考虑抗滑的超薄罩面橡胶改性沥青混合料组成及性能研究

纪轶来 关若愚 栾 扬 孟会林,3 王笑森

(1.石家庄市公路服务保障中心 石家庄 050000; 2.河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄 050000; 3.公路建设与养护技术、材料及装备行业研发中心 石家庄 050091)

我国长期“重建轻养”的工作重心使得在公路养护方面的技术储备较为薄弱,养护管理任务越发艰巨。伴随着大量早期修建的公路陆续进入到改扩建及大中养护阶段,国家对于公路养护投资的规模也在逐渐加大,公路管理也逐渐由“以建代养”转而向“建养并重”靠拢,公路基础设施的维修养护也逐渐成为公路行业重点发展方向之一[1-2]。

目前,我国干线公路病害处治措施主要包括雾封层、碎石封层、稀浆封层、微表处、超薄及薄层罩面等。其中,超薄罩面以平整、舒适、耐用的特点成为应用最广的养护措施,可对路面各类病害进行综合处治,优势明显,具备较高的研究价值。超薄罩面养护技术是通过加铺一层厚度不超过2.5 cm的薄层沥青混合料对路面表面功能进行恢复,使用较多的罩面沥青混合料类型主要有Novachip、SMA-10、AC-10、SAC-10、SMA-5等,在以上技术应用推广过程中也发现了一定的不足,主要表现为:环境、荷载双重作用下过快的功能特性衰减和专用设备及材料造价的限制[3-4]。

考虑超薄罩面的舒适性和降噪性,本文以油膜较厚的橡胶改性沥青混合料为研究对象,充分借鉴多级嵌挤密实级配设计方法,拟选用旋转压实仪(PCG)开展混合料组成设计研究,设计过程充分平衡各体积指标对路用性能的影响,同时重视抗滑性能的保障。而后通过与其他超薄罩面类型混合料开展性能对比研究,探究不同罩面类型混合料之间的性能差异,体现本技术优势。同时,为丰富养护技术选择及提高橡胶改性沥青混凝土超薄罩面建设水平提供必要的支撑。

1 试验设计

1.1 原材料

依据不同罩面类型需求,试验选用70号基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青三种,依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行沥青试验[5],主要技术指标检测结果见表1。粗集料采用玄武岩,粒径分别为5～10和3～5 mm;细集料为0～3 mm机制砂;填料为磨细的石灰岩矿粉。各原材料均满足相应的技术指标要求。

表1 沥青主要性能指标测试结果

1.2 分界筛孔及集料最大公称粒径确定

超薄罩面层厚度与沥青混合料集料最大公称粒径的匹配性决定着路面的稳定性能和使用性能,国内外大量研究表明,不同矿料级配类型下的超薄层罩面结构厚度与集料最大公称粒径之比存在差异,对于骨架密实型级配,铺层厚度与最大公称粒径之比通常规定为2∶1～3∶1[6]。鉴于超薄罩面层的厚度介于15～25 mm之间,其中通过实体工程调研发现,厚度在20～25 mm之间的占到了70%以上,因此本研究罩面层厚度选用2.5 cm,橡胶改性沥青混合料组成设计为断级配骨架密实型,宜选用的集料最大公称粒径为10 mm,将9.5 mm筛孔作为最大粒径筛孔,综合考虑超薄罩面沥青混合料的特殊性及4.75～9.5 mm集料粒径间距较大,易导致粗集料级配失控,影响抗滑性能,故增设7.2 mm筛孔为控制筛孔,以便后续材料组成设计工作的开展。

粗细集料分界筛孔组成的确定关系着超薄罩面作为表面层的抗滑性能需求。综合比较适用于本研究的代表性设计方法,贝雷法[7]取PCS与NMAS之比为0.22,林绣贤[8]在考虑已有经验的基础上,将PCS与NMAS之比定为0.25。基于此,本文将2.36 mm筛孔作为粗细集料的分界筛孔。

1.3 沥青混合料级配设计

将石料筛分为7.2～9.5,4.75～9.5,2.36～4.75以及0～2.36 mm的单档集料,采用分级掺配,使用PCG旋转压实仪运行25转。选择所设计沥青混合料中粒径较大的2档集料,将7.2～9.5 mm粗集料作为骨架颗粒,用4.75～9.5 mm档集料填充,按不同掺配比例完成填充试验,选择最小值对应的掺配比例为一级掺配,采用2.36～4.75 mm集料进行下一级填充试验,结果见图1。

图1 粗集料分级掺配填充试验结果

由图1可知,粒径较大2档集料掺配比例为5∶5时骨架结构达到最佳密实状态,II级填充在集料掺配比例为7∶3时骨架间隙率达到最低值,但该值与掺配比例为10∶0时的密实状态差别不大,为保证沥青路面抗滑特性,尽可能满足路面表层构造深度,级配设计过程中,可减少2.36～4.75 mm集料的使用,实现断级配骨架效果。

粒径较大2档集料按5∶5掺配比例,控制2.36 mm筛孔通过率为24%,26%,28%分别设计出3种级配,矿料级配见表2,采用30%橡胶改性沥青,进行马歇尔试验,确定最佳油石比,对比三者间的体积指标差异,分析压实特性,进而确定最优级配。

表2 沥青混合料矿料级配

以密度指标为基础,参考JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中压实沥青混合料密度试验所述步骤计算体积指标,表3为3种合成级配沥青混合料马歇尔试验结果。

表3 沥青混合料体积指标

考虑抗疲劳性能及早期损害的影响,在空隙率低于4%的前提下,以体积空隙率与毛体积空隙率差值最大为原则,由表3可知,当2.36 mm筛孔通过率为26%时,混合料毛体积空隙率与体积空隙率的差值最大为5.26,由此,确定适用于超薄罩面的橡胶改性沥青混合料合成级配。

为更好地评价本方案中橡胶改性沥青混合料的路用性能优势,设计不同的骨架密实型级配,其曲线示意见图2。

图2 不同类型矿料级配曲线

由图2可知,4种不同的矿料级配均具备了骨架结构的特征,本研究所设计的超薄罩面用橡胶改性沥青混合料(UTARHM-10)与其他类型混合料相比,区别在于沥青品种、最大筛孔粒径,以及粗集料含量。同粒径尺度的UTARHM-10、SAC-10和SMA-10分别应用了表1所示的橡胶改性沥青、基质沥青和SBS改性沥青,SMA-10混合料粗集料含量虽最多,但其需添加木质纤维素且矿粉用量也最多,其表面构造深度必然受到影响,UTARHM-10的粗集料含量位于SAC-10与SMA-10之间,较好地保留了宏观纹理,SMA-5级配较其他3种类型明显更细,抗滑性能难以得到保证。

1.4 沥青混合料性能评价方法

基本路用性能,依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0719、T0715、T0729规定,对本研究所设计的UTARHM-10和其他3种沥青混合料开展高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性评价。

良好的抗滑效果是评价超薄罩面作为表面层的重要指标,采用如图3所示的法国充气轮胎大型车辙仪,模拟不同级配类型沥青混合料路面服役状态的抗滑性能衰减过程。该设备温度可控、接触压强可调,充气轮胎轮宽80 mm、行程410 mm,加载频率为1 Hz,加载次数可自由设置,可以较好地模拟实际路面与轮胎摩擦过程[9]。

图3 法国大型车辙试验机

适用于超薄罩面的不同级配类型沥青混合料长期抗滑性能测试:为明确加速磨耗试验后各混合料抗滑性能的变化,分别成型SMA-10、SAC-10、UTARHM-10、SMA-5 4种沥青混合料试件,每组试件进行10万次荷载作用(长期抗滑性能的衰减期和稳定期得到表征),每2 500次为1个周期,每个周期(含0周期)使用摆式仪测试试件表面抗滑摆值,采用手工铺沙法对构造深度的变化进行检测。为得到不同温度、不同荷载条件下混合料的抗滑性能衰减规律,分别测试4种沥青混合料在0.6 MPa,15,30,45 ℃条件下,以及在30 ℃,0.3,0.6,0.9 MPa条件下抗滑性能衰减状况,各组试验均设3组平行试验,结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 基本路用性能

图4为不同类型混合料路用性能结果。

图4 不同类型混合料路用性能结果

由图4可知,不同级配类型的混合料动稳定度虽有差异,但均达到了5 000次/mm以上水平,说明骨架型级配是保障高温性能的重要因素之一。UTARHM-10混合料高温性能略优于SMA-10,明显优于SAC-10,说明按粒径较大2档集料的掺配比例控制粗集料骨架间隙率最小可以使混合料保持紧密的嵌挤状态,更有利于抵抗荷载作用,同时沥青性能对混合料的高温稳定性同样重要。

以-10 ℃弯曲试验的破坏应变作为低温性能指标评价不同类型沥青混合料的低温性能发现,橡胶改性沥青混合料的弯拉应变均大于同尺度的SMA-10和SAC-10混合料,说明橡胶改性沥青应用于超薄罩面层的低温抗裂能力更优,更适合在低温环境下应用。

以浸水马歇尔和冻融劈裂试验对不同类型沥青混合料的水稳定性评价发现,4种类型混合料具备了良好的抗水损害能力,受益于沥青胶结料和级配设计的共同作用结果,UTARHM-10混合料的水稳定性能最优。

2.2 长期抗滑性能

为进一步对比评价不同超薄罩面类型混合料抗滑性能的差异性,得到不同温度、荷载条件下的加速磨耗试验结果,同时以抗滑初值、抗滑稳定值、抗滑减幅为评价指标,考察不同级配的抗滑优势及长期抗滑性能变化规律。

2.2.1环境温度对抗滑性能的影响

图5为4种沥青混合料在不同环境温度下抗滑性能衰减曲线。

图5 4种沥青混合料抗滑性能衰减曲线

由图5可知,同为骨架型级配的4种沥青混合料在不同温度条件下展现出相似的抗滑性能衰减规律,大体可划分为摆值衰减速度快、速率高的衰减期,以及衰减速度慢趋于平稳的稳定期,由衰减曲线可以观察到衰减期过渡到稳定期基本发生在荷载作用的6万次到8万次期间。抗滑性能衰减过程中会出现摆值增大的现象,分析认为这与集料表面沥青膜受荷载作用脱落有关,集料表面微观纹理的显现导致摩阻力升高。

同等温度条件下,UTARHM-10混合料在整个抗滑衰减过程中出现的回升现象早于其他3种级配,这是由于材料组成设计方法造成的,同样尺寸的车辙试件,UTARHM-10混合料的突起状态更为显著。随环境温度升高,抗滑性能衰减更快,幅度更大,低温环境下沥青膜的脱落时间明显晚于高温环境,抗滑性能衰减期得以延长,有高温环境工作需求的超薄罩面层建议使用本文中的组成设计方法。

2.2.2级配类型对抗滑性能的影响分析

为进一步明确本研究内容中所设计级配的抗滑优势,选择30 ℃条件下的抗滑性能衰减规律展开分析,具体评价指标包含:抗滑初值、抗滑稳定值、10万次荷载作用后抗滑摆值和构造深度损失率(磨耗降低的抗滑性能占初始性能的百分比)、单位荷载作用下抗滑摆值和构造深度的衰减速率,结果见表4和图6。

表4 抗滑性能评价指标

图6 4种沥青混合料抗滑性能衰减指标

由表4可知,荷载作用10万次后,沥青混合料抗滑性能稳定值(BPN)的大小排序为:UTARHM-10>SMA-10>SAC-10>SMA-5。UTARHM-10混合料平均摆值衰减终值为56.2 BPN,相较SMA-10、SAC-10、SMA-5混合料的BPN值分别提升了2%、5.4%、7.4%;UTARHM-10混合料平均构造深度衰减终值为0.75 mm,相较SMA-10、SAC-10、SMA-5混合料的MTD值分别提升了13.6%,38.8%,97.3 %。

由图6可见,UTARHM-10混合料的MTD衰减速率、BPN损失率和衰减速率与其他3种级配相比,虽无直观优势,但该级配的MTD损失率明显优于其他级配,说明该级配在长期服役后仍能保持较大的构造深度,将橡胶改性沥青应用于超薄罩面对路表抵抗长期的抗滑性能衰减有益。

2.2.3作用荷载对抗滑性能的影响

为研究荷载变化对不同级配混合料抗滑性能的影响,对比4种类型混合料在试验温度为30 ℃,接触压强0.3,0.6,0.9 MPa条件下的抗滑性能衰减规律,结果见图7。

图7 不同荷载作用下4种沥青混合料抗滑性能衰减曲线

由图7可见,荷载越大,沥青混合料的抗滑力衰减速率越快,衰减终值也越低,随荷载的增加,抗滑性能衰减回升现象会提前,这是因为集料表面的沥青膜更容易被磨损,亦或是更大的荷载容易造成集料破损现象,集料破损会形成新的纹理构造。

对比4种级配的抗滑性能衰减曲线可知,随荷载的增加,UTARHM-10的抗滑性能优势越明显,在0.9 MPa条件下,该沥青混合料的平均摆值衰减终值为53.5 BPN,优于其他3种级配类型,相较SAC-10、SMA-10、SMA-5分别提高8.7%,6.4%,13.1%。

3 结论

1) 基于本文超薄罩面橡胶改性沥青混凝土级配设计方法,通过粗集料掺配比例分级填充可以保证骨架结构处于最佳嵌挤状态,同时根据抗滑性能需求,可以有选择地减少部分集料的用量。

2) 受益于沥青胶结料和级配设计的共同作用结果,UTARHM-10混合料可以较好地协调基本路用性能和长期抗滑性能,使二者均达到较优水平。

3) 与其他罩面类型相比,UTARHM-10混合料的抗滑衰减过程回升现象更早出现,抗滑初值、抗滑稳定值均高于其他3种类型。

4) UTARHM-10混合料在长期服役后仍能保持较大的构造深度,其在承受较高荷载和温度的情况下仍能保持良好的抗滑性能,将橡胶改性沥青混合料应用于超薄罩面对路表抵抗长期的抗滑性能衰减有益。