改性瀝青混合料路用性能的對比研究

李松+田悅

摘要：高模量瀝青混合料作為一種新型路面材料，具有優(yōu)良的抗車轍性能。為了研究摻加不同改性劑高模量瀝青混合料綜合性能，以AC-25C高模量瀝青混合料為研究對象，通過對70#普通、SBS和RA 三種瀝青混合料的高溫性能、變形性能、水穩(wěn)定性和低溫性能等試驗(yàn)研究，對比試驗(yàn)和分析了不同改性劑下高模量瀝青混合料的路用性能，從而比較出摻加改性劑的高模量瀝青混合料的優(yōu)越性。

Abstract： High modulus asphalt mixture has a good anti-rutting performance as a new type of pavement material. In order to study the comprehensive properties of high modulus asphalt mixture with different modifiers， AC-25C high modulus asphalt mixture is used as the study object， and the pavement performance of high modulus asphalt mixture with different modifiers is analyzed through the test study of the high temperature performance， deformation performance， water stability and low temperature performance of three kind of asphalt mixtures of 70 # ordinary， SBS and RA， then the superior of high modulus asphalt mixture with modifiers is shown through comparison.

關(guān)鍵詞：高模量；AC-25C；瀝青混合料；路用性能；改性劑

Key words： high modulus；AC-25C；asphalt mixture；pavement performance；modifier

中圖分類號：TU528.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0074-02

0 引言

瀝青混合料是道路交通工程中不可缺少的施工材料。瀝青公路在運(yùn)營期間，路面長期承受行車荷載，加之雨雪等惡劣氣候的影響，若不定期養(yǎng)護(hù)，公路的性能和壽命都將大受影響。具體來說，瀝青混合料的性能主要包括水穩(wěn)性、耐久性、抗疲勞性能、低溫抗裂性能以及高溫穩(wěn)定性能等等。近些年，國內(nèi)出現(xiàn)了一種新型路用材料——HMAC。目前我國道路工程領(lǐng)域?qū)@種材料的性能及各項(xiàng)指標(biāo)都不了解，不確定性的因素過多，所以某些地質(zhì)條件復(fù)雜、氣候多變、車流量較大的道路施工項(xiàng)目基本不會考慮使用這種新型材料。因此，當(dāng)前亟需針對HMAC的路用性能進(jìn)行深入研究。瀝青改性是一個物理共混過程，改性劑與瀝青的充分混溶是改善瀝青性能的基本前提。選擇HMAC-25C型瀝青混合料為研究對象，分別對70#普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、RA瀝青混合料路用性能進(jìn)行對比研究。根據(jù)國家交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院規(guī)定，用于高速公路中RA混合料摻量為0.4%。RA為RESIN ALLOY（樹脂合金）的縮寫。樹脂合金是指不同種類的高聚物，通過物理或化學(xué)方法共混，以形成具有所需性能的高分子混合物新材料。

1 高溫性能試驗(yàn)

1.1 車轍試驗(yàn) 瀝青公路在長時間高溫炙烤下穩(wěn)定性會逐漸下降，路面極易出現(xiàn)車轍，進(jìn)而會降低路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，影響路面行車的抗滑性、安全性和舒適度。我們可將這種現(xiàn)象視為路面在反復(fù)的行車荷載的作用下，豎直方向的永久變形不斷累積（這種變形在夏季比較常見），因此良好的抗高溫變形性能是使用這種材料的前提。

在開展車轍試驗(yàn)前，先結(jié)合技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)要求設(shè)定試驗(yàn)溫度和輪壓參數(shù)。試驗(yàn)溫度應(yīng)應(yīng)該與夏季高溫條件下的路面溫度一致。本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)溫度和輪壓參數(shù)有兩套：60℃，0.7MPa和70℃，1.0MPa。按照試驗(yàn)要求，應(yīng)該在試驗(yàn)開始后45～60min內(nèi)對動穩(wěn)定度進(jìn)行計算分析。瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度按式（1）計算。

DS=×C1×C2 （1）

式中：DS——瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度，次·mm-1；N——試驗(yàn)輪往返碾壓次數(shù)，取42次/min；C1——試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)，其值為1.0；C2——試件系數(shù)，本文中車轍板的尺寸為300×300×50mm，其值為1.0；d2——試件對應(yīng)于時刻t2的變形量，mm；d1——試件對應(yīng)于時刻t1的變形量，mm。

不同改性劑下高模量瀝青混凝土車轍試驗(yàn)結(jié)果見表1。

車轍試驗(yàn)結(jié)果表明：在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上摻加各種改性劑后，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度均有大幅度的提升。60℃，0.7MPa下，RA的動穩(wěn)定度提高最多，后為SBS。

1.2 SPT動態(tài)蠕變模量試驗(yàn) 在瀝青混合料的各種模量中，動態(tài)模量|E*|與路面的運(yùn)營狀態(tài)比較一致，因此各國均參照該參數(shù)對瀝青路面體系進(jìn)行設(shè)計。動態(tài)模量|E*|，即復(fù)合模量（E*）的絕對值，其定義為正弦應(yīng)力的振幅（在任意給定的時間和加載頻率相位角）與正弦應(yīng)變的振幅（在任意給定的時間和加載頻率相位角）之比。其數(shù)學(xué)定義為最大壓應(yīng)力（應(yīng)力曲線峰值）與最大可恢復(fù)軸向應(yīng)變（可恢復(fù)應(yīng)變曲線的峰值）的比值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

|E*|= （2）

式中：|E*|-動態(tài)模量；σ0-應(yīng)力峰值；ε0-應(yīng)變峰值。

由試驗(yàn)結(jié)果得出：動態(tài)模量受溫度和荷載作用頻率的影響很大。各種瀝青混合料隨著溫度的增加和荷載作用頻率的降低，動態(tài)模量逐漸減小。這說明了溫度的升高伴隨著應(yīng)變也迅速增加，從而加大了車轍的產(chǎn)生。隨著溫度的增加或荷載作用頻率的減少，瀝青混合料的粘性性質(zhì)增加，材料表現(xiàn)出粘彈性的性質(zhì)。endprint

2 變形性能試驗(yàn)

對Φ63.5mm的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試驗(yàn)儀最大荷載不小于25kN，讀數(shù)準(zhǔn)確度100N，加載速率應(yīng)能保持50±5mm/min。試驗(yàn)步驟參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052-2000）。最佳油石比下的瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表3中馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果得出，各種瀝青摻配比例的試驗(yàn)結(jié)果均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ F40-2004）熱拌瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。添加改性劑SBS、RA的高模量瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度明顯高于70#普通瀝青混合料，較高的馬歇爾穩(wěn)定度，一定程度說明添加改性劑后的瀝青混合料的路用性能的優(yōu)越性。

3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性評定試驗(yàn)，是在瀝青試件浸水前和浸水后針對其力學(xué)性能的變化情況進(jìn)行分析和對比，并根據(jù)對比結(jié)果確定剝落的間接量度。在飽水條件下，如果試件強(qiáng)度降低，說明該試件具有良好的水穩(wěn)定性。按《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對四種瀝青混合料采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)來評價其水穩(wěn)性。

3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn) 浸水馬歇爾試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)不同之處在于，瀝青混合料試件在達(dá)到規(guī)定溫度恒溫水槽中的保溫時間為48h，其余部分與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)沒有任何差異。試件的浸水殘留穩(wěn)定度按式（3）計算。

MS0=×100 （3）

式中：MS0-試件的浸水殘留穩(wěn)定度，%；MS1-試件浸水48h后的穩(wěn)定度，kN；MS-試件浸水30-40min的穩(wěn)定度，kN。

由表4中試驗(yàn)結(jié)果可以看出：摻加各種瀝青改性劑的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度均有明顯的提升， RA的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度最大，其抗車轍性能得到改善。

3.2 凍融劈裂試驗(yàn) 在特定環(huán)境中，可采用凍融劈裂試驗(yàn)對瀝青混合料試件進(jìn)行凍融循環(huán)，并在試驗(yàn)中準(zhǔn)確測量試件遭受水損害前和遭受水損壞后強(qiáng)度的變化趨勢，根據(jù)強(qiáng)度測量結(jié)果對該試件的水穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評定。依據(jù)本規(guī)程T0702方法制備圓柱體瀝青混合料試件（試件直徑為101.6±0.25mm，63.5±1.3mm），然后采用馬歇爾擊實(shí)儀對試件進(jìn)行雙面擊實(shí)各50次，試驗(yàn)溫度為25℃，加載速率為50mm/min。集料公稱最大粒徑為26.5mm。

由表5中試驗(yàn)結(jié)果可以看出：摻加各種瀝青改性劑的瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比均有明顯的提升，RA的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比最大，水穩(wěn)定性最好。

4 低溫性能試驗(yàn)

實(shí)際施工中導(dǎo)致瀝青混凝土路面低溫開裂的因素往往不止一個，但瀝青混凝土的用量和性能必定是其中最主要的兩個因素。美國SHRP的一項(xiàng)研究表明，瀝青性能對低溫問題的影響程度高達(dá)80%。針對瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)，實(shí)際是按照按設(shè)計要求選定小梁試件，對其跨中部位持續(xù)施加荷載，當(dāng)試件最終斷裂，再將此時的最大荷載代入數(shù)學(xué)公式計算出試件的抗彎強(qiáng)度，并將跨中撓度代入數(shù)學(xué)公式通過運(yùn)算得到試件的破壞彎拉應(yīng)變，最后根據(jù)抗彎強(qiáng)度和破壞彎拉應(yīng)變的比值得到試件在遭受斷裂破壞時的彎曲勁度模量。實(shí)際操作中，技術(shù)員需要參考技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)條件合理設(shè)定試驗(yàn)溫度及加載速率。當(dāng)試驗(yàn)溫度設(shè)定為-10±0.5℃，加載速率為50mm/min時，可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對瀝青混合料低溫拉伸性能進(jìn)行評定。適用于由輪碾成型后切制的長250±2.0mm，寬30±2.0mm，高35±2.0mm的棱柱體小梁，其跨徑為200±0.5mm。一塊300mm×300mm×50mm的板塊最多可切制8根試件。從試驗(yàn)結(jié)果得出：在低溫小梁試驗(yàn)中，70#普通瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量的指標(biāo)適用性更強(qiáng)，具有較好的低溫抗裂性。在基質(zhì)瀝青混合料中摻加RA改性劑后，其低溫抗裂性能明顯下降，但勁度模量接近于70#普通瀝青混合料。

5 結(jié)論

①通過車轍試驗(yàn)、SPT動態(tài)模量試驗(yàn)較好地評價了70#普通瀝青、SBS成品改性瀝青、RA三類改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力。②通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)較好地評價了70#普通瀝青、SBS成品改性瀝青、RA三類改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。與普通瀝青材料的殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度相比，摻有改性劑的瀝青材料對工程的適應(yīng)性更強(qiáng)。③通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)較好地評價了70#普通瀝青、SBS成品改性瀝青、RA三類改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

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