温拌沥青混合料薄层罩面路用性能研究

2022-08-09魏婷婷郭志坚李文凯

公路与汽运 2022年3期

魏婷婷，郭志坚，李文凯

(1.河南中州路桥建设有限公司，河南周口 466000; 2.中国河南国际合作集团有限公司，河南郑州 450004；3.河南交院工程技术集团有限公司，河南郑州 450046)

预防性养护技术主要包括表面封层及罩面两大类，其中薄层罩面技术符合中国可持续发展战略要求，具有很好的社会经济效益。但工程应用中发现薄层罩面因结构层厚度较薄、热拌混合料摊铺中内部热量散失太快，碾压不密实，严重影响工程质量。温拌技术能降低沥青路面的施工温度，将温拌剂掺入混合料中能降低沥青黏度，有效解决薄层罩面技术温度散失快的问题，同时减少能源消耗。左锋等分析了温拌、热拌混合料的性能及工程应用效果差异，指出温拌技术的优点及不足。秦永春等对温拌沥青路面施工中的环境效益进行研究，得出温拌剂的使用能大幅度减少CO2、SO2等有毒有害气体排放，与传统工艺相比节约能耗20%～30%。郭平等对不同配合比设计方法进行研究，发现温拌混合料宜选用旋转压实法，马歇尔试件毛体积相对密度峰值时的击实温度为最佳碾压温度。王朝辉等研究发现Sasobit、Aspha-min、Evotherm、EC120 4种温拌混合料的施工温度均能降低30 ℃。该文选用Sasobit、Evotherm、SMA-10温拌剂进行温拌薄层罩面技术研究，对采用温拌剂推荐掺量的3种混合料进行路用性能研究，为温拌沥青混合料薄层罩面技术应用提供理论基础。

1 原材料

1.1 温拌剂

选用德国Sasd WAX公司生产的Sasobit、美国Mead-Westvaco公司生产的Evotherm温拌剂，其外观见图1，基础指标试验结果见表1、表2。

图1 2种温拌剂的外观

表1 Sasobit温拌剂的基础指标试验结果

表2 Evotherm温拌剂基础指标试验结果

1.2 沥青

沥青种类及质量对沥青路面使用性能起着决定性作用。选用SBS I-D聚合物改性沥青，其主要技术指标见表3。

表3 SBS I-D聚合物改性沥青的主要技术指标

2 温拌沥青试验

2.1 温拌沥青制备

将SBS I-D聚合物改性沥青加热到160 ℃至完全融化，然后将不同掺量的温拌剂加入沥青中，选用适宜的搅拌器进行搅拌，制得温拌改性沥青。2种温拌剂的状态存在差异，在制作温拌沥青的工艺上也有所不同。Sasobit为固体颗粒状，需分批加入并低速搅拌，无明显白色固体漂浮颗粒时以1 400 r/min的转速搅拌20 min；Evotherm为液体且有一定的水分，高温加入时会产生气泡，SBS沥青表面无明显气泡时再将转速提高到700 r/min 搅拌15 min。根据厂家建议，Sasobit的掺量(占沥青质量)宜为0、1%、2%、3%、4%，Evotherm的掺量(占沥青质量)宜为 0、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。

2.2 针入度

采用针入度表征沥青黏度，一定温度条件下针入度越大，沥青黏度越大，反之越小。不同Sasobit、Evotherm掺量时SBS沥青的25 ℃针入度试验结果见表4。

表4 不同温拌剂掺量时SBS沥青的25 ℃针入度

由表4可知：随着Sasobit、Evotherm掺量的增加，SBS沥青的针入度降低，其中Sasobit温拌沥青的降幅较大，但均满足不低于4 mm的要求。

2.3 软化点

沥青软化点能间接评价沥青路面的高温抗车辙能力，软化点越高，沥青路面高温环境下抵抗车辆轴载塑性变形的能力越强，对应的高温性能越好，反之越差。不同Sasobit、Evotherm掺量时SBS沥青的软化点试验结果见表5。

表5 不同温拌剂掺量时SBS沥青的软化点

由表5可知：随着Sasobit、Evotherm掺量的增加，SBS沥青的软化点升高，但增幅逐渐降低，表明2种温拌剂的掺入能改性SBS沥青的高温稳定性；在厂家建议掺量范围内，Sasobit对沥青软化点的改善效果优于Evotherm。

2.4 延度

裂缝是沥青路面常见病害。温度降低，结构层内部容许拉应力小于温缩应力时，结构层就会出现开裂。沥青低温延度决定沥青路面的低温抗开裂能力，低温延度越小，沥青路面抵抗塑性变形的能力越小，反之越大。不同Sasobit、Evotherm掺量时SBS沥青的5 ℃延度试验结果见表6。

表6 不同温拌剂掺量时SBS沥青的5 ℃延度

由表6可知：随着Sasobit、Evotherm掺量的增加，SBS沥青的5 ℃延度降低，表明2种温拌剂的掺入对SBS沥青的低温性能产生了不利影响；在厂家建议掺量范围内，掺入Sasobit时沥青延度的降幅高于掺加Evotherm，且Sasobit掺量为4%时，SBS沥青的延度低于20 cm，不满足规范要求。

2.5 黏度

黏度能表征沥青混合料的黏结性能，反映沥青路面抵抗车辆塑性变形的能力。相同温度下，黏度越大，沥青与骨料之间的黏结强度越高，沥青路面耐久性越好。通过沥青旋转黏度试验对不同Sasobit、Evotherm掺量时SBS沥青的135 ℃、175 ℃黏度进行分析，结果见表7。

表7 不同温拌剂掺量时SBS沥青的黏度

由表7可知：相同Sasobit、Evotherm掺量时，SBS沥青的黏度随着试验温度的升高显著降低；相同试验温度下，随着Sasobit、Evotherm掺量的增加，SBS沥青的黏度降低，但降幅逐渐减小，且Sasobit、Evotherm掺量分别超过3%、0.7% 时，黏度已无明显下降趋势。

在沥青混合料配合比设计中，道路石油沥青以黏度为(0.17±0.02) Pa·s时的温度作为拌合温度，以黏度为(0.28±0.03 ) Pa·s时的温度作为压实成型温度。SBS I-D聚合物改性沥青的拌合及压实成型温度均显著大于道路石油沥青，根据黏度-温度曲线关系，推荐SMA-10+SBS、SMA-10+3%Sasobit、SMA-10+0.7%Evotherm 混合料采用表8所示施工温度。

表8 沥青混合料的施工温度

3 路用性能

3.1 配合比设计

沥青路面薄层罩面结构主要包括连续级配、开级配及间断级配3种，选用SMA-10间断级配类型开展温拌混合料薄层罩面技术研究。粗骨料采用5～10 mm、3～5 mm玄武岩碎石，细骨料采用0～3 mm玄武岩机制砂，填料为石灰岩磨细的矿粉，其主要技术指标均满足JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》的要求。木质素纤维掺量为0.4%(占混合料质量)。由于9.5 mm、4.75 mm筛孔之间间隔较大，增加7.5 mm筛孔。矿料级配设计结果见表9。SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的马歇尔及最佳油石比试验结果见表10。

表9 矿料级配设计结果

表10 沥青混合料马歇尔及最佳油石比试验结果

3.2 高温稳定性

沥青路面是一种柔性结构层，对温度较敏感。夏季高温天气，沥青路面内部温度往往高于60 ℃甚至超过70 ℃，在车辆轴载尤其是重轴载作用下，沥青路面会因塑性变形增强、弹性变形降低而出现车辙、拥包等病害。车辙、拥包等病害的出现是沥青路面高温抗车辙能力差的主要表现。分别在60 ℃、70 ℃温度下对SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit(简称Sa,下同)、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm(简称Ev,下同)混合料进行车辙试验，评价其高温抗车辙能力，试验结果见图2。

图2 沥青混合料车辙试验结果

由图2可知：试验温度为60 ℃、70 ℃ 时，3种混合料的动稳定度均满足1-3区改性沥青混合料动稳定度不低于2 800 次/mm的要求；相同试验温度时，SMA-10+3%Sasobit混合料的动稳定度最大，SMA-10+SBS混合料的动稳定度最小；随着温度的升高，3种混合料的动稳定度均降低，SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的降低幅度分别为34.9%、21.1%、26.3%。3种混合料均具有良好的高温抗车辙能力，其中SMA-10+SBS+3%Sasobit混合料的高温性能最优。

3.3 水稳定性

随着沥青路面使用年限的增加，在车辆轴载、温缩应力、雨水冲刷及紫外线等综合因素作用下，沥青逐渐老化，沥青与骨料之间的黏附性逐渐降低，沥青胶浆极易在外力作用下从骨料之间剥落，产生松散、坑槽等病害。松散、坑槽等病害的出现是沥青路面水稳定性差的主要表现。通过浸水马歇尔及冻融劈裂试验评价3种混合料的抗水损害能力，试验结果见图3、图4。

由图3、图4可知：3种混合料的浸水马歇尔残留稳定度满足1-3区改性沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度不低于85%的要求，冻融劈裂残留强度比满足1-3区改性沥青混合料冻融劈裂残留强度比不低于80%的要求；与SMA-10+SBS相比，SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm的浸水马歇尔残留稳定度分别提高3.5%、2.1%，冻融劈裂残留强度比分别提高6.7%、4.3%。表明Sasobi、Evotherm温拌剂的掺入均能改善混合料的水稳定性能，其中SMA-10+SBS+3%Sasobit混合料的水稳定性能最优。

图3 沥青混合料浸水马歇尔试验结果

图4 沥青混合料冻融劈裂试验结果

3.4 低温抗裂性

低温环境下，沥青变得硬而脆，沥青路面极易在温缩应力作用下产生轻微开裂，这些裂缝如不加以处治就会恶化成块状裂缝甚至龟裂等严重病害。通过-10 ℃低温小梁弯曲试验评价3种混合料的低温抗开裂能力，试验结果见图5。

由图5可知：3种混合料的最大弯拉应变均满足1-3区改性沥青混合料最大弯拉应变不低于2 500 με的要求； SMA-10+SBS的最大弯拉应变最大，SMA-10+SBS+3%Sasobit的最大弯拉应变最小，与SBS、SBS+3%Sasobit、SBS+0.7%Evotherm 沥青5 ℃低温延度试验结果相吻合。表明Sasobit、Evotherm 温拌剂的掺入会降低混合料的低温抗开裂能力，但降幅不大。

图5 沥青混合料小梁弯曲试验结果

3.5 疲劳性能

沥青路面在运营期间会长期受到车辆轴载的作用，结构层内部长期处在应力、应变变化环境中，当车辆轴载过大或作用次数过多时，沥青路面会因疲劳破坏而产生裂缝。采用UTM-25疲劳试验机分析混合料的抗疲劳性能。制作长380 mm×高50 mm×宽63 mm小梁试件，在不同应力比时对3种混合料进行疲劳试验，结果见图6。

图6 沥青混合料疲劳试验结果

由图9可知：随着应力比的增大，SMA-10+SBS、SMA-10+SBS+3%Sasobit、SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的疲劳次数均降低，但降幅逐渐减小；相同应力比时，SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的疲劳次数最大，SMA-10+SBS混合料的疲劳次数最小。表明Sasobit、Evotherm 温拌剂的掺入会显著改善混合料的抗疲劳性能，其中SMA-10+SBS+0.7%Evotherm混合料的抗疲劳性能最好。