高模量天然瀝青混合料設(shè)計(jì)及路用性能對比研究

郭寅川，張爭明，邵東野，石小鵬，王路生，王軍茂

(1.長安大學(xué)，特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710064；2.西安市公路工程管理處,西安 710065； 3.陜西三秦路橋有限責(zé)任公司,西安 710003)

0 引 言

隨著我國交通量、重載車輛數(shù)量的日益增加，車轍病害成為了高速公路瀝青路面主要病害之一，嚴(yán)重影響了行車的安全性與舒適性[1]。為此，我國公路行業(yè)專家和學(xué)者引入了法國高模量瀝青混合料技術(shù)以改善行車的安全性與舒適性。高模量瀝青混合料技術(shù)最初由20世紀(jì)80年代的法國學(xué)者提出，其核心理念是通過提高瀝青混合料的勁度模量而增強(qiáng)其高溫抗車轍能力。高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)常采用法國四水平設(shè)計(jì)法、Superpave設(shè)計(jì)法和馬歇爾設(shè)計(jì)法等，而我國高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)法仍以馬歇爾設(shè)計(jì)法為主[2-3]。高模量瀝青混合料與普通瀝青混合料的差異除設(shè)計(jì)方法外，還體現(xiàn)在瀝青種類、礦料級配和成型方式等方面。目前，高模量瀝青制備方法主要有三種：(1)直接采用低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青；(2)基質(zhì)瀝青中添加天然瀝青，如巖瀝青、湖瀝青等；(3)基質(zhì)瀝青中添加改性劑，如高模量劑、抗車轍劑、聚乙烯或聚丙烯等[4]。由于路面中面層是承受高溫剪切和疲勞作用主要位置，將高模量瀝青混合料作路面中面層使用，可顯著減小路面表面層底和中面層頂壓、剪應(yīng)力應(yīng)變[5]。因此，大多學(xué)者將高模量瀝青混合料作為中面層材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，并常采用AC-20型或法國EME型礦料級配[6-7]。此外，馬歇爾擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)仍是高模量瀝青混合料成型的主要方式，且成型時瀝青混合料的溫度會影響其性能指標(biāo)[8]。

當(dāng)高模量瀝青種類、礦料級配和成型方式不同時，高模量瀝青混合料力學(xué)性能和路用性能差別較大，但其基本具有模量高、抗疲勞好、抗車轍能力強(qiáng)、水穩(wěn)定性好和低溫抗裂性能較差等特點(diǎn)[2,9]。鑒于SBS改性瀝青混合料技術(shù)在我國應(yīng)用已較成熟，多數(shù)學(xué)者將高模量瀝青混合料性能與其進(jìn)行了對比研究。周彥鋆[10]研究發(fā)現(xiàn)在相同溫度與加載頻率下，硬質(zhì)瀝青、天然瀝青改性瀝青和PR.P高模量劑改性瀝青制備的高模量瀝青混合料的動態(tài)模量均顯著高于SBS改性瀝青混合料和普通瀝青混合料，但其疲勞壽命略低于SBS改性瀝青混合料。李曉娟等[11]研究發(fā)現(xiàn)利用LY抗車轍劑制備的高模量瀝青混合料在不同溫度和荷載下的抗車轍性能均高于SBS改性瀝青混合料，而浸水車轍試驗(yàn)中，其與SBS改性瀝青混合料動穩(wěn)定度相近，但均顯著高于基質(zhì)瀝青混合料。為改善高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能，史永宏[12]將木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維分別以單摻和復(fù)摻方式添加到BRA巖瀝青改性高模量瀝青混合料中，發(fā)現(xiàn)纖維復(fù)摻不僅可大幅提升高模量瀝青混合料的低溫抗裂性，還可以增強(qiáng)其高溫抗車轍能力。此外，研發(fā)增強(qiáng)型高模量瀝青混合料[13]、溫拌高模量瀝青混合料[14]、再生高模量瀝青混合料[15-16]和探尋更科學(xué)的性能評價(jià)方法[17]等也成為了近年來的研究熱點(diǎn)，且高模量瀝青混合料在多地高等級路面維修改造中的成功應(yīng)用也加速了其發(fā)展[13,18]。

綜上所述，高模量瀝青混合料具有模量高、耐疲勞和高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，也具有低溫抗裂性較差的不足，且國內(nèi)目前仍未形成統(tǒng)一的配合比設(shè)計(jì)方法，大多將其作為中面層使用，卻很少研究其作為表面層的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果。本文以天然瀝青、聚合物改性劑及其他外加劑調(diào)和而成的高模量天然瀝青(簡稱“HMB”)，基于法國關(guān)鍵篩孔級配范圍轉(zhuǎn)換的BBME-13型級配，利用修正馬歇爾設(shè)計(jì)法制備了模量天然瀝青混合料BBME-13，并對比研究了其與SBS改性瀝青混合料SBSAC-13和基質(zhì)瀝青混合料SKAC-13的路用性能差異，最終通過施工過程關(guān)鍵技術(shù)控制，將其作為路面表面層材料成功應(yīng)用于S107關(guān)中環(huán)線大中修工程中，為其他高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了借鑒。

1 原材料及性能評價(jià)

試驗(yàn)瀝青分別選用S107關(guān)中環(huán)線大中修工程項(xiàng)目部提供的HMB、SBS改性瀝青(簡稱“SBS-A”)和自行采購的SK-70#基質(zhì)瀝青，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。其中，HMB由西安眾力瀝青有限公司研發(fā)，其組成包含天然瀝青(主要為巖瀝青)、軟瀝青、道路石油瀝青、偶聯(lián)劑、聚合物改性劑、交聯(lián)劑和降黏劑等，且天然瀝青占比較高，為總質(zhì)量的7%左右[19]。由表1可知，HMB的針入度較低、軟化點(diǎn)較高，說明其高溫性能較好，但其延度一般，其低溫性能有待考察。集料針片狀含量3.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，0.075 mm以下顆粒0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，壓碎值12.5%，機(jī)制砂的砂當(dāng)量65%，礦粉的親水系數(shù)0.5，礦料其他技術(shù)指標(biāo)也均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。

表1 瀝青主要性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of matrix asphalt

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 礦料級配設(shè)計(jì)

S107關(guān)中環(huán)線大中修工程設(shè)計(jì)文件擬定將高模量天然瀝青混合料BBME-13作為表面層，但BBME-13系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來源于法國，其采用的套篩篩孔與我國標(biāo)準(zhǔn)篩孔差別巨大，且其關(guān)鍵篩孔選擇也與我國SAC或美國Sperpave等級配設(shè)計(jì)不同，而是選用了0.063 mm、2 mm、4 mm和6.3 mm等4種孔徑。為推廣法國BBME-13設(shè)計(jì)理念，陜西相關(guān)單位技術(shù)人員利用內(nèi)插法將BBME-13關(guān)鍵篩孔控制范圍轉(zhuǎn)換為國內(nèi)0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm和13.2 mm等4種關(guān)鍵篩孔對應(yīng)的控制范圍[13]，其與AC-13級配范圍及設(shè)計(jì)文件級配范圍的對比如圖1所示。由圖1可知，轉(zhuǎn)換后的BBME-13礦料級配包含于AC-13級配范圍內(nèi)，且2.36 mm以上的礦料級配范圍明顯變窄，2.36 mm以下(除0.075 mm外)級配范圍基本沿用了AC-13級配范圍，即該變化使設(shè)計(jì)出的粗集料級配更接近AC-13級配的中值曲線。同時，4.75 mm粒徑以下的最低通過率提高，級配細(xì)料有所增加。此外，設(shè)計(jì)文件級配基本與BBME-13級配范圍相同。根據(jù)設(shè)計(jì)文件級配范圍，利用0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm等4種集料配制了BBME-13型合成級配，如表2和圖2所示。

圖1 級配范圍對比Fig.1 Comparison of gradation range

圖2 BBME-13型合成級配Fig.2 BBME-13 composite gradation

表2 設(shè)計(jì)文件級配范圍及合成級配一覽表Table 2 List of design grading range and composite grading

由圖2分析可知，BBME-13型合成級配基本在設(shè)計(jì)級配中值曲線附近，且為由下向上穿過設(shè)計(jì)級配中值曲線，使礦料整體處于懸浮密實(shí)狀態(tài)，但也適當(dāng)增加粗集料的含量，提升其力學(xué)性能。由于BBME-13型合成級配處于AC-13范圍內(nèi)，為便于研究和對比BBME-13與SBS改性瀝青混合料(簡稱“SBSAC-13”)、SK-70#基質(zhì)瀝青混合料(簡稱“SKAC-13”)間性能差異，三種瀝青混合料均采用該合成級配。

2.2 最佳瀝青用量的確定

法國標(biāo)準(zhǔn)主要以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型高模量瀝青混合料試件，以“豐度系數(shù)K”確定其最小瀝青用量，并按照多列士試驗(yàn)、法國車轍試驗(yàn)、兩點(diǎn)彎曲模量試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等4水平試驗(yàn)逐級檢驗(yàn)其性能并調(diào)整設(shè)計(jì)[2]。然而，該過程比較復(fù)雜和煩瑣，且相關(guān)儀器設(shè)備多數(shù)依賴進(jìn)口，且價(jià)格昂貴、操作要求較高。鑒于馬歇爾設(shè)計(jì)法仍為國內(nèi)設(shè)計(jì)、施工單位普遍認(rèn)知和采用的方法，相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備大多施工單位準(zhǔn)備也較為齊全，修正馬歇爾設(shè)計(jì)法對滿足高模量瀝青混合料的性能要求仍具有重要的理論和實(shí)踐意義。本次試驗(yàn)采用修正馬歇爾設(shè)計(jì)法確定BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的最佳瀝青用量。其中，BBME-13參照《天然瀝青高模量混合料施工技術(shù)規(guī)范》(DB61/T 1332—2020)及設(shè)計(jì)文件相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其在不同油石比下的馬歇爾體積參數(shù)指標(biāo)如表3所示，計(jì)算得到其最佳油石比為5.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。按照同樣的流程，參照J(rèn)TG F40—2004相關(guān)設(shè)計(jì)要求，確定SBSAC-13和SKAC-13最佳油石比分別為4.8%和4.9%，三者部分馬歇爾體積參數(shù)指標(biāo)及動態(tài)模量如表4所示。

表3 BBME-13不同油石比馬歇爾體積參數(shù)指標(biāo)Table 3 Marshall volume parameters of BBME-13 with different oil stone ratios

表4 瀝青混合料部分馬歇爾體積參數(shù)指標(biāo)Table 4 Marshall volume parameter value of asphalt mixture

由表4可知，BBME-13的馬歇爾體積指標(biāo)與SBSAC-13和SKAC-13相比，油石比分別增加了18.4%、20.8%，空隙率分別減少了36.0%、40.6%，穩(wěn)定度分別提升了42.0%、106.7%，而流值差別不大。同時，BBME-13的動態(tài)模量分別較其他兩者增長了59.8%和101.7%。BBME-13油石比的增加必然增加其造價(jià)，但由于其空隙率、穩(wěn)定度和動態(tài)模量的提升程度較大，其水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和力學(xué)性能應(yīng)有較大的提升。為檢查BBME-13混合料設(shè)計(jì)效果，取2塊成型的馬歇爾試件進(jìn)行橫豎對半切割，觀察其橫豎剖面集料分布情況，如圖3～4所示。

由圖3～4分析可知，BBME-13混合料試件基本為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，但其粗集料較AC-13混合料多，且剖面30%左右的區(qū)域已形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)(如圖中閉合曲線包絡(luò)區(qū)域)。高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)采用懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的原因主要是避免瀝青用量過多造成其力學(xué)性能和路用性能的降低，而其瀝青用量的增加主要是為提升混合料的疲勞性能、低溫性能和水穩(wěn)定性[20]。此外，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料因骨架間嵌擠作用強(qiáng)、空隙率低等特點(diǎn)，其抗車轍能力一般較骨架空隙結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)瀝青混合料強(qiáng)[21]，且骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的體積占比與其抗車轍能力具有一定的正相關(guān)性。因此，BBME-13混合料設(shè)計(jì)時，適當(dāng)增加其內(nèi)部骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)體積占比，將有助于大幅提升力學(xué)性能和高溫抗車轍能力。

圖3 BBME-13混合料試件橫剖面Fig.3 Cross section of BBME-13 mixture specimen

圖4 BBME-13混合料試件豎剖面Fig.4 Vertical section of BBME-13 mixture specimen

3 路用性能對比研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

高模量瀝青混合料最大的優(yōu)勢在于具備優(yōu)異的高溫抗車轍能力，其次為良好的水穩(wěn)定性和抗疲勞性。近年來，法國車轍試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)和小型加速加載試驗(yàn)等都被用于評價(jià)高模量瀝青混合料的高溫抗車轍性能。然而，這些儀器的昂貴性和操作的復(fù)雜性使其仍較難被工程單位所采用。此外，相關(guān)研究表明，我國的車轍試驗(yàn)可更好地反映高模量瀝青混合料的高溫變形特征[20]。因此，本試驗(yàn)仍選用最常被使用的中國車轍試驗(yàn)測評BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的高溫穩(wěn)定性。每種瀝青混合料成型3塊車轍板，試件成型過程參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中相關(guān)步驟(BBME-13、SBSAC-13的拌和溫度為185 ℃，SKAC-13拌和溫度為165 ℃)，即在60 ℃溫度條件下，利用輪碾成型機(jī)對瀝青混合料做往返24次碾壓。制作尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，后將其在自然風(fēng)干條件下放置48 h，確保其內(nèi)添加劑、天然瀝青與基質(zhì)瀝青有足夠反應(yīng)時間。在養(yǎng)生完成后，將其放在車轍試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行車轍試驗(yàn)，測試條件選用60 ℃溫度和0.7 MPa輪壓，測試過程自動記錄車轍板的變形情況，其動穩(wěn)定度和相對變形如圖5～6所示。

圖5 瀝青混合料動穩(wěn)定度Fig.5 Dynamic stability of asphalt mixture

圖6 瀝青混合料60 min相對變形Fig.6 Relative deformation of asphalt mixture in 60 min

由圖5分析可知，BBME-13試件中，最低動穩(wěn)定度為5 625次/mm，分別比SBSAC-13、SKAC-13最高動穩(wěn)定度和標(biāo)準(zhǔn)值高9.7%、97.2%和12.5%，而其動穩(wěn)定度代表值分別比SBSAC-13、SKAC-13和標(biāo)準(zhǔn)值高32.2%、148.3%和29.2%。與此同時，BBME-13、SBSAC-13、SKAC-13試件動穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為694.2次/mm、231.6次/mm和219.2次/mm。由圖6分析可知，BBME-13試件最大相對變形分別比SBSAC-13和SKAC-13最大相對變形低104.3%、139.1%，而其60 min相對變形代表值分別比SBSAC-13和SKAC-13低57.8%和63.8%。此外，BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13試件相對變形的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.32%、0.20%和0.24%。因此，相比SBSAC-13和SKAC-13，BBME-13的動穩(wěn)定度顯著增大，相對變形顯著降低，波動性相對較高，但其最劣指標(biāo)值仍具有顯著優(yōu)勢。究其原因，HMB中含有的巖瀝青和聚合物改性劑將發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)帶入基質(zhì)瀝青中，與瀝青分子相互交聯(lián)纏繞，聚合成大分子空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了瀝青的黏聚性，減緩了瀝青分子的熱運(yùn)動，且?guī)r瀝青內(nèi)瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和灰分含量較高，溫度敏感性較弱，進(jìn)而顯著提升了BBME-13的模量和高溫穩(wěn)定性[7,22]。此外，混合料設(shè)計(jì)注重適當(dāng)增加HMB和粗集料的占比，促使BBME-13混合料在懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)前提下，形成了30%左右的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)了其高溫穩(wěn)定性。

3.2 水穩(wěn)定性

根據(jù)JTG E20-2011中相關(guān)要求，BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13各成型2組馬歇爾試件，每組包含4塊試件，分別進(jìn)行浸水與未浸水馬歇爾穩(wěn)定度和流值的測試。其中，BBME-13、SBSAC-13的拌和溫度均為185 ℃，而SKAC-13拌和溫度為165 ℃。試件殘留穩(wěn)定度的測算結(jié)果如圖7所示，代表值如表5所示。

圖7 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)值Fig.7 Test values of residual stability of asphalt mixture

由圖7和表5分析可知，BBME-13的殘留穩(wěn)定度代表值為99.4%，比SBSAC-13、SKAC-13和標(biāo)準(zhǔn)值分別高9.0%、19.6%和16.9%，而其流值也略高，但均滿足規(guī)范要求。同時，BBME-13與SBSAC-13和SKAC-13殘留穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.42%、2.61%和1.43%。由此可見，BBME-13的殘留穩(wěn)定度較高，也具有較大的波動性，但其最低值為88.8%，高于DB 61/T 1332—2020規(guī)定的85%，并與SBSAC-13最低值89.0%僅相差0.2%。BBME-13的水穩(wěn)定性較高的原因可能有3點(diǎn)：(1)混合料內(nèi)含有的HMB瀝青較多，其用量達(dá)5.8%，分別比SBSAC-13和SKAC-13增加了18.3%和20.8%，進(jìn)而有效填充了礦料間隙，起到了較強(qiáng)的防水作用；(2)混合料內(nèi)細(xì)料含量較多，基本由懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)與部分骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)組成，空隙率僅分別為SBSAC-13和SKAC-13的63.9%和59.4%，較少的空隙率有效阻止了水分的浸入；(3)HMB瀝青中巖瀝青分子極性較大，其與基質(zhì)瀝青締結(jié)而形成較大膠核，最終其黏度顯著增大，進(jìn)而提升了其與集料結(jié)合界面的表面能，更難被水分所取代[3]。由于旋轉(zhuǎn)黏度與瀝青黏附性能存在正相關(guān)關(guān)系[23]，為驗(yàn)證第3點(diǎn)推測，測試了HMB、SBS-A和SK-70#的175 ℃旋轉(zhuǎn)黏度，其值分別為0.926 Pa·s、0.231 Pa·s和0.147 Pa·s。由此可知，HMB的旋轉(zhuǎn)黏度較大應(yīng)是BBME-13水穩(wěn)定性提高的重要因素之一。

表5 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度代表值Table 5 Representative value of residual stability of asphalt mixture

3.3 低溫抗裂性

按照前述車轍板的制作方法，先對BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13各成型1塊車轍板，在養(yǎng)生完畢后再用切割機(jī)將其切割成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體小梁試件，再進(jìn)行24 h自然風(fēng)干養(yǎng)生。每種瀝青混合料共制作6根小梁，在-10 ℃條件下保溫60 min后，利用UTM-30型試驗(yàn)機(jī)分別對其進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，6根BBME-13小梁破壞后如圖8所示，最大彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D9所示，代表性測試結(jié)果見表6。

圖8 破壞后的BBME-13小梁試件Fig.8 BBME-13 trabecular specimens after failure

圖9 瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變Fig.9 Maximum bending tensile strain of asphalt mixture

表6 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)代表性結(jié)果Table 6 Representative value of low temperature bending test for asphalt mixture

由圖9和表6分析可知，BBME-13與SBSAC-13最大彎拉應(yīng)變波動性均較大，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為166.08 με和188.0 με，而SKAC-13標(biāo)準(zhǔn)差僅為108.73 με。同時，BBME-13最大彎拉應(yīng)變代表值為3 019.45 με，比SBSAC-13相應(yīng)值低3.3%，但分別比SKAC-13和標(biāo)準(zhǔn)值高34.4%和20.7%。由此可知，BBME-13低溫彎曲性能略差于SBSAC-13，但遠(yuǎn)高于SKAC-13，且其波動性介于兩者之間。BBME-13低溫彎曲性能高于SKAC-13的原因除與其內(nèi)HMB瀝青中巖瀝青和聚合物改性劑與基質(zhì)瀝青分子交聯(lián)形成大分子空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了其抗拉強(qiáng)度有關(guān)外，還與HMB瀝青用量和黏度均較大，進(jìn)而增大了混合料內(nèi)細(xì)料表面瀝青膜厚，增強(qiáng)了混合料內(nèi)部的團(tuán)聚力，提升了其抗彎拉強(qiáng)度和韌性密不可分，而其劣于SBSAC-13的原因可能是其內(nèi)巖瀝青含有較多的灰分，且添加了偶聯(lián)劑、聚合物改性劑、交聯(lián)劑和降黏劑等多種外加劑，這些物質(zhì)與基質(zhì)瀝青的混溶程度必然劣于SBSAC-13中SBS改性劑與基質(zhì)瀝青的混溶程度。此外，BBME-13與SBSAC-13的最大彎拉應(yīng)變均波動較大也可能是巖瀝青中的灰分、偶聯(lián)劑、聚合物改性劑、交聯(lián)劑和降黏劑等多種外加劑的加入削弱了其與基質(zhì)瀝青混溶程度，加之儲存時間較長、外部剪切和攪拌的不均勻等因素的影響，必然會影響其BBME-13混合料低溫性能的穩(wěn)定。

3.4 低溫抗凍裂性

目前，利用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評價(jià)高模量瀝青混合料的低溫性能仍存在較多的爭議，而國內(nèi)外已有學(xué)者認(rèn)為約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)(或“低溫凍斷試驗(yàn)”)更適于評價(jià)瀝青混合料低溫性能[24]。為此，本研究參照英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12697-46:2012對BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13開展了低溫凍斷試驗(yàn)，以對比分析其低溫抗凍裂性能差異。試件成型中，采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)以碾壓60次方式對每種瀝青混合料各成型一塊φ150 mm×180 mm圓柱體試件，自然養(yǎng)生12 h后，切割為160 mm×50 mm×50 mm尺寸的棱柱體小梁，并取3塊小梁進(jìn)行試驗(yàn)，如圖10所示。試驗(yàn)中，溫度量程為-40～20 ℃，由20 ℃開始以10 ℃/h的降溫速率進(jìn)行降溫直至小梁斷裂為止，記錄其溫度-應(yīng)力變化過程，繪制出3種瀝青混合料溫度-應(yīng)力曲線，如圖11所示。

圖10 凍斷試驗(yàn)過程Fig.10 Process of freeze fracture test

圖11 瀝青混合料溫度-應(yīng)力曲線Fig.11 Temperature stress curves of asphalt mixture

凍斷溫度反映試件破壞時所能承受的最低溫度，凍斷強(qiáng)度表示試件破壞時所能承受的最大溫縮應(yīng)力，而轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度代表試件由黏彈性轉(zhuǎn)化為彈性時的臨界溫度[24]。由圖11分析可知，BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的凍斷溫度分別為-27.74 ℃、-24.29 ℃和-23.92 ℃，即BBME-13的凍斷溫度比SBSAC-13和SKAC-13分別低14.2%、16.0%，而SBSAC-13和SKAC-13的凍斷溫度差別不大。BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的凍斷強(qiáng)度分別為3 058.07 kPa、2 101.67 kPa和1 582.49 kPa，則BBME-13的凍斷強(qiáng)度比SBSAC-13和SKAC-13分別高45.5%、93.2%。BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13的轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度相差不大，均在-12 ℃附近。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是天然巖瀝青和聚合物改性劑與基質(zhì)瀝青分子交聯(lián)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了其在低溫下抵抗溫縮應(yīng)力的能力，而BBME-13中高黏HMB用量的增加，也提升了其團(tuán)聚性和延展性，且其內(nèi)包含30%左右的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)對其抵抗溫縮應(yīng)力更為有效。對比而言，SBS改性瀝青雖然含有聚合物SBS成分，也能與基質(zhì)瀝青分子交聯(lián)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但其在SBSAC-13內(nèi)含量較低，空隙率較高，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)占比較小，故其抗凍性能和抗裂性能低于BBME-13。此外，由于BBME-13、SBSAC-13和SKAC-13內(nèi)所含瀝青的主要成分均為基質(zhì)瀝青，而集料類型和性質(zhì)也相同，故三者的轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度差別較小。

4 試驗(yàn)段鋪筑

4.1 工程概況

S107關(guān)中環(huán)線大中修工程起于太乙宮十字交叉口(K105+557)，終于西太路支線三塊板斷面終點(diǎn)處(K125+958)，全長20.401 km，為一級雙向四車道公路，設(shè)計(jì)車速80 km/h，重型交通荷載等級。原路面類型為瀝青混凝土路面，鋪筑前期路面損壞狀況指數(shù)(PCI)在60～70范圍內(nèi)，主要存在塊狀裂縫(55%)、縱橫縫(14%)、龜裂(13%)和車轍(13%)等病害。由于陜西公路建設(shè)已基本進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)期，維修中產(chǎn)生的大量銑刨料難以處置或不能被合理利用，加之天然集料的匱乏和環(huán)保政策與理念深入人心，熱再生瀝青混合料技術(shù)和泡沫瀝青再生混合料技術(shù)被要求必須融入該工程的設(shè)計(jì)和施工中。為此，試驗(yàn)段采用加鋪4 cm BBME-13上面層+PC-3乳化瀝青黏層+8 cm AC-20廠拌熱再生瀝青混凝土+1 cm同步碎石封層的鋪裝方案。

4.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

試驗(yàn)段鋪筑開展前，制定的施工過程控制關(guān)鍵技術(shù)方案如表7所示。

表7 試驗(yàn)路段BBME-13施工控制要點(diǎn)Table 7 Key points for construction control of test road BBME-13

由表7分析可知，BBME-13的施工控制過程與普通瀝青混合料差別較大，主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：(1)溫度方面，瀝青與集料加熱溫度高10～25 ℃，拌和溫度高20～40 ℃，運(yùn)輸溫度高30～45 ℃，攤鋪溫度高25 ℃，碾壓溫度高20～30 ℃；(2)速度方面，攤鋪速度是其1/2，初壓速度慢0.5～1.0 km/h，復(fù)壓速度慢1～2 km/h，終壓速度慢0.5～3 km/h；(3)碾壓長度方面，初壓長度短30～60 m，復(fù)壓長度短20～40 m。總體而言，BBME-13的施工過程具有加熱溫度高，施工速度緩和碾壓長度短等特點(diǎn)。

4.3 施工檢測指標(biāo)

試驗(yàn)段施工完成后，對K123+060～K123+190段路面壓實(shí)度、滲水狀況、構(gòu)造深度以及擺值等進(jìn)行了抽樣檢測，發(fā)現(xiàn)其馬氏壓實(shí)度均在99%以上，其他部分指標(biāo)如表8所示。

表8 試驗(yàn)路段BBME-13路面檢測結(jié)果Table 8 Test results of test road BBME-13

由表8分析可知，試驗(yàn)路段BBME-13路面滲水系數(shù)、構(gòu)造深度和擺值的平均值分別為6.1 mL/min、0.62 mm、54.3 BPN，分別比標(biāo)準(zhǔn)值低92.4%、高12.7%和高20.7%，但滲水系數(shù)波動性較大。盡管如此，BBME-13路面滲水系數(shù)最大測試值為13.3 mL/min，也比標(biāo)準(zhǔn)值低83.4%。因此，BBME-13路面抗?jié)B性優(yōu)異，且抗滑性完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

(1)法國標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的BBME-13礦料級配范圍基本包絡(luò)在AC-13內(nèi)，且2.36 mm以上的包絡(luò)面明顯變窄，而BBME-13的油石比、穩(wěn)定度和動態(tài)模量均顯著高于SBSAC-13和SKAC-13，但空隙率最低，且其混合料內(nèi)部形成了30%左右的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；

(2)BBME-13的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和凍斷強(qiáng)度代表值分別比SBSAC-13增大32.2%、增大9.0%、減小3.3%和增大45.5%，分別比SKAC-13增大148.3%、19.6%、34.4%和93.2%，但其波動性較高，可能是由于HMB中天然瀝青和各種外加劑的添加削弱了其內(nèi)基質(zhì)瀝青的穩(wěn)定性；

(3)BBME-13施工過程相比普通瀝青混合料具有加熱溫度更高，施工速度更緩和碾壓長度更短等特點(diǎn)，且按要求鋪筑后的路面抗?jié)B性能優(yōu)異，抗滑性和壓實(shí)度等也均能滿足規(guī)范要求，即BBME-13完全可作為高等級公路表面層材料。