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沥青路面车辙问题广泛存在于高温地区重交通荷载、交通流量大及长大纵坡路段。车辙病害问题对于路面的行车舒适性、安全性及其他使用功能有较大的影响,已然成为路面建设、养护及维修中亟待解决的问题。
从产生机理方面分析,主要分为结构性车辙及流动性车辙两种,前者可通过控制施工质量控制路面基层强度解决,后者主要是由于沥青面层结构强度不足引起,可通过改善级配方案、采用改性沥青,或在混合料中掺入纤维聚合物、抗车辙剂等外加剂进行改善。由于施工方便且具有良好的经济效益,抗车辙剂是目前广泛采用的方式。
目前,抗车辙剂的种类较多,不同抗车辙剂的用途及性能均不同。在众多学者研究及探讨基础上,选用抗车辙剂掺入普通沥青混合料中,并对其在不同抗车辙剂掺入量下的路用性能进行了室内试验研究,并通过相关工程实例对其实际应用效果进行观测及评价。
1室内试验
(1)抗车辙剂:抗车辙剂是由多种聚合物复合而成,相关物理性能见表1。参照相关研究成果,其在沥青混合料中的推荐掺入量为0.3%~0.5%。(2)沥青:采用重交AH-70沥青,参照相关规范标准。(3)集料:选用石灰岩碎石作为粗集料及细集料,石灰岩磨细后的石粉作为矿物填料,参照相关规范标准。不同粒径下的矿料表观密度。
抗车辙剂物理性能
粒径 | 密度 | 熔点 | 填充物 | 纤维合物 |
(mm) | (g/cm3) | (℃) | (%) | (%) |
3~6 | 0.97 | 141 | <5 | >95 |
1.2配合比设计
(1)矿料级配
采用AC-13型级配制备沥青混合料,为使沥青混合料试件具备良好的高温稳定性能,目标级配设计曲线应呈良好的S型曲线。
(2)油石比的确定
油石比的确定采用马歇尔试验,不掺加抗车辙剂的情况下,按目标级配组成制备马歇尔试件并进行试验,试验结果见表6。可知,试验所得AC-13普通沥青混合料的最佳油石比为4.9%,掺入抗车辙剂后的沥青混合料,其油石比相应增加2%。因此,最佳油石比确定为5.1%。
沥青的性能指标
指标 | 测值 | 技术要求 | |
针入度(25℃)(0.01mm) | 72.8 | 60~80 | |
软化点(℃) | 47 | ≥46 | |
延度(15℃,5cm/min)(cm) | >151 | ≥100 | |
含蜡量(蒸馏法)(%) | 1.73 | <2.2 | |
闪点(℃) | 272 | ≥260 | |
溶解度(%) | 99.7 | ≥99.5 | |
密度(15℃)(%) | 1.014 | 实测 | |
RTFOT后残留物 | 质量变化(%)0.000867≤(±0.8)残留针入度比(25℃)(%)67.37≥61 残留延度(10℃)(cm)>90≥6 |
集料的物理性质指标
指标 | 压碎值(%) | 洛杉矶磨耗值(%) | 针片状颗粒 含量(%) | 含泥量 (%) |
测值 | 18.6 | 24.7 | 7.8 | 0.6 |
规范要求 | ≯26 | ≯28 | ≯15 | ≯1 |
不同粒径下的矿料表观密度
矿料种类 | 表观密度(g/cm3) |
石灰岩(13.2mm) | 2.761 |
石灰岩(9.5mm) | 2.764 |
石灰岩(4.75mm) | 2.765 |
矿粉 | 2.734 |
沥青混合料级配组成(AC-13)
孔径 (mm) | 0.075 | 0.15 | 0.3 | 0.6 | 1.18 | 2.36 | 4.75 | 9.5 | 13.2 | 16 | |
设计级配范围(%) | 4~8 | 5~15 | 7~20 | 10~ 28 | 15~ 38 | 24~ 50 | 38~ 68 | 68~ 85 | 90~ 100 | 100 | |
实际级配 (%) | 5.5 | 8.2 | 11.7 | 18.1 | 24.9 | 36.4 | 51.4 | 74.7 | 93.8 | 0 |
AC-13型普通沥青混合料马歇尔试验结果
指标 | 空隙率 | 饱和度 | 流值 | 稳定度 | 最佳油 |
(%) | (%) | (mm) | (kN) | 石比(%) | |
规范值 | 4~6 | 65~75 | 2~4 | >7.5 | - |
实测值 | 4.5 | 73.6 | 4.4 | 9.4 | 4.9 |
1.3试验方案
按目标设计级制备配抗车辙剂沥青混合料试件,抗车辙剂的掺入量分别取0%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、5%,最佳油石比为5.1%。根据相关规范标准对抗车辙剂沥青混合料试件分别进行车辙、低温弯曲及浸水马歇尔试验。
2室内试验结果分析
2.1抗车辙剂掺入量对高温稳定性的影响
采用轮碾法制备试件进行车辙试验,设定温度、轮压分别为60℃、0.7MPa。试件的变形量采用车辙试验仪进行检测,并由变形量计算动稳定度。可知,对于普通沥青混合料,抗车辙剂的掺入明显提高了其动稳定度。当抗车辙剂的掺入量分别为0%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、5%时,其对应的动稳定次数分别为1358次/毫米、4832次/毫米、6785次/毫米、7853次/毫米、8567次/毫米、8871次/毫米,动稳定度在抗车辙剂掺入量的不断增大情况下,呈增大趋势。其中,掺入量由0%增加到0.35%后,动稳定度达到了普通沥青混合料试件的近5倍,远远满足规范要求,具有良好的高温稳定性能,抗车辙性能优异。此后,随着抗车辙剂掺入量的进一步增加,试件的动稳定度增长幅度逐渐减少,这是因为抗车辙剂在沥青混合料的分布形态与密度逐渐趋于平衡。
2.2抗车辙剂掺入量对低温稳定性的影响
采用MTS试验设备进行小梁弯曲试验,试验温度及加载速率分别设定为15℃、50mm/min。当抗车辙掺入量为0.35%时,其破坏应变为2886uε,相比于普通沥青混合料破坏应变
2465uε,提高了17.1%,且满足规范中对于低温破坏应变(改性沥青混合料)应大于2500uε的规定。但当抗车辙剂的掺入量大于0.35%后,低温稳定度性能增强不再明显,并且当掺入量大于0.4%后,抗车辙剂沥青混合料的破坏应变甚至出现了降低。因此,基于低温稳定性能,抗车辙的最佳掺入量取0.35%。
2.3抗车辙剂对水稳定性的影响
采用浸水马歇尔试验进行水稳定性能测定,并以残留稳定度作为评测指标,对于沥青混合料的残留稳定度,其在抗车辙剂掺入量增长情况下呈先增大后减小的趋势,当抗车辙剂掺入量为0.35%时,其残留稳定度为最大值,达到了93.4%,比普通沥青混合料增加了11.2%,水稳定性能有较好的增长。基于抗车辙剂沥青混合料的水稳定性能,取抗车辙的最佳掺入量为0.35%。
沥青混合料的残留稳定度
抗车辙剂掺量(%) | 0 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.45 | 0.5 |
标准马歇尔试验 稳定度(kN) | 9.4 | 12.4 | 13.7 | 14.3 | 14.6 | 15.1 |
浸水马歇尔试验 稳定度(kN) | 7.9 | 11.5 | 12.8 | 12.7 | 12.6 | 13.2 |
残留稳定度(%) | 84 | 92.7 | 93.4 | 88.8 | 86.3 | 87.4 |
2.4抗车辙剂改性机理分析
(1)增大集料的粘结性能:抗车辙剂在与集料的拌和过程中,将会部分粘附在集料上,通过自身较好的粘结作用从而增大了集料粘结性能。(2)对沥青进行改性:拌和过程中,抗车辙剂将会在沥青中部分溶解,通过两者之间的胶结作用从而提高沥青的粘度及软化点温度。(3)加筋及增强韧性的作用:对于复合聚合物型抗车辙剂,其与沥青混合料在加热拌和过程中逐渐发生软化,使得聚合物中的微结晶区形成塑料纤维,在胶结料体系中起到加筋作用,加大了相互作用力,进而增强了沥青混合料的整体性能,使得混合料承载性能增强,韧性得到提高,同时降低了混合料的渗透性能。
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