辽宁中部环线高速公路铁本段高模量沥青混凝土性能评价

2019-02-27李艳国

北方交通 2019年2期

李艳国

(辽宁省路桥建设集团有限公司沈阳市 110021)

车辙病害是沥青路面的主要病害之一，为提高沥青路面的抗车辙性能，可以从路面结构、材料选择、级配组成等方面进行改善和提高。目前，预防车辙病害产生的方法主要有：改善混合料的级配，如采用骨架密实型级配并选用多棱角、少针片状含量的骨料；提高沥青混合料的模量，如采用改性沥青、添加纤维及抗车辙剂等。添加抗车辙剂是目前较为常用的一种抗车辙方法，通过提高沥青混合料的模量从而起到抗车辙的效果。高模量沥青混合料的应用不仅能够显著提高其高温性能，同时也有助于抗水损害性能的提高。

1 项目概况

辽宁中部环线高速公路铁岭至本溪段属新建项目，项目于2016年动工，起于铁岭市铁岭县腰堡镇北，与已建新民至铁岭段高速公路对接，终点设置高台子枢纽互通立交与丹阜高速公路相接，路线全长118.971km。项目采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度为80km/h，路基宽度24.5m。

辽宁中部环线高速公路铁岭至本溪段路面工程共分路面综合4个标段，其中，路面合同三标中面层应用了高模量沥青混合料技术，高模量外掺剂使用北京天成垦特莱(KPL)科技有限公司生产的抗车辙添加剂，铺筑桩号K316+000～K349+900，长度为33.715km。路面结构为3.5cm SMA-13L上面层+4cm LAC-20中面层(高模量)+7cm LAC-25下面层+20cm水泥稳定碎石基层+20cm水泥稳定碎石底基层+15cm级配碎石垫层，中面层高模量外掺剂添加量为0.4% (占沥青混合料的质量)。主要就抗车辙剂(KPL)在辽宁中部环线高速公路铁本段的应用情况及路用性能进行了分析评价。

2 原材料

粗集料选用本溪明山区牛心台镇碎石厂产石灰岩石料，分为19～26.5mm、16～19mm、13.2～16mm、9.5～13.2mm 5档；机制砂为自制，分为2.36～4.75mm、1.18～2.36mm、0.075～1.18mm 3档；矿粉选用本溪明山区牛心台镇碎石厂生产的石灰岩矿粉；沥青选用中海沥青(营口)有限责任公司生产的90#沥青；检验结果均符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004及《辽宁中部环线高速公路铁岭至本溪段第三合同施工图设计》的质量技术要求。

高模量外掺剂选用北京天成垦特莱科技股份有限公司产的抗车辙剂，垦特莱抗车辙剂是一种粒径为3mm的固体颗粒物，颜色褐黑，可在常温下保存。其作用机理：沥青混合料拌和过程中加入抗车辙剂，通过剪切共聚共混，使抗车辙剂溶胀变软，其与沥青中的轻质组分发生作用，进行复合优化，促使抗车辙剂吸收沥青轻质组分并相互溶解，提升沥青中的重质组分比例，构成一种空间网格结构，包裹在集料表面。抗车辙剂在沥青混合料中起到嵌挤和弹性恢复作用，从而提升沥青混合料的模量，提高沥青混合料的抗车辙性能。

3 配合比设计

高模量沥青混合料应用层位为中面层，级配类型为LAC-20型，掺加KPL抗车辙剂的沥青混合料设计方法与未掺加的沥青混合料设计方法完全相同，采用标准马歇尔设计方法。通过目标配合比设计、生产配合比设计、生产配合比验证三个阶段，确定沥青混合料的级配和最佳油石比，经过设计确定最佳油石比为4.8%。LAC-20型混合料合成级配曲线如图1所示。

图1 LAC-20混合料合成级配曲线

4 高模量沥青混合料性能评价

高模量沥青混合料性能评价与普通沥青混合料基本相同，即主要评价混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性能。沥青混合料的高温稳定性能采用车辙试验评价、低温抗裂性能采用沥青混合料弯曲试验评价、水稳定性能采用冻融劈裂试验评价，主要对比高模量沥青混合料与普通沥青混合料的性能变化规律，分析抗车辙剂对沥青混合料性能的影响。

4.1 高温稳定性

标准车辙试验的试验条件为：试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，采用轮碾法成型车辙试件，试验结果如图2所示。

图2 车辙试验结果柱状图

由图2可知：抗车辙剂(KPL)对沥青混合料动稳定度的提高非常明显，在基质沥青混合料中掺加抗车辙剂后，其动稳定度成倍增长，60℃动稳定度可达到6000次·mm-1以上，动稳定度值大于SBS改性沥青混合料的动稳定度，表明抗车辙剂的添加可有效提高沥青混合料的高温稳定性，且混合料的施工温度要求也不高，一般出料温度在165℃左右就可以正常施工。这主要与添加剂的作用机理和物理性能有关，KPL抗车辙剂添加在沥青混合料中可大大地提高沥青粘性，且KPL抗车辙剂的软化点为138℃，在正常的施工拌和温度下，抗车辙剂熔融并裹覆在矿料颗粒表面，形成较高强度的粘结，限制矿料之间的相互滑动，提高沥青混合料的劲度模量，从而增强混合料的高温抗车辙性能。

4.2 低温抗裂性能

沥青混合料的低温抗裂性能采用低温弯曲试验评价，试件由车辙试件切割而成，尺寸为30mm×35mm×250mm，采用基本材料性能试验仪测试，试验温度为-10℃±0.5℃、加载速率为50mm/min。通过对长方体小梁施加一定荷载，使小梁产生弯曲破坏，测定小梁在发生破坏瞬间的最大弯拉应变、弯拉强度来评价混合料的低温抗裂性能。试验结果如图3所示。

(a)

(b)图3 沥青混合料的低温弯曲试验结果柱状图

由图3可知：高模量沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变值均介于基质沥青混合料和SBS改性沥青混合料之间，在4‰掺量下，KPL抗车辙剂对沥青混合料的低温抗裂性能是有所改善的，但达不到改性沥青混合料的低温抗裂效果。KPL抗车辙剂的强度和模量均高于沥青，而高强度、高模量的材料通常具有较低的断裂韧度。虽然少量的KPL抗车辙剂对混合料的低温抗裂性有一定程度的改善作用，但随着掺量的增加，会导致混合料的低温抗裂性能下降，甚至低于基质沥青混合料的低温性能。抗车辙剂的应用应考虑不同气候分区对沥青混合料低温抗裂性能的技术要求。

4.3 水稳定性能

评价沥青混合料水稳定性能的指标主要有浸水马歇尔试验的残留稳定度和冻融劈裂试验的冻融劈裂强度比。但冻融劈裂的试验条件比浸水马歇尔试验要苛刻得多。冻融劈裂试验是在规定条件下对马歇尔试件进行冻融循环，进行真空饱水、冰冻和高温水浴三个过程饱水，测定马歇尔试件在水损害前后的劈裂抗拉强度，评价沥青混合料的水稳定性。更能真实模拟沥青混合料的水损害过程，更能有效地评价掺加抗车辙剂沥青混合料的水稳定性能。采用冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能，试验结果如图4所示。

图4 冻融劈裂强度比柱状图

由图4可知：KPL抗车辙剂对沥青混合料的水稳定性有明显的提高，具有很好的抗水损害能力。这主要由于KPL抗车辙剂在加热拌和过程中软化，体积膨胀，填充集料骨架中的空隙，降低了混合料的空隙率，使水不易进入混合料中，从而提高了沥青混合料的水稳定性。

5 施工工艺

掺加KPL抗车辙剂的高模量沥青混合料在生产、运输、摊铺、碾压及开放交通方面与普通沥青混合料基本相同，但在混合料拌制方面需要严格控制。辽宁中部环线高速公路铁岭至本溪段高模量沥青混凝土中面层施工工艺为：采用两台摊铺机联合作业，摊铺速度2.0～2.5m/min。高模量沥青混合料摊铺温度不低于145℃，初压温度不低于135℃，复压温度不低于120℃，终压温度不低于80℃。

碾压组合方式为：

初压：用XD146光轮压路机，紧跟碾压，静压1遍，速度1.5～2km/h。

复压：用XP301胶轮压路机振压2～3遍，速度3～4km/h。

终压：用CC722双钢轮压路机静压1～2遍，速度3～4km/h。达到表面平整、密实无轮迹。