施工及質量控制

3.1 復合料特性

（1）Superpave復合料特性。案例所用微晶高嶺石改性瀝青復合料采取Superpave方法設計，因此具有一些特殊性質。為抵抗永久形變，Superpave設計復合料應確保抗剪強度與耐車轍性能合格，應用的是嵌鎖骨架結構，并有效提升內摩阻力。Superpave復合料確定骨料性質，分析認同性，以掌握混合料性質。Superpave骨料的優勢明顯，比如硬度高、均勻性好、破碎率高等，骨料的加入使得復合料的抗剪強度、使用性能得到提升，但是也會造成碾壓難度升高，極易造成碾壓效果不合格，影響路面的性能以及正常使用。

（2）Superpave復合料級配特點。根據0.45次方級配曲線分布，縱坐標為百分比，橫坐標為篩孔規格的0.45次方，最高理論密度線是坐標原點與最大級配規格連線。級配圖反映出2組特點變化，也就是控制點與限制區。控制點反映出骨料級配一定通過范圍，而限制區位2.36～0.3 mm。骨料級配曲線不經過該區域為合格，使得細骨料不能接近最高理密度線，空隙率VMA值相對較低。為了防止復合料內含有過多的細料而產生碾壓推移、耐車轍性能不足，Superpave復合料一般多采取上“S”形級配曲線（如圖2所示）。這樣能使得復合料內的細骨料比例在最佳范圍內，復合料的中、粗粒度增大的情況，經過嵌擠后組合形成復合料，抗剪強度提升比較明顯。該級配對于復合混合料的路用性能、強度提升比較明顯，但是碾壓作業環節的難度較高^[2]。

（3）復合料瀝青組分含量。與常規馬歇爾方法設計的復合料相比，Superpave方法設計復合料最優瀝青含量相對較低。這是因為Superpave復合料中細集料的含量相對較低，中、粗粒度骨料含量則相對較高；此外Superpave方法以旋轉壓實儀成型試件，相對于馬歇爾擊實儀來說，壓實效率更高。Superpave方法設計復合料其瀝青含量被降低，雖利于形成較好的路面強度，但一定程度增加了壓實操作難度。

3.2 復合料壓實特性

瀝青復合料壓實性能受到多方面因素影響，比如材料黏附性、黏性阻力、摩阻力等。骨料摩擦力受到結構形式、形狀、強度、耐磨性、嵌擠性方面干擾，自然圓滑集料的復合料表面摩擦力較小，滑移現象發生率較高；含有棱角、表面粗糙、破碎度高的集料復合料，其摩擦阻力相對要高，壓實相對有難度。復合料的內摩擦力越大，破碎集料劑量越高，更難壓實。

瀝青黏性、復合料溫度及黏性阻力間具有函數關系，瀝青結合料的黏彈性比較差，低溫條件之下的彈性固體特性明顯，高溫時以黏性液體狀態存在。瀝青混合料對于溫度較為敏感，溫度較低時黏阻力較高，影響壓實作用的效果；瀝青黏度提升，壓實溫度也必須相應提高。

Superpave復合料在原料選擇中強調骨料的棱角性和破碎需求，為了避開級配限制區，降低砂組分用量，因為細骨料少，中粗骨料多，因此Superpave復合料是一種壓實質量要求高、相對難于壓實操作的復合料；另外粗、中粒度骨料的劑量較高，也使復合料溫降速度較快，這給壓實操作帶來一定程度的碾壓時間緊迫性，把控不當就會影響壓實質量。

Superpave復合料中瀝青比例較低，碾壓環節使得顆粒之間摩阻力升高，難以壓實到最佳的狀態。Superpave復合料還有一個特性，就是溫度敏感區的存在。在現場施工作業中，Superpave復合料處于不穩定的溫度敏感期間，通常在93～115 ℃區間，在該問題之間碾壓作業施工，會造成復合料發生推移、龜裂的問題，對于路面性能造成影響。

因此，Superpave復合料碾壓施工環節，不能在溫度敏感區內碾壓施工，一般采取如下做法：第一，復合料溫度下降到115 ℃之前完成碾壓，保證壓實度合格；第二，溫度處于115 ℃以上時，應用振動壓路機開展碾壓施工，在溫度處于95 ℃以下時，開展靜壓施工。

3.3 關鍵壓實參數

如果材料、壓路機性能都符合要求，壓實度受到如下影響：第一，壓路機和材料的固有頻率比較相近；第二，材料對激振器的振動發生反應，出現了共振的情況，克服、減小材料的內摩阻力；第三，碾壓遍數不合格。在具體的施工中，技術人員必須加強碾壓遍數、碾壓速度的控制，預防造成質量問題的情況。

（1）碾壓速度。壓實速度對于壓實效率存在直接影響。經過振動壓實分析，應確保骨料顆粒進入到振動條件，需要開展連續3次以上振動激勵，振動壓路機的碾壓振動激勵應按照下式（1）計算。

式中，v——振動壓路機的碾壓行進速度（km/h）；f——壓路機振動頻率（Hz）。如果振動壓路機的額定振動頻率是45 Hz，則碾壓行進速度應控制在v≤4.86 km/h為宜。

（2）碾壓遍數。為了準確掌握振動壓路機的碾壓遍數對壓實度產生的影響，這里介紹案例試驗段鋪筑壓實試驗結果。材料、壓路機碾壓行進速度和振動頻率參數：微晶高嶺石改性瀝青復合料；鋪層厚度6 cm；碾壓溫度120～160 ℃；Superpave12.5級配設計，振動壓路機型號DD110；壓實行進速度4.5 km/h；頻率49 Hz；振幅0.32 mm。測試結果具體如表3和圖3所示^[3]。

結果顯示，碾壓遍數不斷增多，路面壓實度會因為變數的增加而表現出曲線的變動，初期升高速度較快，但是變數再次增加的情況下，壓實度的增大變得比較緩慢，曲線趨于平緩。壓實遍數對于壓實度的提升影響并不明顯，之所以形成這一現象，是因為瀝青路面的壓實還會受瀝青混合料的溫度、碾壓時間影響。要想提高壓實度效果，在瀝青路面鋪設結束后，應及時開展振動碾壓施工。

4 微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓

4.1 微晶高嶺石改性瀝青復合料及碾壓面臨的問題

（1）實用微晶高嶺石改性瀝青復合料。案例工程的微晶高嶺石改性瀝青復合料采用Superpave12.5型配比設計，其級配如表4所示。該型復合料利于形成良好的瀝青路面強度，但因為該型復合料的骨料間內摩擦阻力也相對較大，因此碾壓施工的質量要求較高，操作存在難度。

（2）案例路面結構中，上面層厚度4 cm，屬于典型的薄層結構，路面溫降相對較快。因為瀝青路面的壓實與復合料溫度密切相關，只有在特定溫度以上進行碾壓才能獲得最佳壓實效果。當溫度不足90 ℃時，碾壓難以達到應有的效果。因此，在碾壓時間確定時，必須要充分考慮出料溫度、攤鋪厚度、環境溫度等多方面的要素。環境條件與復合料溫度相同時，結構層的厚度對碾壓時間產生直接影響。如表5～6所示，體現出不同鋪設層厚度的溫降特點與碾壓時間。經過數據分析發現，結構層厚度越小，碾壓時間會相應縮短。

4.2 微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓工藝及質量控制

因為微晶高嶺石改性瀝青復合料壓實時，初期作業的難度比較高，為了使得壓實質量符合要求，選擇合適的工藝以確保質量符合標準，微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓同樣包括初壓、復壓和終壓3個階段。

（1）初壓。攤鋪機在開展攤鋪施工中，使用2臺壓路機開展施工，按照從低到高逐一碾壓，并且沿著接縫碾壓一遍。在不黏輪和推移的情況下，開始振動碾壓，否則進行靜壓。靜壓應重疊1/2輪寬，振動碾壓重疊30 cm，共碾壓4～6遍。靜壓行進速度2～3 km/h，振動碾壓行進速度4～5 km/h。

（2）復壓。2臺膠輪壓路機，碾壓速度3～5 km/h，和初壓的DD110壓路機聯合進行，逐步開展復壓施工，總計碾壓3遍，以確保壓實度合格。

（3）終壓。1臺DD110壓路機在復壓后逐步立即開始終壓施工，速度為3～5 km/h，碾壓2遍、沒有表面輪跡為止，每次返回，縱向與振動碾壓部位重疊1～1.5 m。碾壓施工中，應隨時檢測復合料的溫度，不能處于敏感溫度范圍。如果混合料的溫度在該區間之內，不能開展振動碾壓施工，轉變為膠輪碾壓的施工方式。碾壓距離應該根據現場復合料的溫度變化情況來控制，一般在30～50 m之間。

5 結語

進行了微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工及質量控制研究。微晶高嶺石具有極強的陽離子交換和吸附能力性能，經有機復合，可做改性瀝青復合料填充劑和吸附劑，增強瀝青復合料的抗老化性能。有助于改善兩項路用性能的同時，也面臨著壓實施工操作有一定難度和質量要求高的不足。文中介紹了微晶高嶺石瀝青改性和壓實施工操作質量要求高、有一定操作難度的基本原理，介紹了案例應用該復合料的相關施工技術參數、碾壓工藝以及質量控制技術要點，對微晶高嶺石改性瀝青復合料碾壓施工應用有技術參考意義。

參考文獻

[1]黃晚清. SMA粗集料骨架結構的細觀力學模型研究[D]. 成都：西南交通大學， 2007.

[2]袁迎捷．Superpave瀝青混合料設計方法與壓實原理研究[D]．西安：長安大學， 2001.

[3]余劍英， 李斌， 曾旋， 等. 有機化蒙脫土對 SBS 改性瀝青熱氧老化性的影響[J]. 武漢理工大學學報， 2007（9）： 65-67.

收稿日期：2023-10-12

作者簡介：鐘瑞（1982—），男，本科，助理工程師，從事公路橋梁建設管理工作。