高灰分天然岩沥青在高速公路车辙养护改造中的应用研究

一、背景介绍

目前高速公路病害发展呈现主要以车辙、裂缝等病害较为明显,尤其是车辙病害特点如下:车辙病害通车1~3年增长到3~5mm,通车后的3~4年基本处于稳定状态,通车5~8年则快速累积增长,通车时间超过10年的路段,车辙深度平均值超过8mm,部分段落车辙深度大于10mm甚至15mm。严重影响了高速公路通行能力、使用寿命,严重影响驾乘人员的安全性,因此亟需选择性价比优越的路用材料对车辙病害进行养护改造,提高其抗车辙性能、抗水损害、抗反射裂缝以及耐久性。

下图为江苏省高速公路车辙发展与通车年限关系:

1-1 江苏省高速公路车辙发展与通车年限关系(注:数据摘自江苏交通控股历年检测报告,样本包括连徐、宁宿徐、汾灌、宁靖盐、锡宜等高速)

目前市场上最常用的是SBS改性技术,但随着高油价时代的到来,SBS改性技术的改性成本大大的提高,天然沥青的改性技术开始引起业内的关注。而天然沥青是经过长达亿万年的沉积、变化,在热、压力、氧化、触媒、细菌等的综合作用下生成的沥青类物质。尤其天然岩沥青中,氮元素以官能团形式存在,这种存在使岩沥青具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性,特别是与集料的粘附性及抗剥离性得到明显的改善。岩沥青本身的软化点达到300℃以上,加入到基质沥青后,使其具有良好的抗高温、抗老化性能。灰分含量达到50%以上的岩沥青,不仅具有岩沥青的一般特性,而且其中的沥青与灰分通过亿万年的相互作用,形成了较为稳定的作用界面。将其用于沥青混合料当中,不仅能起到对沥青改性的作用,也能改善沥青胶浆的性能,从而提升沥青混合料的综合性能。

针对高速公路车辙病害段落,多为原路面存在一定缺陷或者使用条件较为恶劣,故对其养护所用混合料的性能有更高的要求,特别是抗车辙性能、抗水损害性能以及耐久性。本文就高灰分天然岩沥青在高速公路上面层车辙改善中的应用进行探讨。

 

二、BRA 改性沥青胶浆性能研究

高灰分天然岩沥青(BRA)当中含有 75%左右的灰分,25%左右的天然沥青,灰分和沥青之间通过亿万年的相互作用,形成稳定界面的胶浆,作为胶结料使用可以提高沥青混合料的高温稳定性和抗水损害性能。

BRA 中灰分含量较高,主要是通过对胶浆的改性,来改善混合料的性能。为了调研BRA 对不同沥青胶浆性能的影响,采用 70#沥青、SBS 改性沥青、BRA 和矿粉为原料,在粉胶比 1.2的条件下,按照 BRA 中的灰分对矿粉0%、50%、75%和 100%的替换比例,制备了 BRA 改性基质沥青胶浆和 BRA改性 SBS 沥青胶浆,共 8 组。在胶浆中矿粉和 BRA 中的灰分共同作为粉料,70#沥青或 SBS 改性沥青与 BRA 中的沥青组分共同作为胶结料。

对BRA 改性机理分析试验如下。

2-1  BRA 对沥青胶浆软化点的影响

2-2  BRA 对沥青胶浆针入度的影响

2-3  BRA 对基质沥青胶浆粘度的影响

2-4  BRA 对 SBS 沥青胶浆粘度的影响


通过微观试验对BRA的改性机理,结合 BRA 改性基质沥青胶浆和 SBS 沥青胶浆的宏观性能发现:(1)随着 BRA 中灰分对矿粉替换比例的增加,沥青胶浆的针入度降低、软化点升高,高温性能得到提升;(2)通过添加 BRA,基质沥青胶浆的高温粘度显著增加,能满足施工时的要求;对于 SBS 沥青胶浆,BRA可以提高 100℃的粘度,降低 135℃和 175℃时的粘度,从而改善施工和易性。

 

三、试验路现状及设计方案
3.1改造路面结构设计

某高速公路通车长达 12 年,车辙病害发展速度不断增加和加快,最大车辙深度为 60mm,运行期间内,有些车辙深度在40mm~ 50mm之间,个别地方甚至出现 60mm左右的车辙,路面局部还出现了严重推移、波浪现象。通过钻取芯样观察发现,沥青混合料路面出现车辙变形主要集中于面层。弯沉检测发现,由于面层出现病害,路面强度也随之降低,基层也产生松散、沉陷、纵向裂缝等严重病害。严重影响道路的使用寿命及运营,为了保证高速公路未来的正常运营,提高其通行质量,降低后期养护维修成本,有对其车辙严重段落进行维修改造,提高其路面结构强度和使用质量,减少养护维修的寿命周期费用。针对车辙较严重和结构状况较差路段,采用改性沥青 SMA-13 和 AC-20 等常规路面材料难以达到使用要求,因此结合某高速车辙病害的特点,选择车辙段落在超重交通,车辙深度>15mm以上的段落,BRA 掺量4(%)进行铺筑了 BRA 改性路面的试验段。

根据对 BRA 改性路面结构的分析结果,针对行车道车辙较为严重的状况,选择铣刨 100px上面层,回铺 100px 岩 BRMA-13 的方案。
3.2高灰分天然岩沥青混合料室内试验

以往的研究多将 BRA 应用在连续级配的沥青混合料当中,为了充分发挥BRA 的性能特点,通过适当调整级配组成,适当减少沥青和矿粉的用量,本次采用BRMA-13 混合料中矿物集料选择为玄武岩集料,填料为石灰岩矿粉,沥青胶结料为 SBS 改性沥青,BRA 作为添加剂,掺量为矿料质量的 4%。 

各种集料、矿粉、及沥青的密度试验结果见下表 。

3-1集料密度试验结果

3.3 配合比设计

BRMA-13 混合料级配设计时,先确定三种级配[5](级配 A、级配 B 和级配 C),4.75mm筛孔通过率分别为 28.0%、33.1%、36.3%,分别测定三种级配的 VCADRC,初试总油石比按 5.0%,双面各击实 75 次制作成 型马歇尔试件,测定 VCAmix,测试结果见下表。

3-2 设计级配曲线


3-2  初试级配的体积分析

按级配 B 称取矿料,采用 3 种油石比,双面各击实 75 次成型马歇尔试件,然后将成型的试件进行马歇尔试验,试验结果于下表。

3-3 沥青混合料马歇尔试验结果

3.4 沥青混合料性能评价
3.4.1 谢伦堡析漏试验

通过析漏试验,检验了 BRMA-13 混合料的沥青用量是否存在偏高的情况。在 185±2℃的条件下,将混合料保温 1 小时后采用烧杯法析漏测试,从试验结果可以看出,BRMA-13 混合料的析漏值均小于0.1%。


3-4 析漏试验结果

3.4.2 沥青混合料抗水损害试验

为了检验 BRMA-13 沥青混合料的抗水损害性能,分别进行了最佳油石比下的沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度试验和冻融劈裂试验,试验结果见下表。


3-5   浸水马歇尔稳定度试验结果

从表中可以看出,BRMA-13 混合料的马歇尔残留稳定度比和 TSR 值均满足设计要求,抗水损害性能可以达到 SMA-13 混合料的性能要求。


3.4.3 动稳定度试验

60±1℃,0.7±0.05MPa 条件下进行车辙试验以检验 BRMA-13 沥青混合料的高温稳定性能,动稳定度试验结果如下。

3-3 车辙试件深度照片

3-7  车辙试验动稳定度

3.4.4 低温抗裂性检验

通过低温小梁弯曲试验评价了 BRMA-13 混合料的低温抗裂性能,试验结果如下表所示。

3-8 小梁弯曲试验结果

从表中可以看出,BRMA-13 混合料的破坏应变达到 2614με,满足改性沥青 SMA-13 混合料低温弯曲破坏应变大于 2500με 的变形要求。

通过 BRA 复合改性 BRMA-13 混合料的设计与性能研究,发现:(1)通过降低沥青和矿粉用量,适当调整级配制备的 BRMA-13混合料,可以达到 SBS 改性沥青 SMA-13 混合料的性能要求;(2)BRMA-13 混合料在水稳定性和低温抗裂性能方面与常规 SBS 改性SMA-13 混合料基本相当,但是抗车辙性能具有明显的优势,并且沥青混合料的强度大幅提高;(3)BRMA-13 混合料的动稳定度达到 9598 次/mm,比 SMA-13 混合料提高近 53%,较宜用于重载沥青路面的上面层。

 

四、工程应用

为了以减小混合料的空隙率,对 BRA 改性混合料级配设计时,适当调整了了 BRA 的掺量,级配设计时增加了矿粉用量和油石比,提高0.075mm 的通过率。

4-1  BRA 改性混合料级配调整情况

从图中可以看出, BRA 试验段所采用的 BRMA-13 混合料,碾压后表面密实,骨架效果明显。

4-2  BRMA-13 混合料的铺面效果

工后对试验段进行了渗水系数的测试,经过优化级配和油石比,增加胶轮复压遍数, BRA 改性路面试验段的渗水系数降低至 30ml/min 以下。

 

五、长久性观测

经过2016年经历了交通荷载、雨雪天气和冬夏循环的共同作用,我们对维修的路段进行了严密的跟踪观测,整体路况良好,无裂缝、坑槽以及车辙病害。BRA试验段行车道中心和轮迹处钻取芯样,于实验室切割后分别测定上面层BRMA-13混合料的60℃高温劈裂强度,并与试验路施工时保存的芯样进行对比,以反映BRA改性沥青混合料在通车一年后的强度变化情况,试验结果如下。

5-1比较段落车辙平均值

5-1 通车一年后 BRA 改性路面芯样的劈裂强度


通车以后,由于面层沥青老化,车轮荷载的压密作用,会造成混合料强度的上升,而车辙平均值表现出了较强抗车辙的能力,说明其在高温稳定性等方面的性能是优于SBS改性沥青的;同时 BRMA-13混合料的强度与通车前相比增幅不大,表明面层BRMA-13混合料的沥青老化程度较小,同时表明BRA可以提高胶浆耐老化性能的结果,并且轮迹处和车道中心处的劈裂强度差异较小,未出现明显的压密变形,混合料的强度比较稳定,综上可以看出BRA改性路面具有良好的耐久性。

 

六、结论

随着社会的发展,随着高油价时代的到来,SBS改性技术的改性成本大大的提高,天然沥青的改性技术开始引起业内的关注,同时高速公路养护期的到来,10年以上的高速公路大规模车辙病害的产生、发展,严重影响了道路使用性、安全性。结合高速公路养护改造,采用价格高灰分天然岩沥青对沥青混合料性能进行改性,从而在高速公路上面层车辙养护改造中进行尝试,其高灰分天然岩沥青混合料提高沥青路面的养护质量,减少施工过程中温室气体排放、进一步延长沥青路面使用寿命具有重要意义,对于今后高速公路沥青路面养护设计和施工、科研具有重要指导价值。

 

转载自微信公众号养护与管理




















2018-06-07

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