不同矿料级配对抗车辙剂沥青混合料高温性能的影响

2017-10-29樊长昕

山西交通科技 2017年5期

樊长昕

（山西省交通科学研究院新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西太原 030006）

0 引言

目前，高温车辙已成为高等级公路的主要破坏形式。为提高沥青路面的抗车辙性能，通常在中上面层采用改性沥青或添加抗车辙剂[1]。抗车辙剂由于良好的路用性能和简便的添加使用方式，近年来得到快速的发展[2]。

董泽蛟等人认为调整级配及加入抗车辙剂均可以改善沥青路面的高温稳定性[3]。朱止波等人通过引入单轴贯入试验并结合车辙试验对不同抗车辙剂的沥青混合料高温性能对比研究[4]。国内众多研究主要对添加抗车辙剂的性能评价，对影响抗车辙剂沥青混合料高温性能的矿料级配因素很少[5]。

因此，为保证掺入抗车辙剂的沥青混合料高温性能，对不同矿料级配的沥青混合料高温性能研究十分必要。本文选取不同类型的矿料级配，采用车辙试验动稳定度作为评价标准进行室内试验研究，对比分析得出结论。

1 试验部分

1.1 主要原材料

试验所用沥青为加德士70号石油沥青，常规三大指标分别为25℃针入度67.0（0.1 mm）、15℃延度大于100 cm、软化点49.0℃。

抗车辙剂选用自主研发的德路加D-Ⅱ抗辙裂剂，熔体质量流动速率为1.428 g/10 min，黑色松散颗粒，常温存储无黏结聚集现象。

根据抗车辙剂在路面施工中的应用情况，矿料选取AC-13辉绿岩、AC-16辉绿岩和AC-20石灰岩。粗细集料来自山西省交口县晋申碎石场，填料为广西兴安矿石粉总厂生产的矿粉。

1.2 试验工艺

根据工程项目经验，油石比采用4.4%，抗车辙剂掺加量为沥青混合料质量的0.4%。

沥青混合料拌合温度为180℃，压实温度为150℃～160℃。

室内进行沥青混合料的拌合，拌合顺序为：

1）D-Ⅱ与加热到190℃的石料干拌90 s；

2）加入160℃的沥青湿拌90 s；

3）加入矿粉拌合90 s。

车辙试验按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的标准要求进行[6]。车辙实验仪为北京航天航宇测控技术研究所的HYCZ-5型，试件采用碾压成型的300 mm×300 mm×50 mm车辙试件，试验温度为60℃。

1.3 试验方案

本文采用我国最普及的车辙试验，以60℃动稳定度作为评价标准进行室内试验研究。每种矿料合成3种级配类型，分析对比不同矿料、级配类型对掺入抗车辙剂的沥青混合料的高温性能的影响，得出结论。

2 结果与讨论

2.1 AC-13辉绿岩级配的影响

AC-13沥青混合料主要应用在高速公路路面的上面层，厚度一般为4 cm。上面层作为和交通荷载直接接触的面层，其高温抗车辙性能十分必要[7]。目前我国绝大部分高速公路面层主要采用SBS改性或抗车辙剂改性沥青路面。

本次研究采用AC-13辉绿岩矿料，合成3种不同级配分别进行车辙试验。其中：级配AC-13-1为去粉50%目标配合比；级配AC-13-2为未去粉目标配合比；级配AC-13-3为实验室调整配合比，细料用量加大，粗料相对少。AC-13辉绿岩3种级配合成曲线见图1，动稳定度车辙试验数据见表1。

图1 AC-13辉绿岩3种级配合成曲线

从图1 AC-13辉绿岩各级配合成曲线可以看出：级配AC-13-1与级配AC-13-2相比，2.36 mm以上的筛孔基本没有变化，主要是细集料中小于0.075 mm的细粉减少，进而级配曲线2.36 mm以下各筛孔通过率都会少1%。级配AC-13-3将粗集料10～15 mm的用量减少13%，相应细集料0～3 mm机制砂用量增加13%，与AC-13-2相比各筛孔通过率增加10%左右，其中9.5 mm的通过率已经超过上限[8]。

从表1 AC-13辉绿岩3种级配车辙试验表明：掺入抗车辙剂之后，3种级配的沥青混合料动稳定度均在5000次/mm以上，满足规范中掺入抗车辙剂后动稳定度大于2800次/mm的要求[8]。级配AC-13-2与AC-13-1相比，动稳定度从6659次/mm下降到5236次/mm，级配AC-13-3动稳定度大于10000次/mm以上。

通过AC-13辉绿岩3种级配合成曲线与车辙试验结果分析，3种级配随着各筛孔的通过率增高，即级配合成曲线越靠上，车辙动稳定度越大。动稳定度随着混合料中细矿料的增多而出现增大的趋势，主要由于AC-13混合料中最大公称粒径石料为16 mm，矿料中起主要作用的是4.75 mm以下的细矿料。当混合料中细料的含量增多时，车辙试件整体的压实度会增大，在测试中很难压下去。

表1 AC-13辉绿岩3种级配车辙试验结果

2.2 AC-16辉绿岩级配的影响

AC-16沥青混合料一般是用在市政道路的面层或者高速公路的中面层。厚度一般为4～6 cm。城市高温条件下的市政路面和重交通荷载下的高速路面中面层均需要优良的高温抗车辙性能。

本次研究采用AC-16辉绿岩矿料，在实验室条件下合成3种不同级配，分别进行车辙试验。其中：级配AC-16-1为未去粉工程级配；级配AC-16-2为未去粉实验室合成级配；级配AC-16-3为去粉70%实验室合成级配。AC-16辉绿岩3种级配合成曲线见图2，动稳定度车辙试验数据见表2。

图2 AC-16辉绿岩3种级配合成曲线

从图2中AC-16辉绿岩各级配合成曲线可以看出：3种级配在9.5 mm以上筛孔的通过率基本一样，变化主要在4.75 mm及以下筛孔，3种级配各筛孔通过率之间大概差5%左右。级配AC-16-1细矿料用量相对多，级配合成曲线整体偏上，0.6 mm及以下各筛孔通过率已超过《公路沥青路面施工技术规范》规定的上限。级配AC-16-3的细矿料0.075 mm以下量去粉70%，AC-16-2未去粉，使得级配AC-16-3比AC-16-2整体偏下，且在规定的上限之内[8]。

表2 AC-16辉绿岩3种级配车辙试验结果

从表2 AC-16辉绿岩3种级配车辙试验表明：沥青混合料掺入抗车辙剂之后，级配AC-16-1的动稳定度只有2288次/mm，AC-16-2的动稳定度为3502次 /mm，满足规范中不小于 2800次 /mm的要求[8]，而级配AC-16-3的动稳定度达到5720次/mm，性能优良。

AC-16辉绿岩3种合成级配说明，随着沥青混合料中4.75 mm以下各筛孔通过率的提高，动稳定度逐渐变小。AC-16辉绿岩沥青混合料的高温性能会随着4.75 mm以下细矿料的增多而变差。主要由于AC-16混合料中细矿料的用量增多后，特别是0.6 mm及以下各筛孔通过率超过AC-16级配上限时，沥青混合料大料之间存在多余的细料，很难形成相互嵌挤的骨架密实结构。在荷载的作用下，大料之间会相互滑动，形成难以恢复的车辙病害，影响沥青路面的高温性能。因此在AC-16辉绿岩的施工过程中，细集料的用量和去粉十分重要。

2.3 AC-20石灰岩级配的影响

我国拥有大量的石灰岩资源，为减少工程造价就地取材，在绝大部分省份的高速公路中下面层建设均采用AC-20或AC-25石灰岩[9]。其中AC-20石灰岩广泛应用在中面层并掺入抗车辙剂以提高路面的抗车辙性能。

本次研究采用AC-20石灰岩矿料，为与AC-16辉绿岩性能比较，采用同样的方式在实验室条件进行车辙试验。其中：级配AC-20-1为未去粉工程级配；级配AC-20-2为未去粉实验室合成级配；级配AC-20-3为去粉70%实验室合成级配。AC-20石灰岩3种级配合成曲线见图3，动稳定度车辙试验数据见表3。

图3 AC-20石灰岩3种级配合成曲线

从图3中AC-20石灰岩各级配合成曲线可以看出：级配AC-20-1整体偏细，即细矿料用量相对多，级配合成曲线整体偏上，0.6 mm及以下各筛孔通过率已超过《公路沥青路面施工技术规范》规定的上限。级配 AC-20-2中 0.3 mm、0.15 mm及0.075 mm的通过率已超过规定上限。级配AC-20-3比级配AC-20-2整体偏下，且在规定的上限之内[8]。

表3 AC-20石灰岩3种级配车辙试验结果

表3 AC-20石灰岩3种级配动稳定度车辙试验表明：沥青混合料掺入抗车辙剂之后，级配AC-20-1的动稳定度只有2059次/mm，AC-20-2的动稳定度为2716次/mm。级配AC-20-3的动稳定度达到5408次/mm，高温性能很好。

AC-20石灰岩3种合成级配的车辙试验说明，同AC-16辉绿岩混合料的变化趋势一致。随着矿料中细矿料用量的增多，混合料的动稳定度降低，即高温性能下降。当混合料难以形成稳定相互嵌挤的骨架密实结构时，路面很容易发生车辙病害。因此在AC-20石灰岩的施工过程中，细集料的用量和去粉同样十分重要。

2.4 AC-16辉绿岩与AC-20石灰岩的性能对比

为了解掺入抗车辙剂的AC-16辉绿岩与AC-20石灰岩沥青混合料高温性能优劣，采用同样方式分别合成3种级配进行沥青混合料的高温抗车辙试验。即未去粉工程级配、未去粉实验室合成级配、去粉70%实验室合成级配。动稳定度车辙试验数据见图4。

图4 AC-16辉绿岩与AC-20石灰岩性能对比

图4试验结果说明：AC-16辉绿岩与AC-20石灰岩随级配的变化，沥青混合料车辙动稳定度变化趋势一致。而每种级配下，辉绿岩的高温抗车辙性能均略优于石灰岩。主要由于辉绿岩具有较强的力学性能，其极限抗压强度在200～300 MPa，而石灰岩的强度很低，本实验用泥质石灰岩只有25～50 MPa。在同样的荷载作用下，混合料中的个别石灰岩会自身挤压破碎，失去骨架的作用，而辉绿岩则不会。因此，在同样工艺条件下，辉绿岩的高温抗车辙性能要优于石灰岩。