基于LT-HVA高黏改性沥青的超薄磨耗层性能研究

2024-03-27袁万山

工程建设与设计 2024年4期

袁万山

（菏泽市公路事业发展中心，山东菏泽274000）

1 引言

目前，我国高速公路的交通事故率以及死亡率均远远高于美日等国家，出现该结果的原因是多方面的，其中沥青路面抗滑性能较低是主要原因之一[1]。随着使用年限的增加，加之我国巨大的交通量，沥青路面的抗滑性能呈现出逐渐下滑的趋势，这也是导致交通事故发生的重要因素[2]。国内外学者在提高沥青路面抗滑性能方面做了许多工作，有学者从沥青混合料级配入手，增加路表面的纹理，也有学者从集料角度入手，基于路面的抗滑性能对粗集料提出了相关要求[3]。但就已经发生抗滑性能严重下降的路面，上述研究成果则无法产生效果，目前最有效的恢复路面抗滑性能的方法仍然是加铺层，这其中超薄磨耗层是一项有效的措施。超薄磨耗层可以恢复沥青路面的抗滑性能，对于轻微裂缝、车辙等沥青路面早起病害均具有显著的修复效果，是一种应用广泛的预防性养护技术[4]。超薄磨耗层受限于厚度较小，加之孔隙较大，在后期的通车过程中，容易受到诸如车辆荷载与水热环境等外部环境的影响而出现服役性能衰减的现象，常见的病害有松散、掉粒、剥落以及与下承层剥离等。此外，高黏沥青在沥青混合料中的应用较为广泛，其黏结性能好，环境耐受力强，在高模量沥青混合料的制备中发挥了重要的作用。将高黏沥青应用于超薄磨耗层是近年来的一个研究热点，但仍然存在一些问题没有解决，这包括适用于超薄磨耗层的高黏沥青的制备，高黏沥青超薄磨耗层的抗滑性能的提升等。

本文在上述背景下，以路特LT-HVA 高黏沥青改性剂为原材料，展开了适用于超薄磨耗层的高黏沥青的制备与性能研究，并对高黏沥青超薄磨耗层的抗滑性能及排水性能进行试验研究，旨在为高黏沥青超薄磨耗层的应用提供参考。

2 试验设计

2.1 原材料

本文采用的基质沥青为中海90#基质沥青。路特LTHVA 高黏沥青改性剂由深圳路特新材料科技有限公司提供，常温下为黑色或黄色颗粒。本文还引入TPS 高黏改性剂作为对比。路特LT-HVA 高黏沥青改性剂与TPS 高黏改性剂，价格优势显著，具有更高的性价比。此外，本文采用石灰岩粗集料和细集料以及矿粉作为超薄磨耗层的集料与填料，其技术指标均满足相关规范的技术要求。

2.2 实验设计

LT-HVA 高黏改性沥青的制备工艺：将中海90#基质沥青加热至170 ℃，将占沥青质量12%的LT-HVA 高黏改性剂缓缓地掺入沥青中，搅拌均匀后，采用剪切仪以5 000 r/min 的速度剪切30 min 后即可制得LT-HVA 高黏改性沥青。TPS 高黏改性沥青的制备工艺：将中海90#基质沥青加热至165 ℃，取沥青质量12%的TPS 掺入沥青中，采用剪切仪以1 000 r/min的速率剪切10 min 后，再以5 000～6 000 r/min 的速率剪切30 min，即可制得TPS 高黏改性沥青。

鉴于超薄磨耗层对沥青内聚力及黏聚力的要求较高，本文首先制备LT-HVA 高黏沥青和TPS 高黏沥青，并进行三大技术指标以及黏度的测定，采用动态剪切流变仪测试两种高黏沥青的内聚力，采用Wilhelmy 吊片法测试高黏沥青的黏聚力。利用原材料制备Novachip 超薄磨耗层用混合料，并对混合料进行了摩擦系数、构造深度以及渗水系数的测试，分析LT-HVA 高黏改性沥青超薄磨耗层混合料与TPS 高黏改性沥青超薄磨耗层混合料的技术性能。

3 超薄磨耗层用高黏改性沥青技术性能

3.1 高黏改性沥青常规技术性能

对LT-HVA 高黏沥青和TPS 高黏沥青进行技术性能检测，检测结果如表1 所示。

表1 高黏改性沥青技术性能

表1 显示，LT-HVA 高黏改性沥青和TPS 高黏改性沥青均具有非常高的60 ℃动力黏度，同时软化点也较高，提示两种高黏改性沥青均具备较好的高温性能及较大的黏滞性。

3.2 高黏改性沥青内聚力

本文采用动态剪切流变仪测试两种高黏沥青的内聚力，其测试结果如图1 所示。

图1 LT-HVA高黏改性沥青和TPS高黏改性沥青应力应变曲线

从图1 可知，LT-HVA 高黏改性沥青和TPS 高黏改性沥青在拉伸过程中的应力应变曲线较为相似，均是在拉伸初期达到应力峰值，随后应力随着应变逐渐降低。应力峰值代表高黏沥青的屈服强度，即内聚力，对于LT-HVA 高黏改性沥青和TPS 高黏改性沥青而言，应力峰值分别为6 510 Pa 和6 800 Pa，两者相差不大，TPS 高黏改性沥青的内聚力略高。当高黏沥青达到最大应力峰值时，其位移为失效位移，此时位移继续增加失效位移的10%，所对应的应力值为残余应力，（应力峰值-残余应力）/ 应力峰值100%为强度损失率，该数值可以作为沥青内聚力损伤的评价指标。

3.3 高黏改性沥青黏聚力

采用Wilhelmy 吊片法测试高黏沥青的黏聚力的大小，主要以接触角的大小来作为评价高黏沥青黏聚力的评价指标，在测试过程中，沥青温度保持在140 ℃，试验结果取3 组数据的平均值。 TPS 高黏改性沥青的接触角为102°，而LT-HVA高黏改性沥青的接触角为108°，可以得出LT-HVA 高黏改性沥青的黏聚力略大于TPS 高黏改性沥青。

综上，对比LT-HVA 高黏改性沥青和TPS 高黏改性沥青，两种沥青均具有出色的技术性能，且差距不大，从内聚力的角度对比，TPS 高黏改性沥青的最大应力峰值略高，且在拉伸过程中的强度损失率较小，但是优势并不明显。从黏聚力的角度对比，LT-HVA 高黏改性沥青拥有更大的接触角，其黏聚力具有一定的优势，这对超薄磨耗层在使用过程中的耐久性能具有一定的益处。

4 高黏改性沥青超薄磨耗层路用性能

本文采用石灰岩粗集料与细集料以及矿粉，利用LTHVA 高黏改性沥青和TPS 高黏改性沥青分别制备了Novachip 超薄磨耗层用混合料，为了减小级配对试验结果的影响，两类混合料均采用了相同的级配。LT-HVA 高黏改性沥青和TPS 高黏改性沥青分别制备了Novachip 超薄磨耗层用混合料的最佳油石比均为5.3%，且空隙率均在9%～10%的范围内。并对不同的Novachip 超薄磨耗层用混合料进行了摩擦系数、构造深度以及渗水系数的测定，试验结果见图2。

图2 超薄磨耗层沥青混合料路用性能

抗滑性能的提升是超薄磨耗层在沥青路面养护过程中产生的主要作用之一，我国现行规范中对沥青路面抗滑性能的评价主要采用摩擦系数和构造深度两个指标。其中，摩擦系数是主要影响的是车辆在低速（≤40 km/h）行驶时沥青路面的抗滑性能。图2 显示，LT-HVA 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料的摩擦系数相较于TPS 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料略低，但是均处于较高的水平，均具有非常出色的抗滑性能。构造深度主要影响的是车辆在低速（≥60 km/h）行驶时沥青路面的抗滑性能。图2 显示，LT-HVA 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料的构造深度相较于TPS 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料略高，在高速行驶时，LT-HVA 高黏改性沥青超薄磨耗层具有更加出色的抗滑性能，但从构造深度数值上看，两者差距不大，均处于较好的数值范围内。

影响渗水系数的主要因素是超薄磨耗层的级配，本文采用的是Novachip 级配，其空隙率在9%～10%。试验结果显示，LT-HVA 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料与TPS 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料的渗水系数基本相同，均接近100 mL/min。该数值在超薄磨耗层中处于一般水平。

从抗滑性能和排水性能角度对LT-HVA 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料与TPS 高黏改性沥青超薄磨耗层沥青混合料，两者均处于相同的水平。