富油型AC-10应力吸收层的路用性能研究

2021-01-06彩雷洲陆圣嘉王灿升

筑路机械与施工机械化 2020年11期

彩雷洲，陆圣嘉，王灿升

(1.中路交建(北京)工程材料技术有限公司，北京 100088； 2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

为防治“白改黑”路面的反射裂缝病害，道路建设者经过大量的理论研究和实践检验，证明在新沥青面层和原有的水泥混凝土基层之间加铺一层应力吸收层，能够有效消减车辆荷载应力，抑制反射裂缝的出现和发展[1-5]。应力吸收层通常选择沥青为胶结料，碎石集料为传力介质，不仅可以黏结面层与基层，还具有应力吸收、防止渗水、防止反射裂缝的功能[6-7]。

黄卫东等[8]研究了连续密级配橡胶沥青混合料应力吸收层，发现沥青针入度会显著地影响应力吸收层的疲劳寿命；李祖仲等[9]通过拉伸与拉压疲劳试验，发现使用的改性沥青抗拉伸应变能力越强，其混合料抗拉伸能力越强；洪海等[10]通过ANSYS有限元软件对应力吸收层的应力分布进行研究，发现使用改性沥青可以有效延缓裂缝的产生与发展速度；王海朋等[11]针对不同级配的应力吸收层进行对比研究；孙洁[12]基于TPS改性剂，对比分析了普通改性沥青与TPS改性沥青对路应力吸收层路用性能的影响。

不同于普通应力吸收层[13-14]，本文研究的富油型应力吸收层使用6.5%以上的高油石比，增加有效沥青含量，强化应力消减能力。本文分别对不同沥青种类和油石比的富油型AC-10应力吸收层的高温性能、低温性能与水稳定性等路用性能进行对比研究，为广西及国内类似湿热地区的应力吸收层施工提供参考依据。本文所用技术要求按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)和实际施工技术要求确定。

1 原材料

1.1 沥青

富油型应力吸收层具有很好的应力消减和抗变形能力，主要是因为采用高含量沥青可以有效缓解因基层裂缝而引起的应力集中现象，消散裂缝处产生的应变，故认为沥青的品质是评价富油型应力吸收层是否合格的关键[15-18]。为研究不同种类沥青的应力吸收层沥青混合料的路用性能，本文分别使用SBS(I-D)改性沥青和专用高黏高弹改性沥青制备AC-10型沥青混合料[19]。其中，专用高黏高弹改性沥青由SBS(I-D)改性沥青和掺量为8%的高黏改性剂制备而成。SBS改性沥青的技术指标见表1，高黏高弹沥青的技术指标见表2。

表1 SBS改性沥青的技术指标

表2 专用高黏高弹沥青的技术指标

1.2 矿料及矿料级配

本文所用粗集料为4.75～9.5 mm和2.36～4.75 mm两档粒径的石灰岩碎石，细集料为0～2.36 mm粒径的机制砂，填料为矿粉，AC-10混合料中各组分比例为粗集料(4.75～9.5 mm)∶粗集料(2.36～4.75 mm)∶细集料(0～2.36 mm)∶矿粉=65∶9∶21∶5[20]。集料性能指标及合成级配满足本文技术要求，粗集料、细集料及填料的技术指标见表3～5，AC-10混合料的合成级配见表6。

表3 粗集料的技术指标

表4 细集料的技术指标

表5 矿粉的技术指标

表6 合成级配

2 沥青混合料性能对比

2.1 油石比对比研究

为研究油石比对AC-10沥青混合料的影响，本文使用SBS(I-D)改性沥青，根据室内试验与施工经验，按5.0%～6.6%、间隔为0.4%的5组油石比制作AC-10型马歇尔试件。马歇尔试件击实次数为75次，试验温度条件见表7，试验结果见表8。空隙率、沥青饱和度、稳定度、流值及粉胶比与油石比的关系见图1，图中横虚线为工程及技术规范要求。

表7 马歇尔试验温度条件

表8 马歇尔试验结果汇总

图1 油石比关系

为保证应力吸收层的施工和易性，本文使用SBS(I-D)改性沥青，按5.0%～7.8%、间隔为0.4%的8组油石比进行谢伦堡析漏试验，试验数据见表9，析漏损失率和油石比的关系见图2。

分析试验数据结果，可以得出以下结论。

表9 析漏试验结果汇总

图2 油石比和析漏损失率的关系

(1)为满足混合料空隙率不小于2.5%及粉胶比不大于1.6的技术要求，取AC-10沥青混合料油石比下限为5.9%。

(2)根据油石比与稳定度的关系图，当混合料使用的油石比从5.0%增加到5.8%时，试件稳定度减小了1.2%，但是当油石比从5.8%增加到6.6%时，稳定度减小了10.0%，减小幅度明显增大。试验结果表明：虽然增加SBS改性沥青用量可以有效提高应力吸收层的应力消减能力，但是油石比越高，稳定度越差，对沥青混合料的性能不利。

(3)根据油石比与流值的关系图，随着油石比的增加，混合料流值变化不大，稳定在3.2～3.5 mm之间，符合本文技术要求。

(4)根据析漏损失率和油石比的关系图，析漏损失率随着沥青混合料油石比的增大而增大，析漏损失率曲线陡增的拐点出现在油石比为6.5%时，因此从施工和易性及经济性的角度考虑，将6.5%作为沥青混合料油石比的上限。

综上所述，AC-10沥青混合料油石比的推荐范围为5.9%～6.5%。为研究油石比对应力吸收层路用性能的影响，分别使用5.9%、6.2%和6.5%的油石比，对AC-10型SBS改性沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性进行验证。

2.1.1 高温性能

沥青混合料的高温稳定性是指沥青路面在高温和车辆荷载作用下抵抗变形的能力，通常以车辙试验进行评价。广西夏季平均温度可达30 ℃以上，应力吸收层良好的高温稳定性是其在广西及类似夏季炎热地区推广应用的决定性因素。AC-10型SBS改性沥青混合料的车辙试验数据见表10。

表10 车辙试验数据

2.1.2 低温性能

当沥青路面温度降低时，沥青混合料体积收缩，甚至会出现收缩裂缝，对沥青路面功能造成极大破坏。应力吸收层如果出现温度收缩裂缝，其应力消减能力就会大大降低，甚至消失，故应该严格要求其低温抗裂性能。本文使用0 ℃低温小梁弯曲试验对SBS改性沥青混合料的低温抗裂性能进行评价，试验数据见表11。

表11 小梁弯曲试验数据

2.1.3 水稳定性

水损害是沥青路面最常见的病害之一，其形成机理是：侵入沥青混合料中的水在车辆荷载与温度的双重作用下，降低沥青黏附性，破坏混合料原本稳定的内部结构，从而产生各种病害。本文采用残留稳定度和冻融劈裂强度来评价沥青的水稳定性，试验数据见表12。

由以上路用性能试验可知，随着油石比的增加，AC-10型SBS改性沥青混合料的高温性能下降。当油石比从5.9%增加到6.5%时，混合料的动稳定度下降了40.5%。同时可以发现，随着混合料油石比的增加，动稳定度下降的幅度明显增大。

表12 水稳定性试验数据

随着油石比的增加，AC-10沥青混合料的低温性能和水稳定性都得到增强。当油石比从5.9%增加到6.5%时，混合料的低温弯拉应变提高33.7%，浸水残留稳定度提高2.8%，冻融劈裂抗拉强度比提高3.8%。

2.2 专用高黏高弹沥青研究

为提升工程品质，本文通过在SBS改性沥青中掺入高黏改性剂来改善沥青混合料的性能。本文按6.5%的油石比，分别使用专用高黏高弹改性沥青和SBS(I-D)改性沥青制备AC-10沥青混合料，通过车辙试验验证其高温性能，通过0 ℃低温小梁弯曲试验验证其低温性能，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验验证其水稳定性，试验结果见表13～15。