抗车辙剂改性SMA-13沥青混合料路用性能研究.pdf

-80-抗车辙剂改性SMA-13沥青混合料路用性能研究翟晓春（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）摘要：基于SMA-13级配，对不同抗车辙剂掺量下沥青混合料的配合比进行了设计，对相关性能进行了试验与应用研究。试验结果表明：在普通SMA-13沥青混合料中掺入一定量抗车辙剂后，高温稳定性提升显著，低温抗裂性能及水稳定性能亦均有一定程度提升，且各项性能均在抗车辙剂掺量为0.4%时达到最大值，高温稳定性能提升了约495%。工程应用表明：道路在采用抗车辙改性沥青混合料作为路面面层后，路面平整密实，长期路用性能优异，未出现车辙、裂缝、拥包等病害；工程应用中，建议“抗车辙王”抗车辙剂的最佳掺量取0.4%。关键词：沥青混合料；抗车辙剂；SMA-13；室内试验；工程应用中图分类号：U414文献标识码：ARoad performance of SMA-13 asphalt mixture modified by anti rutting agentZHAI Xiaochun（Shanxi Provincial Transportation Planning Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Shanxi Taiyuan 030032 China）Abstract:BasedonSMA-13gradation,themixproportionofasphaltmixturewithdifferentantiruttingagentcontentisdesigned,andtherelevantperformanceistestedandapplied.ThetestresultsshowthatafteraddingacertainamountofantiruttingagentintotheordinarySMA-13asphaltmixture,thehigh-temperaturestabilityissignificantlyimproved,andthelow-temperaturecrackresistanceandwaterstabilityarealsoimprovedtoacertainextent.Moreover,allpropertiesreachthemaximumwhentheamountofantiruttingagentis0.4%,andthehigh-temperaturestabilityisincreasedbyabout495%.Theengineeringapplicationshowsthattheroadsurfaceissmoothanddenseaftertheantiruttingmodifiedasphaltmixtureisusedasthepavementsurfacelayer,andthelong-termroadperformanceisexcellent,withoutrutting,cracks,bagsandotherdiseases.Inengineeringapplication,itissuggestedthattheoptimumcontentofantiruttingkingantiruttingagentis0.4%.Key words:asphaltmixture;antiruttingagent;SMA-13;indoortest;engineeringapplication引言沥青路面是我国公路建设中主要采用的形式，具有平整、坚实、噪声低、施工养护方便等优势，但随着交通流量及重载交通不断加大，叠加全球气候变暖的影响，我国沥青路面频繁出现高温车辙与裂缝病害，降低了道路的使用性能与寿命1-2。抗车辙剂作为一种高分子聚合物，主要成分为PE材料，国内外已有研究表明：在沥青混合料中加入一定量抗车辙剂后，可以显著改善混合料高低温性能3。但已有研究不完善，对抗车辙剂的最佳掺量缺乏系统的试验与工程应用论证。基于SMA-13型级配，对不同抗车辙剂掺量下沥青混合料的配合比进行设计，对相关性能进行室内试验研究，并结合具体应用实例对最佳抗车辙剂掺量下混合料的性能进行验证。1 室内试验1.1 试验材料（1）沥青：选用AH-90石油沥青，性能检测结果见表1。表 1 AH-90 石油沥青性能检测结果指标测值技术要求15 密度/（g cm-3）1.034实测15 延度/cm150100闪点/29924525 针入度/（0.1 mm）8880100软化点/4945（2）抗车辙剂：试验选用“抗车辙王”牌抗车辙剂，相关性能见表2。收稿日期：2022-08-30作者信息：翟晓春（1984），男，山西阳泉人，高级工程师。2023 年第 3 期山东交通科技-81-表 2 抗车辙剂性能指标粒径/mm拉伸强度/MPa软化点/熔点/密度/（g cm-3）627.9164147.61.03（3）集料：集料选用玄武岩碎石，选用石灰岩作矿粉，集料相关性能见表3。表 3 集料性能检测结果集料种类指标检测结果规范标准粗集料坚固性/%9.512针片状含量/%8.515压碎值/%14.226洛杉矶磨耗损失%11.428磨光值（BPN）6442细集料砂当量/%7765矿料含水率/%0.881亲水系数11表观相对密度2.832.51.2 抗车辙剂改性沥青混合料配合比设计1.2.1 级配设计选用SMA-13型级配，级配设计见表4。表 4 矿料级配设计（SMA-13）级配类型集料过以下筛孔（mm）质量百分率/%0.0750.150.30.61.18 2.36 4.759.513.2 16级配范围8 129 1510 1612 2014 2415 2620 3450 7590 100100设计级配9.813.4 14.5 16.4 22.0 26.2 29.6 67.3 94.0 1001.2.2 油石比设计根据矿料级配设计制备试件进行马歇尔试验，确定6.2%为最佳油石比，试验结果见表5。1.3 试验方案分别取抗车辙剂的掺量为0%、0.3%、0.4%、0.5%，参照公路沥青路面施工技术规范（JTGF402004）制备试件进行室内试验，试验方案见表6。表 5 马歇尔试验结果最佳油石比/%最大理论相对密度毛体积相对密度VMA/%VCAmix/%VFA/%空隙率/%稳定度/kN0.1流值/mm6.22.5912.47619.3840.7377.064.3612.2743.4规范要求-16VCADRC758534.562050表 6 室内试验方案名称试件尺寸/mm评价指标试验条件高温车辙试验30030050动稳定度温度60，轴载0.7 MPa低温小梁弯曲试验2503035弯拉破坏应变三点加载法、温度-10，加载速率50 mm/min冻融劈裂试验101.663.5冻融劈裂强度比1组25 水浴养护2 h，另一组-18 冰冻16 h60，水浴养护24 h25 水浴养护2 h弯曲疲劳试验5005 0002 400疲劳寿命加载频率10 Hz，温度20 2 室内试验结果分析2.1 高温稳定性车辙试验结果见图1。动稳定度/（次mm-1）图 1 车辙试验结果14 00012 00010 0008 0006 0004 0002 00000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6抗车辙剂掺入量/%由图1可知，增大抗车辙剂掺量后，动稳定度先增后降，动稳定度在抗车辙剂掺量为 0.4%时，达到了最大值6629次mm-1，沥青与集料的胶结性能最佳，此时相比于未掺抗车辙剂混合料，动稳定度提升了约495%，高温稳定性能提升十分显著。观察曲线变化幅度可知，当抗车辙剂掺量0.4%时，动稳定度增长幅度逐渐增加，抗车辙剂掺量由0.3%增长到0.4%时，增长幅度最大。若继续增加掺量，动稳定度将降低。因此，针对高温稳定性能，抗车辙剂最佳掺量取0.4%，且不宜高于0.4%。2.2 低温抗裂性能低温弯曲试验结果见图2。翟晓春：抗车辙剂改性 SMA-13 沥青混合料路用性能研究-82-图 2 车辙试验结果4 0003 8003 6003 4003 2003 0002 8002 6002 4002 2002 0000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6弯拉破坏应变/抗车辙剂掺入量/%由图2可知，抗车辙掺量0.4%时，弯拉破坏与抗车辙剂近似呈线性相关关系，随着抗车辙剂掺量增加，低温抗裂性能逐渐增加。当抗车辙剂掺量达到0.4%时，弯拉破坏应变达到最大值3311，相比于 0%抗车辙剂掺量沥青混合料，提升了约13%。但当抗车辙剂掺量0.4%后，低温抗裂性能开始出现较大程度降低，当掺量达到0.5%时，低温抗裂性能与未掺抗车辙沥青混合料相近。2.3 水稳定性能冻融劈裂试验结果见图3。抗车辙剂掺入量/%0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.69088868482807876747270劈裂强度比/%图 3 冻融劈裂强度试验结果由图3可知，抗车辙剂掺入后，冻融劈裂强度比先增后减，当掺量0.4%时，劈裂强度比与抗车辙剂掺量呈线性相关关系，当掺量为0.4%时，水稳定性能最为优异，相对于未掺车辙剂沥青混合料，冻融劈裂比提高了约14%，水稳定性能有一定的提升。随着抗车辙掺量继续增加，水稳定性能出现降低。因此，抗车辙剂掺量为0.4%时，水稳定性能最佳。2.4 抗车辙剂改性机理分析抗车辙剂通过改性沥青性能、增强集料黏结性能及加筋等作用提高沥青混合料性能，具体改性机理4-5：（1）改性沥青性能：抗车辙剂掺入后将溶解在沥青中，产生胶结作用，有效提高沥青黏度，降低软化点。（2）提高集料黏结性能：抗车辙剂与集料拌和过程中，可黏附在集料表面，增强集料之间黏结性能。（3）纤维加筋作用：抗车辙剂在试件的拌和与成型过程中可形成劲度较强的微结晶区，同时抗车辙剂将在集料之间形成塑料纤维，众多纤维紧密地将集料连接在一起，形成加筋作用。（4）骨架密实作用：拌和过程中，抗车辙剂临时软化于沥青混合料中，碾压过后抗车辙剂颗粒热塑成型，有效填充了混合料之间的空隙，增强了骨架作用，提高了整体性能。3 工程应用3.1 工程概况某新建二级公路，建成后将作为该地区一处大型煤矿的连接通道，重载交通多，交通流量大。考虑到实际情况，该路面设计采用4cm厚SMA-13抗车辙改性沥青混合料，施工现场所采用材料及配合比设计均同室内试验，抗车辙剂掺量取0.4%。3.2 施工要点（1）拌和：为了确保抗车辙剂分散均匀，应在拌和过程中对时间与温度进行严格控制，每盘料的拌和时间差异均为5s，温度差异均为5。应注意投料顺序及拌和要点：同时倒入热集料、抗车辙剂干拌（时间约15s）喷入160170热沥青湿拌（时间约为35s）出料。（2）摊铺：摊铺时宜确保天气晴朗，温度15，摊铺速率2m/min。（3）碾压：初压宜选用双钢轮压路机（静压1遍，振动碾压2遍）、复压宜选用轮胎压路机（碾压56遍）、终压宜选用钢轮压路机（碾压2遍）。（4）养护：自然冷却，开放交通应在48h后。施工过程温度控制参照表7。表 7 温度控制标准施工工序温度控制/沥青加热160170矿料加热180200拌和温度170190混合料出厂170180运输至现场150现场摊铺165175碾压160170碾压终了1003.3 性能检测与评价该二级公路路面施工完成后，参照公路路基路面现场测试规程（JTG34502019）及时对相关性能进行了验收检测，检测结果见表8。2023 年第 3 期山东交通科技-83-表 8 路面性能检测结果检测项目检测结果规范要求压实度9790构造深度/mm0.940.55渗水系数/（ml min-1）14.7200 抗滑值（BPN）7445由表8可知，该二级公路施工质量良好，各项性能检测结果满足设计与规范要求。3.4 持续观测与评价该地区夏季温度较高，同时该道路作为地区重要矿物运输通道，经历了复杂的行车荷载与交通流量，该道路施工完成并通车2a内，对其进行了持续观测与评价。观测结果表明：该道路采用抗车辙沥青混合料作为路面上面层，路面平整密实，未出现车辙、裂缝、拥包等病害，实际应用效果优异，值得推广。4 结语（1）普通SMA-13沥青混合料的动稳定度在掺入一定量抗车辙剂后先增加后降低，当抗车辙剂掺量为0.4%时达到最大值，动稳定度提升了约495%，高温稳定性能显著提升。（2）在普通SMA-13沥青混合料掺入抗车辙剂后，低温抗裂、水稳定性能均有一定程度的提升，且均在掺量为0.4%时达到最大值。（3）工程应用表明：道路上面层采用抗车辙改性SMA-13沥青混合料后，长期路用性能优异，路面平整密实，未出现车辙、裂缝、拥包等病害。（4）工程应用中，建议“抗车辙王”抗车辙剂的最佳掺量取0.4%。参考文献：1 樊长昕,王威.抗车辙剂改性沥青混合料动稳定度变异性研究J.山西交通科技,2021（3）:48-50.2 马红梅,贾永平.不同种路用抗车辙剂应用性能分析J.公路交通科技（应用技术版）,2019,15（10）:12-16.3 吴应升,曹帆,李旖.AC-16混合料对抗车辙剂的路用性能响应分析J.西部交通科技,2016（9）:17-20.4 王晨.基于重载交通下沥青混合料抗车辙性能研究D.唐山:华北理工大学,2021.5 奚龙飞.抗车辙剂LY在沥青混合料中的应用研究D.西安:长安大学,2017.6 张武廷.抗车辙剂在重载交通道路中的应用研究D.重庆:重庆交通大学,2015.（上接第79页）沉降的主要原因。（2）当黄土路基中土单元受到侧向约束作用下变形将被限制，导致沉降量减小，距约束力较远的黄土路基土，由于约束力小，沉降就会比较大，所以呈现出了差异沉降。（3）黄土路基不同类型的填方路基沉降值大小差异较大，但是变化规律较一致，沉降变形呈近似于中心对称的抛物线形式。参考文献：1 杨三强,段士超,刘娜,等.黄土质高填方路基沉降变形与预测J.河北大学学报（自然科学版）,2020,40（5）:454-460.2 安惠娟.黄土高填方路基沉降规律及机理研究J.西部交通科技,2018（6）:63-65,79.3 袁航,辛延甫,余小龙.黄土湿陷性对路基沉降影响的FLAC3D模拟J.公路交通科技（应用技术版）,2017,13（8）:158-159.4 时兴隆.黄土地区某高速铁路路基沉降控制技术研究D.兰州:兰州交通大学,2018.5 袁博.黄土路基湿陷变形对挤密区影响的数值模拟研究J.粉煤灰综合利用,2021（2）:65-69.6 鲍燕妮.黄土地区高填方路基病害分析及处理方法J.城市道桥与防洪,2021（8）:107-110,118.