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高模量瀝青添加劑對混合料路用性能的影響
2023年07月17日    閱讀量:11477    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘 要:

以某新建高速公路工程為依托,針對該公路所在地區特殊的環境條件及重載交通運行量大等客觀實際,選取法國產PR Module和PR SPLAST功能型高模量添加劑進行了瀝青混合料試件制備,并開展高模量瀝青混合料高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩性、抗疲勞性能等的試驗,以研究不同類型添加劑對瀝青混合料路用性能的影響。結果表明,高模量添加劑可在不影響普通瀝青混合料低溫性能的基礎上提升其高溫穩定性、抗水損性和抗疲勞性能,且PR SPLAST功能型高模量添加劑的改善效果較為顯著。


關鍵詞: 高模量瀝青;添加劑;混合料;路用性能


0 引言


隨著我國交通運輸事業的發展,高速公路使用率增加,由此而引發的道路病害問題也日益凸顯,其中因瀝青路面高溫穩定性不足而造成的車轍病害在路面病害中的占比達到 70% 以上瀝青網sinoasphalt.com。國內外相關學者針對此問題也展開深入研究,并提出了高模量瀝青混凝土的概念,該形式的瀝青混合料具有較好的水穩性和高溫穩定性,能增強路面抗車轍性能和表觀耐久性。當前,國內對高模量瀝青混合料的研究主要集中在其低溫穩定性和抗疲勞性等方面,而對高模量添加劑的相關研究較少,更未對高模量添加劑的作用機理展開研究和分析[1]。作用機理不明確的情況下,便無法準確判斷添加劑所起到的作用,造成添加劑選擇不合理,往往僅側重瀝青混合料抗車轍性能的提升,難以兼顧低溫抗裂性、高溫穩定性。本文選取法國產 PR Module 和 PRSPLAST 功能型添加劑,進行高模量瀝青混合料高低溫穩定性、水穩性及抗疲勞性能等的試驗研究,為高模量瀝青混合料在我國高速公路中的推廣應用提供借鑒參考。


1 工程概況


某新建高速公路全長49.593km,本標段為第2合同段,起訖樁號為K275+570—K285+847,線路長10.277km,共包括 1 處互通式立交、1 處分離式立交,1 座連體式隧道,該合同段挖填方總量分別為 100.9956×104m3和93.7241×104m3。該合同段路面層為 4cm 厚中粒式瀝青抗滑表層、5cm厚中粒式瀝青混凝土層、6cm厚粗粒式瀝青混凝土層,基層為32cm厚水穩碎石基層,16cm厚低劑量水穩砂礫底基層??紤]到公路工程所在地夏季高溫多雨,根據預測,待建路段交通量較大,重載車輛多,為預防公路建設完成投運后短時間內出現車轍等病害,決定使用高模量瀝青混合料,以延長瀝青路面使用壽命。


2 試驗方案


2.1 試驗材料


(1) 粗細集料。根據高模量瀝青混合料特性,應當按照增大模量的原則選擇集料,粗集料選擇棱角性和抗磨性較好的高強度石灰巖石料;細集料則選用干燥清潔、形狀接近立方體、棱角分明的石灰巖,用于填充粗集料骨架間隙。粗細集料物理性能見表1,石料壓碎值為 15.8%,洛杉磯磨耗損失為 13.7%,磨光值為48,針片狀顆粒質量分數為 7.9%,水洗法下粒徑小于0.075mm的顆粒質量分數為0.4%,沖擊值為16%,均滿足相關技術要求。

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(2) 瀝青。結合試驗結果,為保證高模量瀝青具備較好的抗車轍性能及高溫穩定性,必須使用黏稠度較大的瀝青材料。本研究選用 A 級 70#道路石油瀝青,20℃針入度為 68 (0.1mm),10℃和 15℃延度分別大于20cm 和 100cm,軟化點為 49℃,蒸餾法蠟質量分數為2.1%,溶解度為 99.8%,閃點為 277℃,15℃的密度為1.003g/cm3。薄膜加熱試驗后質量變化 0.1%,殘留針入度 比 為 59%, 10℃ 和 15℃ 殘 留 延 度 分 別 為 10cm 和18cm,均符合規范及設計要求。


(3) 礦粉。通過與瀝青材料拌和后形成瀝青膠漿,并充分填充混合料空隙,影響并決定混合料強度及穩定性??紤]到石灰巖、玄武巖等堿性石料具有更強的黏附性能,可用于高模量瀝青混合料礦粉的制備,本研究主要采用公路工程所在地石灰巖加工而成的表觀密度為2.651g/cm3的礦粉。


(4) 添加劑。結合 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011) 相關規定,在普通瀝青中摻加添加劑制備高模量瀝青混合料可顯著改善瀝青材料的溫度敏感性、黏彈性,提升混合料模量[2]。本研究主要選取法國產 PR Module 和 PR SPLAST 功能型添加劑,按照0.35%的比例摻加,兩種添加劑外觀形態均為黑色圓柱體顆粒,PR Module添加劑尺寸為 5mm,熔點為 178℃,質量密度為 0.95~0.968g/cm3;PR SPLAST 添加 劑 尺 寸 2~4mm, 熔 點 為 143~153℃ , 質 量 密 度 為0.90~0.958g/cm3。


2.2 試驗方案


在瀝青混合料中摻加不同類型的添加劑后,按照相同級配及瀝青種類制備試件,進行高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩性、疲勞性能等試驗及對比分析。


(1) 高溫穩定性試驗。在 60℃的試驗溫度下進行標 準 軸 載 試 驗 , 車 轍 板 試 件 長 30cm、 寬 30cm、 厚10cm。動穩定度即為每產生 1mm 變形所對應的軸載行走次數,通常情況下動穩定度取值大小和觀測時間、變形量、膠輪往返速度等有關。


(2) 低溫抗裂性試驗。根據工程應用結果,高模量瀝青混凝土抗車轍性能良好,高溫穩定性能優異,故應當將試驗重點放在其低溫抗裂性能的研究方面。按照試驗規程的要求,應根據低溫彎曲破壞試驗中試件破壞時的荷載及跨中撓度值所對應的混合料最大彎拉應變確定其低溫性能。


(3) 水穩性試驗。對于積水瀝青混凝土路面,車輛反復荷載作用會引發路面空隙中壓強的變化,造成空隙中積水反復循環,瀝青材料黏結力也持續下降,并持續出現瀝青老化、強度降低、松散剝落等顯著病害。根據 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011),應在標準試驗基礎上,進行試件非凍融劈裂強度和凍融循環劈裂強度測量,并得出試件殘留穩定度,進行混合料水穩性能表征。


(4) 疲勞性能試驗。在運營過程中,瀝青路面長時間受到行車反復循環荷載作用后應力應變會發生改變,進而引發路面疲勞破壞。當前國內外檢測和評價瀝青混合料疲勞性能的方法較多,結合公路工程實際,本文主要采用能體現瀝青路面實際應力狀態的重復彎曲疲勞試驗,分別在試驗溫度 15℃,試驗頻率 10Hz,應變分別為 300με、400με 和 500με 下進行普通 AC-20瀝青混合料、PR Module 型高模量瀝青混合料和 PRSPLAST型高模量瀝青混合料疲勞性能試驗。


 3  試驗結果及分析


3.1 高溫穩定性


按照以上試驗方案,進行高模量瀝青混合料車轍試驗,結果見表2。根據試驗結果,普通AC-20瀝青混合料動穩定度均值僅為 1 456 次/mm,而按照設計配比摻加PR Module和PR SPLAST高模量添加劑后動穩定度實測均值均超出10 000次/mm,且PR SPLAST型高模量瀝青混合料高溫穩定性能最優。

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3.2 低溫抗裂性


按照所提出的試驗方案展開不同添加劑下高模量瀝青混合料低溫彎曲試驗,根據試驗所得混合料破壞應變進行其低溫穩定性能的評價。試驗結果見表3。由表 3 可知,普通 AC-20 瀝青混合料破壞應變均值為2 013.7με,PR Module型及 PR SPLAST型高模量瀝青混合料低溫彎曲破壞應變均值與普通混合料十分接近;PR SPLAST型高模量瀝青混合料勁度模量比普通瀝青混合料高 310.86MPa,低溫穩定性能有所降低。如果忽略試驗操作方面的誤差,則可以得出,PR Module 型及PR SPLAST型高模量瀝青混合料均能在顯著改善混合料高溫穩定性能的基礎上,保持穩定的低溫性能。

高模量瀝青添加劑對混合料路用性能的影響 瀝青網,sinoasphalt.com

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3.3 水穩性


通過凍融劈裂試驗進行普通瀝青混合料和高模量瀝青混合料水穩性能檢驗,通過凍融劈裂試驗結果分析得知,普通 AC-20 瀝青混合料與高模量瀝青混合料均具有良好的水穩性能,而高模量混合料凍融劈裂強度最高可達1.26MPa,遠遠高于普通AC-20瀝青混合料0.512MPa 的凍融劈裂強度。通過分析原因不難看出,瀝青材料和集料之間的黏結性能因高模量瀝青的摻加而增大,瀝青膜厚度也顯著增加[3]。此外,PR Module型高模量瀝青混合料和 PR SPLAST 型高模量瀝青混合料凍融劈裂強度比分別為 85.6% 和 92.8%,比普通瀝青混合料的82.1%高,這也說明高模量添加劑在普通AC-20 瀝青混合料較好水穩性的基礎上,使混合料水穩性進一步提高。


3.4 疲勞性能


結合試驗方案,采用更符合該公路路面實際受力狀況的重復彎曲疲勞試驗進行瀝青混合料疲勞性能測試,試驗結果見表4。根據試驗結果,與普通AC-20瀝青混合料相比,高模量混合料疲勞壽命至少提升 2~3倍,疲勞性能明顯提升;且根據線性擬合關系,瀝青混合料試件疲勞壽命與小梁底面跨中應變存在較好的線性擬合關系[4]。

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4 結語


綜上所述,對于重交通高速公路而言,按照0.35%的質量比摻加高模量瀝青添加劑能使瀝青混合料性能明顯改善,高模量瀝青混合料的動穩定度可達到普通瀝青混合料的 10 倍,并使混合料高溫穩定性能顯著提升;而高模量瀝青混合料低溫彎曲破壞應變與普通混合料較為接近,表明高模量添加劑的使用可在有效改善混合料高溫穩定性的同時,保證其低溫性能不被破壞;最后,高模量瀝青混合料疲勞壽命可比普通瀝青混合料提升 2~3 倍以上??傊?,PR Module 型和 PRSPLAST 型高模量添加劑 (尤其是后者) 在我國重交通道路建設中具有廣闊的應用前景。


參考文獻:

[1] 王瑞林,袁光權 . 高模量瀝青的研發及其性能提升[J]. 材料科學與工程學報,2022,40(2):255-260,299.

[2] 陸由付,李燕奪,陳謙. 外摻劑高模量瀝青混合料性能研究[J]. 內蒙古公路與運輸,2022(1):11-14.

[3] 梁波 . 高模量瀝青混合料綜合性能評價試驗研究[J].山西建筑,2022,48(2):108-111.

[4] 張晗,佟禹,賈勁松,等. 高模量瀝青膠結料性能試驗研究[J]. 市政技術,2021,39(12):114-117.


標簽:行業新聞,技術中心,瀝青混凝土
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