抗车辙沥青混合料技术经济评价*

2023-10-27杨晚生王振刘群艳许祥云

公路与汽运 2023年5期

杨晚生, 王振, 刘群艳, 许祥云

(1.江西宜春市政交通建设有限公司, 江西宜春 336000;2.江西省宜春市公路事业发展中心, 江西宜春 336000)

江西省高安市作为中国建筑陶瓷产业基地,货运量大。该地区夏季高温,国、省干线公路车辙问题突出。采用70#、50#沥青等修筑的沥青路面,在重载、高温和渠化交通作用下容易产生车辙病害[1-2]。通常采用改性沥青或在沥青混合料中掺加抗车辙剂、高模量剂等提高沥青路面的抗车辙能力,近年来也采用低标号(50#以下)沥青生产的混合料来抵抗路面车辙病害[3-4]。成高立等认为掺加抗车辙剂可提高沥青混合料的高温稳定性[5]。张争奇等通过试验分析多种抗车辙剂对沥青混合料高温稳定性的影响,结果表明掺加抗车辙剂能显著改善沥青混合料的高温稳定性[6]。苗祺等研究抗车辙剂掺量与沥青混合料路用性能的关系,推荐抗车辙剂最佳掺量为0.4%[7]。王俊杰研究发现在一定范围内增加高模量剂掺量可同时改善沥青混合料的高温稳定性与水稳定性[8]。郭寅川等发现与普通沥青相比,低标号沥青的高温抗车辙能力大幅提高,且无须掺加任何改性剂,生产成本低[9]。樊兴华等的试验结果表明 30#沥青混合料的高温性能优于70#沥青混合料,与SBS改性沥青混合料接近[10]。彭炜等通过试验模拟不同路面面层结构使用新疆岩沥青或70#基质沥青时车辙深度,分析了新疆岩沥青对路面面层抗车辙性能的影响[11]。目前对不同抗车辙改性技术下沥青路面路用性能与经济效益进行综合研究的文献较少。本文分别采用高模量剂、抗车辙剂、30#沥青、70#沥青设计AC-25沥青混合料,对其路用性能和材料成本进行对比分析,为重载交通地区抗车辙技术选择提供参考。

1 试验方案

江西省高安市某国道大修项目,重载车辆多,车流量大,在自然环境和行车荷载作用下车辙病害严重。原设计沥青路面结构为5 cm厚SBS改性AC-16上面层+7 cm厚70#AC-25下面层。已有研究表明,对于两层结构的沥青路面,车辙主要发生在沥青混凝土面层结构下面层[12]。以原设计路面结构组合为基础,采用高模量剂、抗车辙剂、30#沥青、70#沥青设计3种面层结构组合,对比分析重载交通下不同添加剂与低标号沥青抵抗车辙病害的能力。3种面层结构组合分别为5 cm厚SBS改性AC-16上面层+7 cm厚抗车辙剂AC-25下面层、5 cm厚SBS改性AC-16上面层+7 cm厚高模量剂AC-25下面层、5 cm厚SBS改性AC-16上面层+7 cm厚低标号沥青(30#沥青)AC-25下面层,其中高模量剂及抗车辙剂掺量为0.4%,采用自动添加设备投放。按照GB/T 29050—2012《道路用抗车辙剂沥青混凝土》的要求,抗车辙沥青混合料的动稳定度不小于4 800次/mm。设计高模量剂AC-25沥青混合料、抗车辙剂AC-25沥青混合料和30#、70#沥青AC-25沥青混合料,对其高温稳定性、低温抗裂性能与水稳定性进行对比,并分析其材料成本。

2 原材料性能检测

2.1 沥青

采用山东中海70#沥青与30#沥青,其技术指标见表1,均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表1 沥青的技术指标检测结果

2.2 添加剂

高模量剂、抗车辙剂均为国产品牌,根据生产厂家提供的技术资料,两种添加剂均能显著提高沥青混合料的劲度模量、高温抗车辙性能和抗疲劳性能。添加剂掺量为沥青混合料用量的0.4%。采用干法技术[13]制备改性AC-25混合料。

2.3 集料

集料采用石灰岩,规格为0.00～4.75 mm(1#)、4.75～9.50 mm(2#)、9.50～19.00 mm(3#)、19.00～31.50 mm(4#),其技术指标检测结果见表2～4,筛分结果见表5。

表2 粗集料的技术指标检测结果

表3 细集料的技术指标检测结果

表4 矿粉的技术指标检测结果

表5 集料筛分结果

3 AC-25沥青混合料配合比设计

采用AC-25型级配,根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》推荐的级配范围,通过马歇尔试验进行混合料配合比设计,各档集料比例为m(1#)∶m(2#)∶m(3#)∶m(4#)∶m(矿粉)=44∶12∶26∶16∶2,合成级配见表6。

通过马歇尔击实试验进行高模量剂AC-25沥青混合料、抗车辙剂AC-25沥青混合料(基质沥青均为70#沥青)及30#、70#AC-25沥青混合料配合比设计,由混合料力学指标与体积指标综合得出其最佳油石比分别为4.1%、4.1%、4.1%、4.0%。

4 路用性能对比分析

4.1 沥青混合料的高温稳定性

采用轮碾成型机分别成型高模量剂AC-25沥青混合料、抗车辙剂AC-25沥青混合料、30#和70#沥青AC-25沥青混合料板块试件进行车辙试验,试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm,试验温度为60 ℃,轮压为0.7 MPa。取轮作用45 min、60 min时的车辙变形计算动稳定度,评价混合料的高温性能。试验结果见表7。

表7 4种AC-25沥青混合料车辙试验结果

从表7可以看出:4种沥青混合料在60 ℃下的动稳定度大小排序为高模量剂沥青混合料>抗车辙剂沥青混合料>30#沥青混合料>70#沥青混合料,高模量剂、抗车辙剂沥青混合料的动稳定度均大于4 800 次/mm,满足GB/T 29050—2012《道路用抗车辙剂沥青混凝土》对抗车辙沥青混合料1-4区的要求。与70#沥青混合料相比,高模量剂、抗车辙剂沥青混合料及30#沥青混合料的动稳定度分别提高423.6%、322%、143.9%,高模量剂、抗车辙剂沥青混合料的高温性能远优于70#沥青混合料。沥青标号越低,针入度越小,软化点越高,高温稳定性越好,抗车辙能力越强,但30#沥青混合料的动稳定度没有达到GB/T 29050—2012对抗车辙沥青混合料的要求(≥4 800次/mm)。

4.2 沥青混合料的低温抗裂性能

通过低温弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性能,试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm,试验加载速率为50 mm/min,试验温度为-10 ℃。试验结果见表8。

表8 4种AC-25沥青混合料的低温弯曲试验结果

从表8可以看出:以最大弯拉应变为评价指标时,4种沥青混合料的低温性能优劣排序为抗车辙剂沥青混合料>高模量剂沥青混合料>70#沥青混合料>30#沥青混合料。外加剂的加入可以提高沥青混合料的低温性能,与70#沥青混合料相比,高模量剂、抗车辙剂沥青混合料的弯拉应变分别提高4.5%、10.4%,30#沥青混合料的弯拉应变降低5.3%。这是由于沥青标号越高,黏塑性成分越多,低温抗裂性能越好。在江西地区,改性沥青混合料的弯拉应变应不小于2 500×10-6,基质沥青混合料的弯拉应变应不小于2 000×10-6,高模量剂沥青混合料的低温破坏应变不满足要求。

4.3 沥青混合料的水稳定性

通过冻融劈裂试验和马歇尔残留稳定度试验对4种沥青混合料的水稳定性进行评价,试验结果见表9。

表9 4种AC-25沥青混合料的浸水马歇尔与冻融劈裂试验结果

从表9可以看出:4种沥青混合料的水稳定性均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求,残留稳定度大小排序为高模量剂沥青混合料>抗车辙剂沥青混合料>30#沥青混合料>70#沥青混合料,冻融劈裂强度比大小排序为高模量剂沥青混合料>抗车辙剂沥青混合料>70#沥青混合料>30#沥青混合料。由于高模量剂与抗车辙剂的加入起到了增强沥青黏度的作用,沥青能更好地黏附在集料表面,相比70#沥青混合料,其水稳定性更优。

4.4 技术性能评价

4种沥青混合料的动稳定度大小排序为高模量剂沥青混合料>抗车辙剂沥青混合料>30#沥青混合料>70#沥青混合料,均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求;低温性能优劣排序为抗车辙剂沥青混合料>高模量剂沥青混合料>70#沥青混合料>30#沥青混合料,高模量剂沥青混合料的低温破坏应变不满足JTG F40—2004的要求;残留稳定度大小排序为高模量剂沥青混合料>抗车辙剂沥青混合料>30#沥青混合料>70#沥青混合料,冻融劈裂强度比大小排序为高模量剂沥青混合料>抗车辙剂沥青混合料>70#沥青混合料>30#沥青混合料,均满足JTG F40—2004的要求。综合比较,高温稳定性、低温抗裂性能与水稳定性均满足规范要求的为抗车辙剂沥青混合料。高温稳定性和抗水破坏能力最好的为高模量剂沥青混合料,但其低温破坏应变偏小,不满足规范要求。70#沥青混合料的各项性能均满足普通沥青路面的技术要求,但不适应于抗车辙性能要求高的沥青路面。

5 抗车辙AC-25沥青混合料的材料成本

以生产1 t沥青混合料为例,对高模量剂沥青混合料、抗车辙剂沥青混合料、低标号(30#)沥青混合料进行材料成本对比,计算结果见表10。

表10 生产1 t不同抗车辙AC-25沥青混合料的材料成本

由表10可知:高模量剂AC-25沥青混合料的材料成本最高,抗车辙剂AC-25沥青混合料次之,30#沥青混合料的材料成本最低。对于重载高温地区,减少车辙的产生是延长道路使用寿命的重要保证,推荐采用综合性能满足改性沥青混合料要求、动稳定度达到GB/T 29050—2012《道路用抗车辙剂沥青混凝土》中抗车辙沥青混合料1-4区要求的抗车辙剂AC-25沥青混合料。30#沥青混合料的高温性能满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》对改性沥青混合料高温性能的要求,且其材料成本低于高模量剂、抗车辙剂改性沥青混合料,能降低道路建设成本,可用于一般抗车辙沥青路面。