微晶高岭石改性沥青复合料碾压施工及质量控制

摘要 某公路采取Superpave级配微晶高岭石改性沥青复合料，有效增强沥青路面强度和抗老化性能，该型改性复合料有助于改善路用性能。文章首先简要介绍了工程概况，并介绍微晶高岭石改性和压实难度机理，而后重点阐述复合料相关施工技术参数、碾压工艺及质量控制技术要点，以期为同类改性沥青复合料施工提供技术参考。

关键词 复合料；沥青改性；微晶高岭石；碾压施工；质量控制

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0082-04

0 引言

微晶高岭石又名胶岭石、蒙脱土，主要产于火山凝灰岩中，是一种硅酸盐类天然矿物，加水后变成糊状物，可膨胀数倍，受熱脱水后会发生体积收缩，具有极强的阳离子交换和吸附能力性能，经有机复合，可做改性沥青复合料填充剂和吸附剂，增强沥青复合料的抗老化性能。案例公路工程应用微晶高岭石改性沥青复合料技术，提高沥青路面的温度稳定性和抗老化性能，从材料和施工质量两个方面，确保沥青路面建设质量。结合工程应用，这里重点介绍微晶高岭石改性沥青复合料碾压施工及质量控制技术，希望为微晶高岭石改性沥青复合料路面施工提供技术参考。

1 案例简介

某公路全长35 km，双向四车道，时速设计为80 km/h。过线区域环境干燥、日照强烈，对沥青路面材料的温度稳定性和抗老化性能要求很高。为此工程采取了微晶高岭石改性沥青结合料和Superpave级配结构技术，加强沥青复合料的温度稳定性和抗老化性能。采用某PJ-90#基质沥青，其性能参数如表1所示^[1]。

PJ-90#沥青改性微晶高岭石最佳掺量2%～3%，改性制作工艺需要将基质沥青的温度加热至150 ℃±5 ℃，加强微晶高岭石的加入速度控制，尽量降低速度，恒温下1 000 r/min转速进行4 h搅拌，即获得微晶高岭石改性沥青，其主要性能参数如表2所示。

2 微晶高岭石改性机理

沥青短期老化的影响因素在于复合料拌和、运输与铺摊过程中沥青轻组分挥发及与空气的氧化作用。沥青路面投入使用后，老化问题比较严重，主要是因为长期暴露在自然环境内，受到环境因素的影响，会存在氧化、缩合、脱氢、蒸发等方面的变化，如挥发使沥青低分子量油份流失；大气氧化、紫外线辐射氧化，影响和改变沥青性能状态。而沥青材料与微晶高岭石可以构成二维有序剥离或插层复合结构，聚合物与层状硅酸盐组合成为整体的结构，而聚合物还能获得良好的气体阻隔，抗老化效果也在不断提升。

插层结构内，前者沥青材料进入到黏层内，后者宽厚比100～1 000，厚度1.2 nm黏土片层剥离进入到沥青内。黏土片层宽厚比的影响，能够避免聚合物气体进入到内结构内，保证聚合物有足够的阻气性，迟滞聚合物内的氧、臭氧扩散，提升聚合物的耐臭氧化、耐老化性能。因为有机材料长期受到紫外线照射而产生老化的问题，一般都是在有氧环境中，所以层状黏层阻隔性作用，可以减小材料的吸氧量，延缓光氧化老化。微晶高岭石改性沥青混合料的主要优势是控制氧化扩散与紫外线氧化，从而改善热氧化期的针入度、软化点、延度、黏度等参数，使得沥青混合料具备较高的抗老化效果。基质沥青与微晶高岭石改性沥青性能对比如图1所示。此外，因为微晶高岭石与沥青结构组合形成插层复合结构，高温状态中微晶高岭石的加入可以减小流动速度，使得材料具备较高的高温耐车辙效果。

3 碾压施工及质量控制

3.1 复合料特性

（1）Superpave复合料特性。案例所用微晶高岭石改性沥青复合料采取Superpave方法设计，因此具有一些特殊性质。为抵抗永久形变，Superpave设计复合料应确保抗剪强度与耐车辙性能合格，应用的是嵌锁骨架结构，并有效提升内摩阻力。Superpave复合料确定骨料性质，分析认同性，以掌握混合料性质。Superpave骨料的优势明显，比如硬度高、均匀性好、破碎率高等，骨料的加入使得复合料的抗剪强度、使用性能得到提升，但是也会造成碾压难度升高，极易造成碾压效果不合格，影响路面的性能以及正常使用。

（2）Superpave复合料级配特点。根据0.45次方级配曲线分布，纵坐标为百分比，横坐标为筛孔规格的0.45次方，最高理论密度线是坐标原点与最大级配规格连线。级配图反映出2组特点变化，也就是控制点与限制区。控制点反映出骨料级配一定通过范围，而限制区位2.36～0.3 mm。骨料级配曲线不经过该区域为合格，使得细骨料不能接近最高理密度线，空隙率VMA值相对较低。为了防止复合料内含有过多的细料而产生碾压推移、耐车辙性能不足，Superpave复合料一般多采取上“S”形级配曲线（如图2所示）。这样能使得复合料内的细骨料比例在最佳范围内，复合料的中、粗粒度增大的情况，经过嵌挤后组合形成复合料，抗剪强度提升比较明显。该级配对于复合混合料的路用性能、强度提升比较明显，但是碾压作业环节的难度较高^[2]。

（3）复合料沥青组分含量。与常规马歇尔方法设计的复合料相比，Superpave方法设计复合料最优沥青含量相对较低。这是因为Superpave复合料中细集料的含量相对较低，中、粗粒度骨料含量则相对较高；此外Superpave方法以旋转压实仪成型试件，相对于马歇尔击实仪来说，压实效率更高。Superpave方法设计复合料其沥青含量被降低，虽利于形成较好的路面强度，但一定程度增加了压实操作难度。

3.2 复合料压实特性

沥青复合料压实性能受到多方面因素影响，比如材料黏附性、黏性阻力、摩阻力等。骨料摩擦力受到结构形式、形状、强度、耐磨性、嵌挤性方面干扰，自然圆滑集料的复合料表面摩擦力较小，滑移现象发生率较高；含有棱角、表面粗糙、破碎度高的集料复合料，其摩擦阻力相对要高，压实相对有难度。复合料的内摩擦力越大，破碎集料剂量越高，更难压实。

沥青黏性、复合料温度及黏性阻力间具有函数关系，沥青结合料的黏弹性比较差，低温条件之下的弹性固体特性明显，高温时以黏性液体状态存在。沥青混合料对于温度较为敏感，温度较低时黏阻力较高，影响压实作用的效果；沥青黏度提升，压实温度也必须相应提高。

Superpave复合料在原料选择中强调骨料的棱角性和破碎需求，为了避开级配限制区，降低砂组分用量，因为细骨料少，中粗骨料多，因此Superpave复合料是一种压实质量要求高、相对难于压实操作的复合料；另外粗、中粒度骨料的剂量较高，也使复合料温降速度较快，这给压实操作带来一定程度的碾压时间紧迫性，把控不当就会影响压实质量。

Superpave复合料中沥青比例较低，碾压环节使得颗粒之间摩阻力升高，难以压实到最佳的状态。Superpave复合料还有一个特性，就是温度敏感区的存在。在現场施工作业中，Superpave复合料处于不稳定的温度敏感期间，通常在93～115 ℃区间，在该问题之间碾压作业施工，会造成复合料发生推移、龟裂的问题，对于路面性能造成影响。

因此，Superpave复合料碾压施工环节，不能在温度敏感区内碾压施工，一般采取如下做法：第一，复合料温度下降到115 ℃之前完成碾压，保证压实度合格；第二，温度处于115 ℃以上时，应用振动压路机开展碾压施工，在温度处于95 ℃以下时，开展静压施工。

3.3 关键压实参数

如果材料、压路机性能都符合要求，压实度受到如下影响：第一，压路机和材料的固有频率比较相近；第二，材料对激振器的振动发生反应，出现了共振的情况，克服、减小材料的内摩阻力；第三，碾压遍数不合格。在具体的施工中，技术人员必须加强碾压遍数、碾压速度的控制，预防造成质量问题的情况。

（1）碾压速度。压实速度对于压实效率存在直接影响。经过振动压实分析，应确保骨料颗粒进入到振动条件，需要开展连续3次以上振动激励，振动压路机的碾压振动激励应按照下式（1）计算。

式中，v——振动压路机的碾压行进速度（km/h）；f——压路机振动频率（Hz）。如果振动压路机的额定振动频率是45 Hz，则碾压行进速度应控制在v≤4.86 km/h为宜。

（2）碾压遍数。为了准确掌握振动压路机的碾压遍数对压实度产生的影响，这里介绍案例试验段铺筑压实试验结果。材料、压路机碾压行进速度和振动频率参数：微晶高岭石改性沥青复合料；铺层厚度6 cm；碾压温度120～160 ℃；Superpave12.5级配设计，振动压路机型号DD110；压实行进速度4.5 km/h；频率49 Hz；振幅0.32 mm。测试结果具体如表3和图3所示^[3]。

结果显示，碾压遍数不断增多，路面压实度会因为变数的增加而表现出曲线的变动，初期升高速度较快，但是变数再次增加的情况下，压实度的增大变得比较缓慢，曲线趋于平缓。压实遍数对于压实度的提升影响并不明显，之所以形成这一现象，是因为沥青路面的压实还会受沥青混合料的温度、碾压时间影响。要想提高压实度效果，在沥青路面铺设结束后，应及时开展振动碾压施工。

4 微晶高岭石改性沥青复合料碾压

4.1 微晶高岭石改性沥青复合料及碾压面临的问题

（1）实用微晶高岭石改性沥青复合料。案例工程的微晶高岭石改性沥青复合料采用Superpave12.5型配比设计，其级配如表4所示。该型复合料利于形成良好的沥青路面强度，但因为该型复合料的骨料间内摩擦阻力也相对较大，因此碾压施工的质量要求较高，操作存在难度。

（2）案例路面结构中，上面层厚度4 cm，属于典型的薄层结构，路面温降相对较快。因为沥青路面的压实与复合料温度密切相关，只有在特定温度以上进行碾压才能获得最佳压实效果。当温度不足90 ℃时，碾压难以达到应有的效果。因此，在碾压时间确定时，必须要充分考虑出料温度、摊铺厚度、环境温度等多方面的要素。环境条件与复合料温度相同时，结构层的厚度对碾压时间产生直接影响。如表5～6所示，体现出不同铺设层厚度的温降特点与碾压时间。经过数据分析发现，结构层厚度越小，碾压时间会相应缩短。

4.2 微晶高岭石改性沥青复合料碾压工艺及质量控制

因为微晶高岭石改性沥青复合料压实时，初期作业的难度比较高，为了使得压实质量符合要求，选择合适的工艺以确保质量符合标准，微晶高岭石改性沥青复合料碾压同样包括初压、复压和终压3个阶段。

（1）初压。摊铺机在开展摊铺施工中，使用2台压路机开展施工，按照从低到高逐一碾压，并且沿着接缝碾压一遍。在不黏轮和推移的情况下，开始振动碾压，否则进行静压。静压应重叠1/2轮宽，振动碾压重叠30 cm，共碾压4～6遍。静压行进速度2～3 km/h，振动碾压行进速度4～5 km/h。

（2）复压。2台胶轮压路机，碾压速度3～5 km/h，和初压的DD110压路机联合进行，逐步开展复压施工，总计碾压3遍，以确保压实度合格。

（3）终压。1台DD110压路机在复压后逐步立即开始终压施工，速度为3～5 km/h，碾压2遍、没有表面轮迹为止，每次返回，纵向与振动碾压部位重叠1～1.5 m。碾压施工中，应随时检测复合料的温度，不能处于敏感温度范围。如果混合料的温度在该区间之内，不能开展振动碾压施工，转变为胶轮碾压的施工方式。碾压距离应该根据现场复合料的温度变化情况来控制，一般在30～50 m之间。

5 结语

进行了微晶高岭石改性沥青复合料碾压施工及质量控制研究。微晶高岭石具有极强的阳离子交换和吸附能力性能，经有机复合，可做改性沥青复合料填充剂和吸附剂，增强沥青复合料的抗老化性能。有助于改善两项路用性能的同时，也面临着压实施工操作有一定难度和质量要求高的不足。文中介绍了微晶高岭石沥青改性和压实施工操作质量要求高、有一定操作难度的基本原理，介绍了案例应用该复合料的相关施工技术参数、碾压工艺以及质量控制技术要点，对微晶高岭石改性沥青复合料碾压施工应用有技术参考意义。

参考文献

[1]黄晚清. SMA粗集料骨架结构的细观力学模型研究[D]. 成都：西南交通大学， 2007.

[2]袁迎捷．Superpave沥青混合料设计方法与压实原理研究[D]．西安：长安大学， 2001.

[3]余剑英， 李斌， 曾旋， 等. 有机化蒙脱土对 SBS 改性沥青热氧老化性的影响[J]. 武汉理工大学学报， 2007（9）： 65-67.

收稿日期：2023-10-12

作者简介：钟瑞（1982—），男，本科，助理工程师，从事公路桥梁建设管理工作。