高模量沥青混合料综合性能评价试验研究
2022-01-18梁波
梁 波
(苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 211112)
1 概述
沥青路面在高温时产生车辙是目前常见的病害类型,严重车辙病害会影响行车安全和舒适性。车辙病害不仅发生在表面层,同时出现在中下面层,造成车辙维修比较困难。通常车辙维修需要铣刨重铺面层,不仅影响交通,而且维修费用较高。针对车辙病害最常用的是采用高模量沥青提高高温抗车辙性能。国内外高模量沥青常用外掺剂提高模量性能,但仅能提高某一方面性能,难以兼顾其他指标。法国高模量沥青从疲劳性能、水损害和车辙综合考虑高模量沥青混合料。通过15 ℃动态模量指标满足14 000 MPa来选择高模量沥青混合料。而欧洲在定义高模量沥青混合料时仅采用了20 ℃劲度模量指标。但这对高模量沥青的选择有一定局限性。由于高模量沥青主要用于高温抗车辙路段,而20 ℃劲度模量指标对高温抗车辙性能评价是失效的。
因此对高模量沥青混合料的选择应采用多种指标综合评价,才能得到有效评价结果。本文针对常用的几种沥青混合料,综合各项评价指标,并结合橡胶沥青混合料试验段路用性能评价结果,选择指标优异的高模量沥青混合料。
2 模量性能试验
2.1 动态模量试验
根据AASHTO(TP-62)要求[1-5],对沥青混合料不同温度下模量采用动态模量试验。动态模量试验采用Superpave简单性能试验机(SPT)测定。试件采用旋转压实成型,每组试件成型21个试件。试验温度为4 ℃,15 ℃和40 ℃三组数据,分别在7组不同频率下测试试件不同温度的动态模量。试验结果如图1~图3所示。
根据试验数据分析,动态模量与温度成负相关,与频率成正相关。SBS改性沥青(掺PR.M)、复合改性岩沥青和橡胶沥青的15 ℃,10 Hz动态模量接近,且均高于规范要求(≥14 000 MPa),具有较高的动态模量。
2.2 劲度模量试验
劲度模量间接拉伸试验采用诺定汉多功能材料试验仪[6-9]。试件采用旋转压实仪成型。一组试验包含试件3个~6个,加载周期为(3+0.1) s。试验温度为15 ℃,20 ℃,40 ℃。三种混合料不同温度下劲度模量试验结果如图4所示。
根据图4试验结果,劲度模量随温度升高而减低,三种混合料下降速率不同。不同温度下,橡胶沥青劲度模量均略高于岩沥青。在20 ℃和40 ℃时SBS改性沥青(掺PR.M)均略高于其他两种混合料。三种沥青混合料均具有较高的劲度模量。
2.3 抗压回弹模量试验
回弹模量试验试件通过旋转压实成型[10-12]。试件尺寸为φ100 mm×100 mm,混合料类型为AC-20。试验温度分别为15 ℃和20 ℃。沥青混凝土试件的抗压强度按式(1)计算。
(1)
其中,Rc为试件的抗压强度,MPa;P为试件破坏时的最大荷载,N;d为试件直径,mm。
(2)
其中,E′为抗压回弹模量,MPa;q5为第5级荷载(0.5P)时荷载压强,MPa;h为试件轴心高度,mm;ΔL5为第5级荷载(0.5P)时经原点修正后回弹变形(mm)。
不同温度下三种混合料抗压强度试验结果见表1。
表1 抗压回弹模量试验结果 MPa
由表1试验结果可知,随温度升高,抗压强度和回弹模量逐渐降低。岩沥青抗压回弹模量优于橡胶沥青,且两种混合料均优于SBS改性(掺PR.M)混合料。
3 抗疲劳性能试验
抗疲劳性能反映了路面抵抗车辆荷载反复作用的能力,可以很好的反映沥青混和料路用性能[13-16]。本节分别成型三种混合料的疲劳试验梁试件。试验温度选择为15 ℃。选择控制应变加载方式进行试验,其中微应变为600 με。试验结果如表2所示。
表2 疲劳试验结果 次
从试验结果可知:橡胶沥青具有优异的抗疲劳性能,远大于岩沥青和SBS改性(掺PR.M)混合料。岩沥青混合料抗疲劳性能与SBS改性(掺PR.M)接近。
4 高温性能试验
高温性能试验反映沥青混合料抗车辙性能。本文采用车辙试验动稳定度结果评价高温性能。试验结果见表3。
表3 动稳定度试验结果 次/mm
通过高温试验可知:三种混合料动稳定度远大于规范要求,表现了优良的高温抗车辙能力,均超过SBS改性沥青混合料。SBS改性掺PR.M后高温性能有了极大的提高,远大于未掺添加剂的SBS改性混合料。
5 综合性评价
结合国内外研究现状,综合评价高模量沥青混合料性能。根据模量性能试验结果,优化各项技术指标,综合评价三种沥青混合料性能指标。主要采用15 ℃和40 ℃动态模量指标、20 ℃和40 ℃劲度模量指标、疲劳寿命、高温动稳定度指标综合评价三种沥青混合料。试验结果见表4。
表4 综合性能指标
综合性能指标评价表明,岩沥青和橡胶沥青均满足高模量沥青技术要求,可用于抗车辙路段。岩沥青和橡胶沥青动态模量及劲度模量接近。但橡胶沥青混合料疲劳寿命远大于其他混合料,具有优异的抗车辙性能。SBS改性(掺PR.M)动态模量和劲度模量均不满足要求。
6 试验段分析
与SBS改性沥青混合料相比,橡胶沥青和岩沥青均具有较高的抗车辙性能和模量性能。针对高模量沥青抗车辙混合料最重要的指标为疲劳寿命,而橡胶沥青表现出优异的抗疲劳性能,因此本文选择橡胶沥青混合料作为试验段进行分析。
6.1 生产配合比
依据生产配合比结果以及匝道试铺施工、检测情况,进行了橡胶沥青AC-20混合料级配优化设计。合成级配如表5所示,混合料体积指标如表6所示。
表5 合成级配范围
表6 生产配合比沥青混合料体积性质
橡胶沥青混合料室内试验数据均满足要求,试验段铺筑后,路面外观均匀密实。
6.2 拌和工艺
橡胶沥青混合料的拌和温度与其他混合料相比,在沥青和集料的加热温度以及沥青混合料的出厂温度有所区别,橡胶沥青混合料的施工温度控制范围见表7。
表7 橡胶沥青混合料施工温度 ℃
6.3 马歇尔试验
对试铺段沥青混合料进行马歇尔试验,计算理论最大相对密度为2.485。试验结果表明,沥青混合料的各指标均满足技术要求,具体试验结果如表8所示。
表8 试验段马歇尔体积指标
6.4 抽提试验
沥青混合料抽提试验结果如表9所示。从抽提结果看,试验段沥青混合料级配和油石比均满足控制范围要求。
表9 试验段抽提试验结果
6.5 现场检测试验结果
本次针对试验段采用随机抽检的方式进行,对试验段路面取芯10个,并对路面进行渗水试验检测。芯样位置及现场描述、芯样高度、压实度及渗水试验情况如表10,表11所示。
表10 路面渗水试验结果
表11 路面芯样高度及压实度
压实度检测数据表明,芯样厚度满足要求,厚度代表值满足要求。按室内成型的马氏毛体积相对密度计算,压实度满足要求。按最大理论相对密度计算值计算,压实度均满足要求。压实度代表值均满足要求。
6.6 室内性能试验
对现场取样混合料进行模量性能试验研究,结果如表12所示。从混合料模量检测数据表明,橡胶沥青混合料的模量指标满足相应的技术标准。
表12 混合料模量试验结果 MPa
7 结语
1)动态模量与温度成负相关,与频率成正相关。SBS改性沥青(掺PR.M)、复合改性岩沥青和橡胶沥青动态模量接近,且均高于规范要求,具有较高的动态模量。随温度升高,抗压强度和回弹模量逐渐降低。岩沥青抗压回弹模量优于橡胶沥青,且两种混合料均优于SBS改性(掺PR.M)混合料。
2)橡胶沥青具有优异的抗疲劳性能,远大于岩沥青和SBS改性(掺PR.M)混合料。岩沥青混合料抗疲劳性能与SBS改性(掺PR.M)接近。三种混合料动稳定度远大于规范要求,表现了优良的高温抗车辙能力,均超过SBS改性沥青混合料。SBS改性掺PR.M后高温性能有了极大的提高,远大于未掺添加剂的SBS改性混合料。
3)岩沥青和橡胶沥青均满足高模量沥青技术要求,可用于抗车辙路段。同时橡胶沥青混合料疲劳寿命远大于其他混合料,具有优异的抗车辙性能。橡胶沥青混合料试验段各项指标均满足技术要求。