超薄铺装沥青混合料设计及路用性能研究

2024-05-15王剑伦

黑龙江交通科技 2024年4期

王剑伦,邱巍

(黑龙江省交投公路建设投资有限公司,黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

超薄铺装具有大幅提高高速公路铺装路面抗滑能力的优点,成为近年来路面铺装研究热点[1]。传统超薄铺装材料广泛使用的是间断级配,使得水易在荷载作用下渗入,导致层间粘结能力下降,抗水损害能力差。超薄的厚度又会带来摊铺时降温迅速的问题,而温度降低进一步使得压实困难。此外常规超薄铺装材料普遍存在高温稳定性较差的问题,路表构造深度通常会在施工1年后快速衰减,抗滑性能明显下降,限制了超薄铺装的大规模应用[2-3]。

针对这一问题采用具有温拌-抗车辙效果的复合型添加剂并采用密级配设计,在目前已有研究成果的基础上初选几组级配,通过室内试验确定最佳级配及油石比,成功研制出一款新型功能性的高性能超薄铺装养护材料。该新型材料与传统材料相比具有诸多优势,它的应用拓宽了有效施工温度范围,使得混合料施工和易性得到改善,在提高压实效果的同时还能阻止水分的侵蚀,增强了层间粘结能力[4-5]。高速公路铺装路面的抗滑、高温抗车辙及抗水损害能力得到大幅提高,路面的安全使用寿命也得到了大幅延长。通过高温车辙、低温抗裂、水稳定性试验评价超薄铺装的路用性能,通过动态模量、高温蠕变、疲劳性能等力学性能试验评价超薄铺装的力学性能[6-7]。

1 原材料技术性质

1.1 沥青

采用PG-70 SBS改性沥青,主要技术性质如表1所示。

表1 SBS改性沥青主要技术要求

1.2 矿料

采用浙江湖州产石灰岩,按《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行测试,试验结果均符合规范要求。

2 超薄铺装沥青混合料级配设计

2.1 合成级配设计

超薄铺装沥青混合料设计采用马歇尔设计方法。目标配合比设计添加剂的技术要求如表2所示,掺量为矿料质量的0.35%,击实温度为135 ℃,根据规范要求选择混合料结构。首先按照集料的筛分结果初选出粗、中、细三个级配,再结合项目现场实际使用情况选定油石比为5.5%,分别制作马歇尔试件并得出试件的体积指标[8]。根据试验所得体积指标选取最优设计级配如表3所示,最佳油石比取5.5%,相对应的沥青混合料各项指标如表4所示。

表2 复合增效剂技术要求

表3 合成级配

表4 沥青混合料马歇尔试验结果

由表4可见,所研UWP-10超薄铺装材料各项马歇尔体积指标均满足规范要求。

2.2 配合比试验及性能验证

路用性能试验结果如表5所示。

表5 最佳级配及沥青用量下沥青混合料的性能

由表5可见,超薄铺装材料混合料的标准条件动稳定度高达11 920次/mm,表明其具有优异的高温性能,且其水稳性能及低温抗裂性能均能满足规范要求。

3 超薄铺装沥青混合料力学性能评价

通过动态模量、高温蠕变、疲劳性能等力学性能试验,评价超薄铺装的力学性能[9]。

3.1 动态模量试验

按照目标配合比旋转压实成型试件,试件高度为165 mm±5 mm,钻芯得到Φ100 mm×150 mm的动态模量试件,置于5 Hz和10 Hz、15 ℃、无围压条件下进行沥青混合料动态模量试验[10-11]。

沥青混合料在5 Hz和10 Hz下的动态模量E*及E*/sinθ(其中θ为相位角)与其高温抗车辙性能具有良好的相关性,因此以E*与E*/sinθ作为评价指标可有效判断混合料抗车辙性能的优劣。

由图1可知:

图1 不同频率的超薄铺装沥青混合料动态模量试验结果

(1)混合料的动态模量随着荷载频率的增加而变大,相位角随着荷载频率的增加而变小;(2)超薄铺装沥青混合料在15 ℃、10 Hz下的动态模量为10 912 MPa,普通AC和SMA混合料的动态模量则通常低于10 000 MPa,因此超薄铺装沥青混合料较普通AC、SMA混合料具有更好的抗永久变形性能;(3)超薄铺装沥青混合料的相位角偏大,说明超薄铺装沥青混合料对荷载的反应更大,高温抗永久变形能力更强;(4)超薄铺装5 Hz时的车辙因子E*/sinɑ达到44 127,10 Hz时的车辙因子E*/sinɑ则达到51 913。

3.2 高温蠕变试验

同样按照目标配合比旋转压实成型试件并钻芯得到所需试件进行60 ℃蠕变试验,以轴向累积微应变达到5%作为试验中止条件。

普遍认为沥青混合料的受力变形需经历三个阶段:迁移期、稳定期、破坏期。在迁移期,混合料的应变随车辆荷载作用急剧增大,但应变速率逐渐减小;稳定期混合料的应变均匀增长,应变速率随荷载作用基本维持恒定;破坏期混合料的应变及应变速率随时间增长而急剧上升最终破坏。三阶段中稳定期的应变斜率代表试件在受压过程中变形发展的快慢, 斜率越小则变形发展越平稳, 沥青混合料的高温稳定性能越好。

由图2、图3可知:

图2 超薄铺装混合料在60 ℃下的蠕变曲线

图3 超薄铺装沥青混合料的蠕变劲度模量曲线

(1)超薄铺装沥青混合料在700 kPa荷载作用下荷载重复加载次数高达388次,蠕变变形随时间延长而增加;(2)超薄铺装沥青混合料在稳定期的斜率较为平缓,说明其具有较好的高温性能;(3)超薄铺装沥青混合料的初始蠕变劲度模量为336 MPa,最终破坏时的蠕变劲度模量为13.95 MPa,说明超薄铺装的初始高温性能较好,随着加载次数的增多,高温性能先快速降低后趋于缓和。

3.3 疲劳性能试验

进行梁式试件四点弯曲疲劳试验,采用应变控制,应变水平分别为500 με、600 με和700 με,以评价超薄铺装沥青混合料的疲劳性能,疲劳试验结果如表6所示。

由图4、图5可得如下结论。

图4 疲劳寿命与应变水平关系曲线

图5 logNf与logε关系曲线

(1)混合料试件疲劳次数与控制应变的大小呈负相关,应变越低疲劳寿命越长。在500 με作用下,试件疲劳次数高达182 880,而普通AC-13沥青混合料同条件下疲劳次数约为150 000,超薄铺装混合料疲劳寿命较普通AC-13沥青混合料高22%。

(2)沥青混合料的疲劳方程采用线性函数模型拟合效果较好,得出logNf与logε之间的关系式为y=-3.315 7x+14.186,R2=0.963 9。

4 工程应用效果分析

为进一步验证所研超薄铺装养护材料实际路用性能,对其所应用的G318线苏州段进行跟踪观测分析。

4.1 观测方案确定

在运营后的第5、8、11、14个月分别采用三米直尺、构造深度仪与人工调查的方式对路面裂缝、抗滑与车辙情况进行现场观测,如图6、图7所示。

图6 现场车辙检测

图7 局部路段反射裂缝

4.2 使用效果分析

从现场检测结果来看,车辙方面超薄罩面路段车辙深度发展缓慢,现场抽样检测的位置车辙深度均<5 mm,行驶路段和交叉口均未发生车辙病害,在运营过程中表现出良好的抗车辙性能。裂缝方面处治前约40条/km,经养护处理后降至10～15条/km且运营期间裂缝数量没有明显增长,表现出良好的抗裂性能。构造深度方面,运营14个月以后的超薄铺装构造深度与竣工后的构造深度检测指标相比衰减在5%以内,有利于长期保持较高的抗滑性能,提高行车安全性。