半柔性沥青混合料高温抗车辙性能研究

2021-09-26谭建军龚明辉丁千宁熊子佳吴文超

公路工程 2021年4期

谭建军，邓松，龚明辉，丁千宁，熊子佳，吴文超

(1.南京市城市道路管理中心，江苏南京 210016;2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 210016; 3.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 210016)

0 引言

随着市政道路交通量逐渐增大，重载交通增多，在役沥青路面的车辙病害问题日渐突显。车辙是指在交通荷载的反复作用下，沥青混合料由于抗剪性能不足而产生塑性流动的病害。环境和荷载是路面产生车辙的外部因素，混合料的沥青性能、路面结构、骨料级配等因素是影响路面抗车辙性能的内部因素。车辙病害不仅影响行车的舒适性与安全性，还会减弱路面结构的整体强度。

为解决以上问题，近年来多名作者对沥青路面高温抗车辙性能展开研究。黄晓明等[1]采用环道试验建立了车辙预估模型，并提出沥青混合料配合比设计要同时兼顾材料的抗车辙能力与抗剪切流动特性。张登良等[2]发现高温下沥青混合料的变形与时间和温度具有相关性，变形速率随荷载作用时间增长而递减，同时沥青混合料的级配对其高温抗变形能力有一定影响，开级配优于密级配，但粗粒料过多不利于高温性能的提高。郝培文等[3]考察了4种AC16型级配和1种OGFC级配沥青混合料的抗车辙性能，结果表明同粒径级配中粗颗粒骨料占比高可提高抗车辙能力。张争奇等[4]探究了沥青胶浆对沥青混合料高温性能的影响，结果表明粉胶比对沥青高温性能影响较明显。苏凯等[5]分析了形成车辙的影响因素，认为车辙主要是由沥青混凝土的剪切流动变形造成，通常发生在表面以下10 cm范围内，路面结构与材料类型都对抗车辙性能有影响。Lv等[6]使用26种不同沥青混合料在50 ℃条件下进行汉堡车辙试验(HWT)，发现油石比过大或过小都会造成车辙深度加大，且4.75 mm筛孔的通过率从20%增加到35%时,车辙明显加深；当通过率大于41%时，混合料出现了离析；13.2～9.5 mm集料组成的骨架优于9.5～4.75 mm集料组成的骨架。曾钢[7]研究了冷拌半柔性路面的路用性能，结果表明其高温抗车辙性能及抗水损害性能较好。

研究多集中于对传统沥青混合料高温抗车辙性能的表征和分析，但半柔性路面作为一种新型的路面结构，其大空隙沥青混合料基体在高温时能否与刚性的浆料协同保持结构稳定，却少有研究。基于半柔性路面材料特殊的骨架结构，采用不同方法与传统沥青混合料高温稳定性能进行对比的研究，也鲜有报道。因此，本文对比分析了SFP13半柔性沥青混合料与3种常见抗车辙型路面材料(AC20、Sup20、SMA13)的高温性能。通过采用车辙试验、动态模量试验、单轴贯入试验和斜剪试验表征不同抗车辙型路面材料抵抗高温变形的能力，为市政道路抗车辙路面组成设计提供依据。

1 原材料与级配

1.1 原材料

1.1.1基质沥青

采用70#重交沥青，其性能指标均满足规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[8]的要求。具体指标见表1。

表1 70#重交沥青性能指标类别针入度(25℃)/0.1 mm延度(15℃)/cm软化点/℃薄膜烘箱试验(163 ℃/5 h)质量变化/%针入度比/%试验结果6553.648.1<0.960测试方法T0604-2011T0605-2011T0606-2011T0610-2011T0610-2011

1.1.2SBS沥青

采用SBS沥青，其性能指标均满足规程[8]的要求。具体指标见表2。

表2 SBS沥青性能指标类别针入度(25 ℃)/0.1 mm延度(5 ℃)/cm软化点/℃薄膜烘箱试验(163℃/5h)质量变化/%针入度比/%试验结果6225.454.1<168测试方法T0604-2011T0605-2011T0606-2011T0610-2011T0610-2011

1.1.3集料

所采用粗集料为玄武岩，细集料和矿粉为石灰岩，其基本指标按《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[9]进行测试，检测结果表明集料与矿粉的性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[10]的要求。

1.2 级配

采用的沥青混合料级配如表3所示。不同级配混合料沥青与改性剂类型、掺量见表4所示。

表3 沥青混合料级配表混合料类型筛孔(mm)通过率 / %26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC2010094.387.777.763.037.823.017.514.411.18.04.7Sup2010097.590.882.469.444.226.416.412.17.95.84.7SMA13——100.090.063.629.920.417.816.314.713.211.5SFP13——100.077.016.38.07.36.35.75.14.53.8

表4 不同级配混合料沥青与改性剂类型、掺量表混合料类型沥青类型油石比/%改性剂类型及掺量(占沥青混合料总质量)/%AC2070#4.2抗车辙剂0.3Sup20SBS4.3—SMA13SBS5.5木质素纤维0.3SFP13SBS3.5—

其中，SFP13为半柔性路面材料大空隙沥青混合料基体，成型后需灌入专用的水泥基灌浆料(JGM-301)。

2 试验结果与分析

2.1 车辙试验

车辙试验直接模拟了路面真实的车轮荷载作用，可有效地反映沥青混合料抵抗塑性变形的能力。因此本文采用室内车辙试验评定不同混合料的高温稳定性，试验温度为60 ℃和70 ℃，轮压为0.7 MPa，车辙板尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，橡胶轮碾压速度为(42±1)次/min。测试结果如表5和表6所示。

表5 60 ℃不同沥青混合料动稳定度值混合料类型车辙深度/mm45 min60 min动稳定度(次·mm-1)AC201.2151.37 412 Sup200.8931.0035 727 SMA131.0151.1146 364 SFP130.2230.23552 500

表6 70 ℃不同沥青混合料动稳定度值混合料类型车辙深度/mm45 min60 min动稳定度(次·mm-1)AC201.5521.6735 207 Sup201.4861.6144 922 SMA131.5451.6824 599 SFP130.2540.27137 059

由表5和表6可知，不同级配沥青混合料在60 ℃时动稳定度大小排序为：SFP13>AC20>SMA13>Sup20；在70 ℃时动稳定度大小排序为：SFP13>AC20>Sup20>SMA13。与普通的柔性沥青混合料相比，SFP13高温动稳定度值明显较大，主要原因是在大空隙中灌入水泥基刚性材料后，SFP13兼具刚性和柔性，在高温条件下固化的水泥基材料形成骨架结构限制了沥青基体的流动，因此其车辙深度较小，动稳定度较大，且SFP13受温度变化影响的动稳定度降低比例较小。

AC20动稳定度值仅次于SFP13，这主要是因为AC20中加入了抗车辙改性剂材料。抗车辙剂为橡塑高分子聚合物，通过直投法加入到沥青混合料中后，在沥青混合料中产生嵌挤、加筋和增韧作用，从而增强了沥青混合料的高温稳定性。

在温度为60 ℃时，SMA13的动稳定度稍大于Sup20,温度为70 ℃时，SMA13的动稳定度稍小于Sup20。从动稳定度降低比例上看(见图1)，SMA13高于Sup20，其原因可能是在60 ℃时SMA13中的纤维和SBS沥青相互作用，加之骨料嵌挤形成较大的抗剪强度，但当温度升高到70℃时，沥青与纤维流动性大幅增加，导致动稳定度降低幅度较大。

图1 不同级配沥青混合料70 ℃时动稳定度降低比例

2.2 动态模量

沥青混合料是一种较为典型的黏弹性材料，兼具弹性和黏性，尤其在高温荷载条件下，其变形特性更为复杂。沥青混合料中，沥青主要起黏结作用，是一种高分子非晶混合料，在荷载作用下变形特性具有时间、温度依赖性；形成骨架的矿料能发生转动和位移。因此，沥青混合料的变形由瞬时弹性变形、黏弹性变形和黏流动变形组成。描述材料黏弹性性质的基本参数包括动态模量、蠕变柔量和松弛模量等。其中动态模量因测试方法简单应用较为广泛，规范也将其列为路面设计指标之一。本文使用通用UTM-30测试不同材料的动态模量，测试温度为45 ℃，加载方式为半正弦波动态加载。试验结果如图2所示。

本系统数据采集以及插深控制单元包括微处理器、电源转换电路、A/D转换器、电机控制电路以及电平转换电路。数据采集及插深控制单元原理框图，如图4所示。

图2 不同级配沥青混合料动态模量曲线

由图2可知，在45 ℃条件下，当频率大于5 Hz时，4种材料的动态模量有较明显的差异；而当频率小于5 Hz时，柔性沥青混合料(AC20、Sup20、SMA13)的动态模量数值相差不大，这是因为在低频加载条件下，黏弹性的沥青混合料材料受荷载作用产生变形的时间效应并无太明显差别。在全频率下半柔性材料SFP13的弹性模量明显较高，结合车辙试验可知，在高温时SFP13材料的变形较小，不容易产生流动变形。沥青混合料的动态模量SMA13>Sup20>AC20，说明在动态轴向压力作用下，SMA13的骨架作用能较好地分散荷载，具有较好的抵抗变形能力，Sup20较次之。而AC20为悬浮密实结构，动态模量最小。因此，动态模量与材料骨架结构有较大的相关性。半柔型材料SFP具有较大的动态模量，嵌挤型的混合料动态模量稍大于悬浮密实型材料。

2.3 单轴贯入试验

我国的路面基层材料一般为半刚性材料，不易产生变形,车辙主要是由于面层沥青混合料发生流动变形而产生。研究表明，面层沥青混合料抗剪强度低是出现车辙病害的本质原因，因此，材料的抗剪强度对于评价材料的抗车辙性能十分重要。本文采用单轴贯入试验对不同类型的沥青混合料抗车辙性能进行研究。计算公式如式(1)和式(2)所示：

Rt=fTσp

(1)

式中，Rt为强度，MPa；σp为应力，MPa；fT为贯入应力系数，直径150 mm试件fT=0.35；直径100 mm试件fT=0.34。

(2)

式中，P为试件破坏时的极限荷载，N；A为压头横截面面积，mm2。

试验结果如图3和图4所示。

图3 不同级配混合料贯入应力变形曲线

图4 不同级配混合料贯入强度值

由图3和图4可知，贯入应力和贯入强度的大小规律一致，均为SFP13>SMA13>Sup20>AC20。单轴贯入试验通常用来检验级配的合理性。SFP13的贯入强度值较大，是由于SFP中的沥青骨架与水泥基材料形成的骨架相互嵌锁，在荷载作用下双网络骨架结构能有效抵抗剪应力的作用。SMA13为间断嵌挤型级配，也具有较好的抗剪能力，但由于其油石比较高，且空隙率较大，从应力-变形曲线可以看出，在高温荷载条件下发生较明显的位移，即存在一个压密阶段。而其他3种混合料则没有压密阶段，直接进入了剪切荷载加载阶段。

2.4 斜剪试验

斜面剪切试验的加载荷载从正应力和剪应力2个方向作用于沥青混合料，符合车辆对路面剪切破坏的实际应力状态[8]。根据《公路工程石料试验规程》(JTJ 054—94)，最大抗剪强度计算公式如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

式中，σn为试件剪切面上的正应力，MPa；τn为试件剪切面上的剪应力，MPa；P为加载荷载，N；A为试件抗剪切面积，取5 000 mm2；α为剪切角度，45°；f为滚轴滚动摩擦系数，取0.003。

60 ℃条件下不同级配材料的抗剪能力如图5和图6所示。

由图5和图6可知，破坏荷载与正应力、剪应力的趋势基本一致。当破坏荷载大时，正应力与剪应力也相应较大。由计算结果可知，SFP13的强度较大，SMA13次之，AC20与Sup20的破坏应力相当，说明破坏应力与级配也有较大的相关性。SFP13双网络结构材料具有较好的抵抗剪切能力，其次是嵌挤型级配，如SMA13与Sup20。加了抗车辙剂的AC20抗剪效果与Sup20基本相当。