Superflex 改性沥青抗裂层混合料路用性能试验研究

陈善祥，黄艳芳，姚 勇，周 栋

（1.嘉应学院 土木工程学院，广东 梅州 514015；2.梅县区公路事务中心；广东 梅州 514700；3.长沙比盟云信息科技有限公司，长沙 414004）

在当前建养并重时期的旧路大修和改造中，加铺沥青混合料罩面能有效地改善旧路的使用性能，但旧路存在的反射裂缝严重影响了加铺层的使用质量和寿命[1-3].传统的处理措施如设置玻纤格栅、土木布等土工织物未能取得很好的抗裂效果[4-8].加铺抗裂层能很好地有效地消解或减轻接缝或裂缝处的应力集中现象，降低上面层层底应力，延缓反射裂缝产生，延长加铺层的使用寿命.已有研究表明[9-11]，Superflex 改性沥青是一种天然屑粒橡胶浓缩改性沥青,粘度和软化点高，与集料粘结性好,抗车辙能力强；生产工艺简单，与基质沥青进行机械搅拌即可；Superflex 改性沥青混合料具有良好的高温稳定性、水稳定性、抗裂性和耐久性.掺加纤维Superflex 改性沥青抗裂层的研究不多，针对南方湿热地区Superflex 改性沥青抗裂层混合料的路用性能进行试验研究很有实际价值和现实意义.

1 原材料性质

1.1 Superflex 改性沥青

本研究以SK70#基质沥青作为调和沥青，选用印尼生产的Superflex 浓缩沥青采用湿法工艺制备Superflex 改性沥青，通过对比试验优选出Superflex 浓缩沥青与基质沥青的最佳掺量为18∶82.先将基质沥青和Superflex 浓缩沥青加热到160℃左右，把Superflex 浓缩沥青按掺量加入基质沥青中，然后维持在180 ℃±5 ℃温度环境中高速剪切改性45 min，由此制得Superflex 改性沥青，Superflex 浓缩沥青和Superflex 改性沥青的技术指标如表1 所示.

表1 Superflex 浓缩沥青和Superflex 改性沥青技术指标

1.2 粗集料

采用的粗集料为玄武岩，其技术性质如表2 所示.

表2 粗集料技术性质

1.3 细集料

采用的细集料为玄武岩，其技术性质如表3 所示，采用的矿粉是石灰岩矿粉.

表3 细集料技术性质

1.4 聚酯短纤维

选用单丝聚酯短纤维改善Superflex 改性沥青混合料的高温稳定性、抗裂性能、疲劳性能和水稳定性，其技术性质如表4.

表4 聚酯短纤维技术性质

2 抗裂层混合料配合比设计

2.1 改进的Superpave 设计方法

抗裂层因其变形能力强、密实不透水、结构层厚度小、沥青含量高、空隙率小及其级配细的特点，不适合采用传统马歇尔方法进行配合比设计.因此采用superpave 体积设计法进行Superflex 改性沥青混合料配合比设计，但鉴于其特殊的层位功能及其性能要求，对superpave 体积设计法进行了适当改进，具体参数要求如下：试件尺寸为直径150 mm，高度约115 mm；设计旋转压实次数为125次；设计空隙率为0.5%～3%；沥青填隙率为85%～98%；矿料间隙率要求大于20%；粉胶比为0.5～1.6；目标空隙率为2.0%±0.2%.

2.2 抗裂层混合料级配

根据粗细集料级配合成满足要求的Superflex 改性沥青抗裂层混合料级配如表5 所示.

表5 抗裂层混合料级配

2.3 最佳沥青用量

本试验初定混合料油石比为7%、8%、9%，用旋转压实仪（SGC）制备直径为150 mm、高度约115 mm 的圆柱体试件如图1 所示，测试其体积性能参数，发现Superflex 改性沥青抗裂层混合料空隙率随油石比的增大而减小，当油石比为7%、8%、9%时，其空隙率分别为2.713%、2.232%、1.985%，依据目标空隙率可确定Superflex 改性沥青抗裂层混合料的最佳用油量为8.9%，其体积性能如表6 所示.

图1 利用旋转压实仪（SGC）制备试件

表6 抗裂层混合料体积性能

3 抗裂层混合料路用性能

主要从Superflex 改性沥青抗裂层混合料的水稳定性、高温稳定性、低温稳定性、常温弯曲性能和疲劳性能等路用性能开展试验研究，同时对比分析了聚酯短纤维（掺量为0.2%）对Superflex 改性沥青抗裂层混合料路用性能的影响.

3.1 水稳定性能

根据设计级配和最佳油石比，采用标准击实法制备尺寸符合直径101.6 mm±0.2 mm、高度63.5 mm±1.3 mm 要求的标准马歇尔试件如图2，以通过马歇尔试验得到的浸水残留稳定度和劈裂试验得到的冻融劈裂抗拉强度比来表征Superflex 改性沥青抗裂层混合料水稳定性能，对比分析纤维对Superflex 改性沥青抗裂层混合料水稳定性能的影响，其结果如表7 所示.

图2 马歇尔标准试件

表7 抗裂层混合料水稳定性能

由试验结果可知，纤维对Superflex 改性沥青抗裂层混合料的水稳定的影响不大，提升了稳定度和抗拉强度，浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比有所降低，但完全满足规范中浸水残留稳定度大于75%和冻融劈裂抗拉强度比大于75%的技术要求，并分别超出15.3%和12.7%以上，水稳定性能良好.

3.2 高温稳定性能

本试验试件采用由轮碾成型的长300 mm，宽300 mm，高50 mm 的板块状试件，进行掺加纤维和不掺纤维的Superflex 改性沥青抗裂层混合料单层车辙试验，并进行双层组合结构“4 cmAC-13+3 cmSuperflex改性沥青”的车辙试验，试验结果如表8 所示.

表8 抗裂层混合料高温稳定性能

由此可知：未掺纤维单层Superflex 改性沥青抗裂层的抗车辙能力不满足规范中DS 大于800 次/mm的技术要求，但其用于中面层或下面层而非上面层，对路面结构的高温抗车辙性能影响有限.掺加纤维纤维单层Superflex 改性沥青抗裂层和双层组合（抗裂层+上面层）结构的动稳定度满足要求，纤维对Superflex改性沥青抗裂层混合料的高温性能有一定的提升.

3.3 低温抗开裂性能

采用250 mm×30 mm×35 mm 棱柱体小梁试件，试验温度-10 ℃±0.5 ℃，以通过低温弯曲试验得出的最大弯拉应变表征Superflex 改性沥青抗裂层混合料低温抗开裂性能，其结果如表9 所示.

表9 抗裂层混合料低温抗开裂性能

由试验结果可知，掺加纤维后Superflex 改性沥青抗裂层混合料最大拉应变减小了34.5%，抗弯拉强度降低了17.2%，弯曲劲度模量增大了7.9%，纤维的掺入降低了其低温抗开裂性能，但最大弯拉应变远超出规范中大于2000 με的技术要求，低温抗开裂性能良好.

3.4 常温弯曲性能

采用250 mm×30 mm×35 mm 棱柱体小梁试件，试验温度20 ℃±0.5 ℃，以通过弯曲试验分析Superflex 改性沥青抗裂层混合料的常温弯曲性能，其结果如表10 所示.

表10 抗裂层混合料常温弯曲性能

由试验结果可知，Superflex 改性沥青抗裂层混合料的常温弯曲性能良好，掺加纤维后Superflex 改性沥青抗裂层混合料最大拉应变增加了39.2%，抗弯拉强度提高了10.5%，弯曲劲度模量减小了25%，纤维的掺入较大幅度提升了其常温弯曲性能.

3.5 疲劳性能

利用万能材料试验机MTS 采用300 mm×50 mm×50 mm 棱柱体小梁试件进行疲劳试验，以控制应力加载模式进行加载，加载频率10HZ，加载波形为半正弦波，试验温度为20 ℃±0.5 ℃.试验分析了应力比为0.3 0.4、0.5、0.6 四个状况下的疲劳寿命变化规律，结果如表11.

表11 抗裂层混合料疲劳性能

由此可以看出，在应力控制模式下，未掺纤维Superflex改性沥青抗裂层混合料的疲劳寿命随应力比的增大而减小，疲劳寿命与应力呈指数关系，拟合得到疲劳方程为Nf=11 531.9σ-1.077，R2=0.943 1；掺加纤维Superflex 改性沥青抗裂层混合料的疲劳寿命随应力比的增大而急剧减小，疲劳寿命与应力呈指数关系，拟合得到疲劳方程为Nf=576 9σ-3.5777，R2=0.974 0；掺加纤维能明显提高低应力比状态时的疲劳寿，降低高应力比状态下的疲劳寿命，且应力比越大降幅越大；低应力比状态下的疲劳性能较高应力比状态好得多，应用时应充分考虑抗裂层所处的层位及其受力状况.

4 结论

（1）利用旋转压实仪SGC 成型混合料试件，采用改进的Superpave 设计方法进行Superflex 改性沥青抗裂层混合料配合比设计是适合的.

（2）Superflex 改性沥青抗裂层具有良好的水稳定性、低温抗裂性能和低应力比状态下的疲劳性能，具有较好的应力吸收能力和抗裂效果，但高温性能欠缺，可通过层位和路面结构予以增强.

（3）Superflex 改性沥青抗裂层单层混合料的高温性能不足，组合双层结构高温抗车辙性能良好，完全满足规范要求.

（4）纤维能明显提升Superflex 改性沥青抗裂层混合料低应力状态下的疲劳寿命，与应力呈指数关系，相关性较好，拟合得到疲劳方程为Nf=5 769σ-3.5777，R2=0.974.掺加纤维Superflex 改性沥青混合料具有良好的疲劳性能和较好的抗裂效果.

（5）纤维可较大幅度提高Superflex 改性沥青抗裂层混合料常温弯曲性能，但对其低温弯曲性能有不小的降幅作用，掺加纤维的Superflex 改性沥青抗裂层混合料抗裂层适用于南方湿热地区.