沥青路面大修养护工程改性沥青混合料原材料及性能实验研究

2021-09-10刘春霞

交通科技与管理 2021年12期

刘春霞

摘要：为解决某沥青路面项目试验段摊铺的沥青混合料渗水系数较大的问题，以及研究出各项性能优良的AC-13沥青混合料，本文依托某沥青路面大修养护工程，通过原材料实验与AC-13沥青混合料配合比设计，对三种合成级配在不同油石比条件下性能变化进行了系统研究。结果表明：合成级配1粗集料用量较多，级配偏粗，靠近上限;合成级配3细集料集料用量较多，级配偏细，靠近下限;合成级配2粗细集料用量均匀，级配较密。随着油石比的增加，马歇尔试件的孔隙率逐渐降低，沥青饱和度逐渐增加，分析其原因为沥青用量增加，裹覆在集料表面的沥青膜变厚，填充了混合料之间的孔隙。当油石比为5.2%，级配为合成级配2时，试件的稳定度以及动稳定度达到最大值，分别为12.53 kN和6 878次/mm，渗水系数达到最小值0 mL/min。

关键词：SBS改性沥青;沥青混合料;配合比设计;性能;实验研究

0 引言

近年国内对于沥青混凝土质量的改进方法大致有：通过掺加外加剂研究了性能优良的改性沥青配比设计，得出经薄层修补料处理过路面相对于原路面在平整度、构造深度、摩擦系数等方面均具有较大的改善与提高。第二种方法是普通木质素纤维+抗车辙剂能够明显提高沥青混合料的高温、低温与水稳定性，而新型木质素纤维能显著提高混合料的高温与低温性能，且提高幅度与普通木质素纤维+抗车辙剂接近。第三种方法是对混合料孔隙进行了研究，随着压实次数的增加，空隙数量呈现先增加后减少的趋势，并且大孔的平均空隙体积不断减小，中孔平均空隙体积不断增大;对于小孔和微孔，随着压实次数增加，空隙数量不断增加，平均空隙体积没有明显变化;空隙体积分布连续性随着干涉系数增加而降低。但目前的研究仅对改性沥青混合料的影响因素进行对比分析，并没有对原材料性能进行研究，也没有将研究成果应用于实际工程。

本研究通过测定SBS改性沥青混合料原材料的各种物理性能指标，对比分析不同级配不同配合比设计的沥青混合料各性能指标上的差异，进而确定沥青混合料的最佳配合比设计。以此研究出性能较好且抗渗的沥青混合料，解决某沥青路面项目前期摊铺的沥青混合料渗水系数较大的问题，并将研究成果应用于某沥青路面大修工程。

1 工程背景

某高速公路线路全长96.968公里，按双向4车道高速公路标准建设，路基宽24.50 m，设计行车速度80 km/h，路基宽度整体式24.5 m，分离式12.5 m，行车道宽2×（2×3.75）m，运营8年，经过检测，发现病害主要有：

纵横向裂缝，路面沉陷、翻浆、桥头跳车，麻面等主要病害。为保证行车安全，提高路面使用质量，本次养护设计方案主要根据PCI区间值来采取不同的施工方法，其中大修路段的60%采用铣刨重铺上面层的整治，部分超车道采用微表处整治方案。

2 原因分析

在试验段施工过程中发现AC-13沥青混合料渗水系数较大，平均值达到236 mL/min，最大值达到300 mL/min，远高于规范要求的50 mL/min，渗水严重不仅影响行车安全，路面易形成坑槽，对于路基的长期稳定也有较大的危害。初步分析为混合料配合比设计过程中，矿粉添加量较少，没有充分堵塞混合料内部孔隙，料场集料混放导致级配偏差，施工碾压温度，以及施工压实度不够等原因造成的。

针对这一问题开展原材料配合比设计，通过原材料实验与AC-13沥青混合料配合比设计.研究其在不同配合比设计条件下性能变化规律，分析总结出AC-13沥青混合料最佳配合比设计，从而达到指导现场生产与施工的目的。

3 原材料實验研究

3.1 SBS改性沥青实验研究

AC-13沥青混合料采用SBS改性沥青，SBS掺量为8%，各项指标检测结果见表1所示。

3.2 细集料实验研究

细集料采用0 mm～3 mm机制砂，技术指标检验结果见表2所示。

3.3 粗集料实验研究

粗集料采用玄武岩[7]，技术指标检测结果见表3所示。

3.4 矿粉实验研究

填料采用石灰岩矿粉，指标检验结果见表4所示。

3.5 玄武岩纤维实验研究

玄武岩纤维掺量为沥青混合料质量的3.5‰，指标检验结果见表5所示。

4 AC-13沥青混合料配合比设计

4.1 集料级配设计

本文研究AC-13沥青混合料级配粗集料采用5～10（mm），10～15（mm）两档玄武岩集料，细集料采用0 mm

～3 mm机制砂，掺加矿粉和3.5‰玄武岩纤维。研究通过确定各档集料所用比例，形成三种合成级配。各档集料及合成级配筛分结果见表6、图1所示。

通过表6、图1可知，三种合成级配均位于级配上下限控制范围内。合成级配1粗集料用量较多，级配偏粗，靠近上限;合成级配3细集料集料用量较多，级配偏细，靠近下限;合成级配2粗细集料用量均匀，级配较密。

4.2 AC-13沥青混合料配合比设计

对AC-13沥青混合料进行配合比设计，研究通过上述三种合成级配掺加4.7%、5.2%、5.7%三组不同油石比，相同的矿粉用量和木质纤维用量，制作马歇尔试件。研究不同油石比下，三种合成级配性能的差异，测定渗水系数，进而确定最佳合成级配以及最佳油石比。

不同油石比，不同合成级配制作的马歇尔试件性能指标见表7所示。

分析表7可知，随着油石比的增加，马歇尔试件的孔隙率逐渐降低，沥青饱和度逐渐增加，分析其原因为沥青用量增加，裹覆在集料表面的沥青膜变厚，填充了混合料之间的孔隙。稳定度以及动稳定度逐渐增加，但组合级配2呈现先增加后降低状态。分析得出当油石比为5.2%，级配为合成级配2时，试件的稳定度以及动稳定度达到最大值，分别为12.53 kN和6 878次/mm，渗水系数达到最小值0 mL/min。

4.3 AC-13沥青混合料性能影响分析

级配设计、油石比、矿物掺合料种类对AC-13沥青混合料性能有着显著影响，本文研究的三组合成级配、油石比对AC-13沥青混合料孔隙率、沥青饱和度、稳定度、流值、动稳定度、渗水系数影响规律见下图所示。

对比分析图2～图7可知，相同油石比条件下，合成级配2的孔隙率最低，合成级配1和合成级配3的孔隙率略高于合成级配2;随着油石比的增加，孔隙率下降明显，最后趋于平缓。合成级配1、2、3在油石比相同时，沥青饱和度大致相同，但合成级配2略大;随着油石比逐渐增加时，沥青饱和度呈跳跃式增长，然后趋于平缓。

分析图4可知，相同油石比条件下，合成级配1、3的稳定度呈降低趋势，合成级配2的稳定度先增加后降低，最大值为12.53 kN，明显高于其他两组合成级配。分析图5可知，当油石比为4.7%和5.2%时，合成级配3的稳定度最大，合成级配1次之，合成级配2的稳定度最小，最小值为23.47 mm。当油石比为5.7%时，合成级配1、2、3的流值逐渐增加。分析图6可知，相同油石比条件下，合成级配1、2、3的动稳定度先增加后降低，合成级配2的动稳定度最大，合成级配1最小。当油石比为5.2%时，合成级配2的动稳定度达到最大为6 878次/mm。分析图7可知，相同油石比条件下，合成级配1、2、3的渗水系数先降低后增加，当油石比为5.2%时，合成级配2的渗水系数为0 mL/min。

综合以上分析可知，当油石比为5.2%，合成级配2的稳定度为12.53 kN，动稳定度为6 878次/mm，渗水系数为0 mL/min，各项性能指标达到最优状态，在后续施工中推荐使用该种配合比设计。

5 AC-13罩面层施工

某沥青路面AC-13上面层采用本文研究的油石比5.2%，合成级配2指导施工，现场摊铺采用2台摊铺机分段施工，摊铺速度为3 m/min。现场碾压采用2台钢轮压路机前静后振2遍初压，2台钢轮压路机前振后振5遍复压，1台钢轮压路机静压2遍终压，整个施工过程中取得了较好的效果，摊铺前期路面渗水问题得到解决，研究成果有效支撑了路面施工技术，为后续路面大修养护提供了技术储备。

6 结论

通过实验研究分析，AC-13沥青混合料在实际生产过程中取得了较好的效果，解决了路面病害等问题，提高了行车安全性，具体研究结论如下：

（1）合成级配1粗集料用量较多，级配偏粗，靠近上限;合成级配3细集料集料用量较多，级配偏细，靠近下限;合成级配2粗细集料用量均匀，级配较密。

（2）随着油石比的增加，马歇尔试件的孔隙率逐渐降低，沥青饱和度逐渐增加，分析其原因为沥青用量增加，裹覆在集料表面的瀝青膜变厚，填充了混合料之间的孔隙。

（3）当油石比为5.2%，级配为合成级配2时，试件的稳定度以及动稳定度达到最大值，分别为12.53 kN和6 878次/mm，渗水系数达到最小值0 mL/min。

（4）研究取得的成果能有效抑制早期病害的发生，延长道路路面的服役年限，节约道路后期维修养护成本，为后续道路养护提供技术储备和技术支撑。

参考文献：

[1]杨三强，黄士周.聚合物改性沥青薄层修补料路用性能及力学性能试验研究[J].中外公路，2019，39（2）：236-239.

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[3]谭忆秋，邢超，任俊达，等.基于颗粒堆积理论的沥青混合料细观结构特性研究[J].中国公路学报，2017，30（7）：1-8.

[4]张业茂，胡光伟，陈小周.温拌AC沥青混合料与热拌AC沥青混合料路用性能的对比分析[J].中外公路，2012，32（1）：257-260.