高模量瀝青混合料試驗(yàn)參數(shù)與設(shè)計(jì)優(yōu)化

常 嶸，嚴(yán)二虎

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引 言

由于瀝青路面長(zhǎng)期暴露在外界環(huán)境中，在行車荷載的趨化作用和外界氣候環(huán)境的影響下，瀝青路面車轍病害變得日益嚴(yán)重。為了有效防止車轍病害，道路工作者不斷嘗試研發(fā)各種新型抗車轍路面材料，如法國(guó)首先提出了以抗車轍為主要目標(biāo)的高模量瀝青混凝土(High Modulus Asphalt Concrete，HMAC)。中國(guó)對(duì)高模量混凝土的研究起步相對(duì)較晚，目前仍然使用普通瀝青混凝土馬歇爾設(shè)計(jì)方法，沒(méi)有適合于高模量瀝青混凝土的設(shè)計(jì)方法，造成高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)存在較多問(wèn)題[1-2]。

考慮到馬歇爾試驗(yàn)方法仍然是中國(guó)瀝青混合料配合比的主要設(shè)計(jì)方法[3-4]，本文基于馬歇爾試驗(yàn)方法，開展相關(guān)參數(shù)與設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化研究，為HMAC在中國(guó)的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 材料與試驗(yàn)方案

1.1 材料

1.1.1 瀝青及集料

高模量瀝青混合料需要有較好的抗車轍性能，故宜采用稠度和黏度較大的瀝青。本文采用A-70#瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青性能指標(biāo)

高模量瀝青混合料的粗集料宜采用耐磨、強(qiáng)度高、棱角性較好的石料。填充粗集料骨架間隙的細(xì)集料同樣要求潔凈干燥、強(qiáng)度較高且棱角性較好[6]。

1.1.2 高模量添加劑

選用的高模量添加劑為PR PLASTS、PR Module、ZQ-2，摻量分別為0.7%、0.4%、0.8%(混合料質(zhì)量百分比)，高模量添加劑的基本物理參數(shù)如表2所示。

表2 高模量添加劑參數(shù)

圖1 PR Module顆粒

PR Module和PR PLASTS添加劑(圖1、2)由法國(guó)研發(fā)，在歐洲已有十多年的使用經(jīng)驗(yàn)，在改善高溫穩(wěn)定性方面的效果比SBS改性瀝青更加顯著，適合重載交通路面。ZQ-2添加劑是一種性質(zhì)特別穩(wěn)定的天然硬質(zhì)瀝青，多采自布敦島，其外觀形態(tài)如圖3所示。

圖2 PR PLASTS顆粒

圖3 ZQ-2 顆粒

1.2 馬歇爾試驗(yàn)優(yōu)化方案

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，油石比采用4.3%，高模量添加劑PR PLASTS、PR Module、ZQ摻量分別為0.7%、0.4%、0.8%(混合料質(zhì)量百分比)，級(jí)配采用AC-20C，分別干拌0、5、10、15、25 s，拌合溫度為160 ℃～185 ℃，分5級(jí)遞增，拌合時(shí)間分別為120、150、180、210、240、270 s，擊實(shí)溫度為150 ℃～175 ℃，分5級(jí)遞增。

2 馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

加入高模量外摻劑后，按照上述試驗(yàn)方案成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.1 改性劑干拌時(shí)間

根據(jù)試驗(yàn)方案，高模量外摻劑需要一定拌合時(shí)間與集料混合均勻，本次試驗(yàn)拌合時(shí)間分別為0、5、10、15、25 s，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 穩(wěn)定度變化趨勢(shì)

圖5 空隙率變化趨勢(shì)

圖6 馬歇爾模數(shù)變化趨勢(shì)

由圖4～6可知，高模量瀝青混合料的穩(wěn)定度在5～15 s間基本呈正比增加，拌合時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)均無(wú)明顯變化，最小值約為12 kN，最大值約為21 kN；馬歇爾模數(shù)變化趨勢(shì)與穩(wěn)定度類似，最小值約為3.5 kN，最大值約為5.7 kN；空隙率變化趨勢(shì)不同，在5～15 s間基本呈正比減小，拌合時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)均無(wú)明顯變化，最大值約為5.6%，最小值約為4.9%。拌合時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致油石混合不均勻，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)性能提升不明顯，造成浪費(fèi)，所以取15 s為參考拌合時(shí)間。

2.2 拌合溫度

瀝青拌合過(guò)程中溫度過(guò)高會(huì)使瀝青迅速老化，喪失部分黏結(jié)力；溫度過(guò)低瀝青與集料會(huì)產(chǎn)生離析，影響拌合效果[7-9]。試驗(yàn)在室內(nèi)采用4種溫度進(jìn)行，結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 穩(wěn)定度變化趨勢(shì)

圖8 空隙率變化趨勢(shì)

圖9 馬歇爾模數(shù)變化趨勢(shì)

由圖7～9可知：穩(wěn)定度隨拌合溫度的升高先增大后減小，峰值大約出現(xiàn)在174 ℃左右；馬歇爾模數(shù)和穩(wěn)定度變化趨勢(shì)相同，峰值出現(xiàn)在173 ℃左右；空隙率變化趨勢(shì)和上述變量不同，其隨拌合溫度的升高先降低后升高，最低值大約出現(xiàn)在174 ℃。綜上所述，建議高模量瀝青混凝土拌合溫度控制在170 ℃～175 ℃。

2.3 瀝青混合料拌合時(shí)間

瀝青混合料拌合時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都會(huì)對(duì)瀝青路面的路用性能造成影響，拌合時(shí)間過(guò)短質(zhì)量難以保證；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致瀝青老化[10-11]。根據(jù)方案采用4種不同拌合時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖10～11所示。

圖10 穩(wěn)定度變化趨勢(shì)

圖11 馬歇爾模數(shù)變化趨勢(shì)

從圖10、11可看出：在150～180 s之間，穩(wěn)定度和馬歇爾模數(shù)隨拌合時(shí)間增加基本呈正比增長(zhǎng)狀態(tài)，在180～240 s提升不明顯；在150～180 s時(shí)，拌合溫度升高對(duì)高模量瀝青混合料的性能提升較為明顯，180～240 s拌合時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)高模量瀝青混合料性能提升也有作用，但效果不明顯，造成了不必要的浪費(fèi)，還有可能導(dǎo)致瀝青老化，故推薦高模量瀝青混合料拌合時(shí)間為150～180 s。

2.4 擊實(shí)溫度

擊實(shí)溫度同樣會(huì)對(duì)瀝青混合料性能產(chǎn)生影響，擊實(shí)溫度過(guò)高可能使瀝青與集料離析，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致?lián)魧?shí)效果誤差較大。根據(jù)方案選用4種不同擊實(shí)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖12～14所示。

圖12 穩(wěn)定度變化趨勢(shì)

圖13 流值變化趨勢(shì)

圖14 馬歇爾模數(shù)變化趨勢(shì)

由圖12～14可知：穩(wěn)定度和馬歇爾模數(shù)隨擊實(shí)溫度升高均呈先升高后降低的變化規(guī)律，峰值均在160 ℃～165 ℃；流值隨溫度升高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)沒(méi)有減緩現(xiàn)象。綜合試驗(yàn)結(jié)果，推薦高模量瀝青擊實(shí)溫度為160 ℃～165 ℃。

3 高模量瀝青混合料馬歇爾設(shè)計(jì)方法

3.1 前期準(zhǔn)備工作

前期的準(zhǔn)備工作中最重要的是集料配合比設(shè)計(jì)，其他還包括原材料的選擇、工程級(jí)配范圍的確定等。高模量瀝青要求瀝青強(qiáng)度較高，所以一般選擇稠度和黏度較大的A級(jí)瀝青。集料的選擇應(yīng)盡量滿足粗集料的強(qiáng)度和細(xì)集料的棱角性等要求。高模量瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)過(guò)程與普通瀝青混合料基本相同，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[12-14]。

3.2 馬歇爾試驗(yàn)

與普通瀝青混合料相比，高模量瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)流程只有拌合工藝和試驗(yàn)參數(shù)不同。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，對(duì)高模量瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)，建議適當(dāng)提高加熱溫度，拌合溫度為170 ℃～175 ℃，改性劑與集料干拌時(shí)間為15 s，瀝青與集料的拌合時(shí)間為150～210 s，擊實(shí)成型的溫度范圍為160 ℃～165 ℃。

3.3 確定最佳瀝青用量

高模量瀝青混合料的最佳瀝青用量的確定方法與普通瀝青混合料相比沒(méi)有明顯區(qū)別，可以采用規(guī)范流程和要求進(jìn)行。但是，高模量瀝青混合料最大理論密度的確定方法和普通瀝青混合料有所區(qū)別，可以進(jìn)一步研究。

3.4 配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

對(duì)于普通瀝青混合料，中國(guó)規(guī)范中一般檢驗(yàn)其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性能。高模量瀝青混合料同樣應(yīng)該具備上述路用性能，可按規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)，高模量瀝青混合料的主要優(yōu)點(diǎn)是抵抗變形和抗車轍性能，應(yīng)在上述性能檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加對(duì)力學(xué)性能(如抗車轍性能)的檢驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)馬歇爾試驗(yàn)同樣適用于高模量瀝青混合料級(jí)配的設(shè)計(jì)，通過(guò)高模量瀝青馬歇爾試驗(yàn)，對(duì)高模量瀝青馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)提出了優(yōu)化意見：改性劑與集料的干拌時(shí)間控制在15 s，拌合溫度為170 ℃～175 ℃，瀝青與集料的拌合時(shí)間為150～210 s，擊實(shí)溫度控制為160 ℃～165 ℃。

(2)通過(guò)高模量瀝青混合料試驗(yàn)，進(jìn)一步提出了適合高模量瀝青混合料的馬歇爾設(shè)計(jì)方法及流程。