修补坑槽用冷补沥青混合料路用性能研究

2021-05-06孔令绅李雪萍冯志强

河南科学 2021年3期

孔令绅，李雪萍，冯志强

（1.河南中州路桥建设有限公司，河南周口 466000； 2.河南省化工研究所有限责任公司，郑州 450052；3.河南交通职业技术学院，郑州 450046）

伴随经济的增长，为满足物质快速流转，我国交通行业得到快速发展，高等级公路网逐渐完善. 早期修建的高等级沥青路面，随着使用年限的增加以及交通量尤其是重轴载交通的增长，出现了裂缝、车辙、拥包以及坑槽等路面常见病害. 这些病害如果不及时处治，将导致路面病害进一步恶化，从而影响路面使用性能，同时也会增加后期养护成本［1-4］. 2014 年长沙理工大学郑健龙院士提出了“基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计新思想”，指出上面层破坏是沥青路面破坏的根源［5］. 这一理论的提出，更加体现沥青路面预防性养护的重要性. 沥青路面抗水损害能力差是坑槽产生的主要原因，坑槽的出现会严重影响行车安全［6-8］. 现阶段修补局部坑槽常用的方法是挖掉重新摊铺热沥青混合料，由于修补局部坑槽所需混合料的量较少，且运距跨度较长，作业面分散，大型机械设备利用率低下，选用热料换填法不仅会增加养护成本，同时热沥青混合料的生产也会造成环境污染［9-12］. 本文选用LB-16、LB-13（粗型）、LB-13（细型）三种冷补料展开研究，通过对三种冷补料进行高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害等性能研究，评价三种冷补料的路用性能；通过改变温度、湿度、黏结剂种类、黏结剂撒布量及界面刻槽间隔来研究冷补料与AC-13C混合料之间黏结能力，为冷补料在路面坑槽修补中的应用提高理论基础.

1 原材料及配合比设计

1.1 黏结剂

黏结剂应具备较好的黏结性能，能够保证修补后的界面在车辆轴载、温缩应力及动水圧的作用下界面不被破坏. 本文选用3种沥青作为黏结剂，分别为70#A级道路石油沥青、SBS I-D改性沥青及PC-3型乳化沥青，3种沥青主要技术指标试验结果分别见表1、表2、表3.

1.2 冷补料配合比设计

本文选用中粒式LB-16、细粒式LB-13（粗型）和细粒式LB-13（细型）三种冷补料展开研究. 粗集料为3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm（细型）、10～15 mm（粗型）石灰岩碎石，细集料为0～3 mm石灰岩机制砂，填料为石灰岩磨细的矿粉，三种冷补料最佳油石比及矿料级配设计结果见表4.

表1 70#A级道路石油沥青主要技术指标试验结果Tab.1 Test results of main technical indexes of 70#A road asphalt

表2 SBS I-D 改性沥青及普通橡胶沥青相关指标试验结果Tab.2 Test results of related indexes of SBS I-D modified asphalt and ordinary rubber asphalt

表3 PC-3型乳化沥青主要技术指标试验结果Tab.3 Test results of main technical indexes of PC-3 emulsified asphalt

表4 三种冷补料混合料矿料级配设计结果Tab.4 Aggregate gradation design results of three kinds of cold supplement mixture

1.3 热拌沥青混合料配合比设计

本文热拌沥青混合料选用的级配类型AC-13C，沥青选用上文SBS I-D改性沥青，其矿料级配设计结果见表5，最佳油石比及马歇尔试验结果见表6.

表5 AC-13C混合料矿料级配设计结果Tab.5 Gradation design results of AC-13C mineral mixture

表6 最佳油石比及马歇尔试验结果Tab.6 Optimum oil stone ratio and Marshall test results

2 冷补料路用性能

2.1 高温稳定性

高温稳定性是评价沥青路面在高温环境下抵抗车辆轴载塑性变形的能力，泛油、车辙、拥包等病害是高温稳定性差的主要表现形式. 沥青路面是一种柔性结构层，高温环境下，沥青黏韧性降低，在车辆轴载尤其是重轴载作用下会产生塑性变形而形成车辙［13-14］. 本文选用马歇尔稳定度及动稳定度试验来评价三种类型冷补料高温稳定性能，试验结果分别见图1、图2. 由图1可以得出：三种冷补料稳定度试验结果均满足规范不低于8 kN的要求，其中LB-13（粗型）稳定度试验结果最大，LB-16试验结果最小. 由图2可以得出：三种冷补料动稳定度试验结果均满足规范普通沥青混合料1～3区不低于1000 次/mm的要求，其中LB-13（粗型）动稳定度试验结果最大，表明LB-13（粗型）高温稳定性能最优.

图1 稳定度试验结果Fig.1 Stability test results

图2 动稳定度试验结果Fig.2 Dynamic stability test results

2.2 水稳定性

松散、坑槽等病害是沥青路面水稳定性差的主要表现形式. 夏季雨季、冬季雨雪天气会使沥青路面长期受到雨水与车辆轴载的共同作用，尤其受到长期冻融循环作用，降低沥青与矿料之间的黏附性，最终导致沥青胶浆从矿料间脱落形成轻微裂缝，这些轻微裂缝如果不能够及时处治就会恶化成块裂、龟裂以及坑槽等严重病害［15-16］. 本文选用浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验来评价三种类型冷补料抗水损害能力，试验结果分别见图3、图4. 可以看出：三种冷补料浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果均满足规范普通沥青混合料不低于80%、75%的要求，其中LB-13（粗型）试验结果均最大，表明LB-13（粗型）抗水损害性能最优.

图3 浸水马歇尔残留稳定度试验结果Fig.3 Test results of Marshall residual stability in water immersion

图4 冻融劈裂残留强度比试验结果Fig.4 Test results of freeze-thaw splitting residual strength ratio

2.3 低温抗裂性

北方季节性冰冻区，当沥青路面内部产生的温缩应力大于混合料间的极限容许拉应力时，会形成裂缝病害［17-18］. 本文选用低温抗弯拉强度及低温弯曲破坏应变试验来评价三种冷补料低温抗开裂能力，试验结果分别见图5、图6. 由图5可以得出：LB-13（粗型）抗弯拉强度试验结果最大，LB-16试验结果最小. 由图6可以得出：三种冷补料弯曲破坏应变试验结果均满足规范普通沥青混合料1-3区不小于2000 με的要求，其中LB-13（细型）试验结果最大，综合考虑，LB-13（细型）低温抗开裂能力最优.

图5 抗弯拉强度试验结果Fig.5 Test results of flexural tensile strength

图6 弯曲破坏应变试验结果Fig.6 Test results of bending failure strain

3 冷补料与旧路面间黏结性能

冷补料与旧路面之间的黏结特性关系到冷补料的使用寿命，二者之间黏结特性受到材料性能、外界环境和施工工艺等多种因素影响［19-20］. 选用斜剪试验来研究不同湿度、温度、界面粗糙程度、黏结剂种类及撒布量对冷补料与AC-13C混合料之间黏结性能的影响. 本次试验以试验未浸水、温度为25 ℃、不刻槽、PC-3型乳化沥青黏结剂及撒布量为0.3 kg/m2为基准试验条件，当分析其中一种因素时其他因素为基准试验条件.

不同温度、湿度条件时冷补料与AC-13混合料之间抗剪强度试验结果分别见图7、图8. 由图7可以得出：随着温度的升高，三种冷补料与AC-13C混合料之间的抗剪强度均逐渐降低，相同温度时LB-13（细型）抗剪强度最大，LB-16抗剪强度最小. 由图8可以得出：随着试件浸水时间的增加，三种冷补料与AC-13C混合料之间的抗剪强度均逐渐降低，相同浸水时间时LB-13（细型）抗剪强度最大，LB-16抗剪强度最小.

图7 温度与抗剪强度关系Fig.7 Relationship between temperature and shear strength

图8 湿度与抗剪强度关系Fig.8 Relationship between humidity and shear strength

不同黏结剂种类、黏结剂撒布量条件时冷补料与AC-13 混合料之间抗剪强度试验结果分别见图9、图10.由图9可以得出：黏结剂为PC-3型乳化沥青时，三种冷补料与AC-13C混合料之间的抗剪强度均最大，黏结剂为70#A 级道路石油沥青时，三种冷补料与AC-13C 混合料之间的抗剪强度均最小. 由图10 可以得出：随着PC-3 型乳化沥青黏结剂撒布量的增加，三种冷补料与AC-13C混合料之间的抗剪强度均呈现先升高后降低的趋势，其中当撒布量为0.3 kg/m2时，LB-13（细型）、LB-13（粗型）、LB-16 三种冷补料与AC-13C 混合料之间的抗剪强度均达到峰值，分别为0.671、0.611、0.586 MPa.