抗車轍型高模量瀝青及混合料高溫性能研究

作者簡介：唐新國（1987—），碩士，工程師，研究方向：路橋設計，新型建筑材料。

摘要：為提高瀝青混合料高溫下的力學和抗車轍性能，文章引入兩種高模量劑PR和益道R，對高模量瀝青及其混合料力學性能和高溫性能進行研究，并與普通70^#基質瀝青和SBS改性瀝青進行對比研究。結果表明：同一溫度下，PR和益道R高模劑改性瀝青復數(shù)模量大于SBS改性瀝青和普通瀝青，具有較好的力學特性，同時高模劑在提升瀝青高溫抗變形能力和疲勞特性方面相比SBS改性瀝青也有較大優(yōu)勢；同一溫度頻率下，混合料動態(tài)模量和動穩(wěn)定度由小到大排序為：AC-20+70^#＜AC-20+SBS＜AC-20+PR＜AC-20+益道R；高模量劑可以大幅度提高瀝青混合料的力學性能和高溫穩(wěn)定性，適用于廣西及夏季溫度較高的地區(qū)。

關鍵詞：道路工程；高模量瀝青；力學性能；高溫穩(wěn)定性

中圖分類號：U414

0 引言

在全球變暖的大氣候下，廣西夏季氣溫逐漸升高。同時，隨著交通量逐步增大，公路路面結構穩(wěn)定性面臨嚴峻的考驗。我國各等級公路路面主要采用瀝青混合料，在高溫下容易產(chǎn)生車轍病害，影響行車安全及舒適性，瀝青混合料的高溫車轍病害已經(jīng)成為路面建設的主要矛盾?；诖?，高模量瀝青混合料（HMAC）被越來越多的研究者所關注，其有著優(yōu)異的高溫抗車轍性能和抗疲勞性能，能夠延長路面使用壽命^［1］。高潤杰^［2］研究了高模量劑改性瀝青性能的DSR流變特性，結果表明高模量劑可以有效提升瀝青的高溫抗變形能力。盧桂林等^［3］通過熒光顯微對高模量劑改性機理進行研究，結果表明高模量劑在瀝青中溶脹發(fā)育，形成聚合物鏈接，與瀝青分析形成三維網(wǎng)狀結構，增加了結構穩(wěn)定性，改善了瀝青的黏彈特性和抗變形能力。趙玉肖等^［4］對比研究了高模量瀝青混合料和普通瀝青混合料的動態(tài)模量試驗及其沿路面深度（溫度）的分布規(guī)律，結果表明高模量劑摻量為混合料的0.5%時，其動態(tài)模量是普通瀝青混合料的1.2倍，在不同溫度區(qū)間比普通瀝青混合料增長37%～63%。

綜上所述，對高溫性能優(yōu)異的高模量瀝青混合料性能研究意義重大，有不少研究者對其性能進行了研究，但試驗方法較為單一，且市場上高模量劑種類繁多，性能千差萬別。本文基于前人研究思路及試驗方法，結合廣西本地材料，選用兩種市面上較為成熟的高模量劑，從瀝青和混合料兩方面評價高模量劑的適用性，并與常規(guī)瀝青和SBS改性瀝青做對比研究，為道路工作者研究瀝青混合料高溫性能提供思路和參考。

1 試驗部分

1.1 原材料

本文選用的基質瀝青為克煉70#，SBS改性瀝青由茂名正誠石油化工有限公司提供，其基本指標見表1。高模量劑選擇國內(nèi)外兩款，分別是法國的PR高模量劑與中路交科的益道R高模量改性劑，基本指標見表2。石料選擇廣西本地料場生產(chǎn)的石料。各材料規(guī)格性能均符合規(guī)范要求。

1.2 試驗方案

1.2.1 瀝青

高模量劑改性瀝青的制備：根據(jù)前期研究及廠家推薦，兩種高模量瀝青的摻量均為瀝青質量的10%。首先將瀝青用烘箱加熱至160 ℃左右，然后加入稱量好的高模量劑，在160 ℃恒溫油浴鍋中用剪切機以3 000 rad/min的轉速剪切30 min，即得到高模量劑改性瀝青。

通過DSR測試復數(shù)模量G^*和相位角δ，進而計算材料的車轍因子G^*/sinδ和疲勞因子G^*sinδ，分析高模量瀝青的抗變形及抗疲勞能力，從52 ℃開始掃描，溫度間隔6 ℃，當G*/sinδ ≤1.0 kPa時停止。

1.2.2 瀝青混合料

根據(jù)調研，高模量瀝青混合料多用于中下面層，因此三種瀝青混合料（常規(guī)、SBS、高模量劑）的級配采用AC-20（見表3）。根據(jù)馬歇爾試驗確定油石比為4.5。

動態(tài)模量是評價混合料力學性能的重要指標。本文通過旋轉壓實成型圓柱體試件（直徑為100 mm、高為150 mm），采用SPT試驗儀進行動態(tài)模量試驗，溫度分別選擇5 ℃、20 ℃、35 ℃和50 ℃四個溫度點，加載頻率分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz和25 Hz。另外通過車轍試驗評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

2 結果與討論

2.1 不同類型瀝青高溫流變及疲勞特性

圖1為70#基質瀝青、SBS改性瀝青和兩種高模量瀝青的車轍因子、疲勞因子、相位角隨溫度變化曲線。

從圖1（a）復數(shù)模量隨溫度變化曲線可知，不同類型瀝青的復數(shù)模量與溫度增長呈反比趨勢。溫度較低時模量較大，瀝青不易產(chǎn)生變形，但隨著溫度的升高，模量逐漸下降，瀝青由硬變軟，力學性能降低。同一溫度下，四類瀝青模量大小順序為：益道Rgt;PRgt;SBSgt;70#。隨著溫度升高差值逐漸降低，當溫度為46 ℃時，益道R、PR、SBS改性瀝青的模量分別比70#基質瀝青提升了222.2 kPa、75.1 kPa和20.5 kPa，但當溫度達到64 ℃時，益道R、PR、SBS改性瀝青的模量分別只比70#基質瀝青提升48.2 kPa、7.5 kPa和1.2 kPa。從數(shù)據(jù)可以看出，兩種高模量改性瀝青明顯大于SBS改性瀝青和基質瀝青，高模量劑提升瀝青力學性能方面優(yōu)于SBS改性劑。同時可以看出，不同類型高模量劑對瀝青力學性能改性效果不同。

從圖1（b）可知，相位角代表瀝青的粘彈特性。當相位角為0°時，材料呈現(xiàn)純彈性性質，當相位角為90°時，材料則呈現(xiàn)純黏性性質。不同類型瀝青相位角隨著溫度變化趨勢不同，70#瀝青隨溫度升高相位角變大并逐漸向90°靠攏，說明基質瀝青隨溫度升高靠近黏性狀態(tài)。SBS改性瀝青相位角變化幅度不明顯，說明其粘彈特性對溫度變化不敏感，能較好地維持粘彈特性。益道R和PR高模量改性瀝青的相位角隨溫度先上升后下降，這是因為高模量劑是一種高分子聚合物，其與瀝青分子鏈形成高穩(wěn)定性的網(wǎng)狀結構，當達到一定溫度后，內(nèi)部網(wǎng)狀結構逐漸發(fā)揮作用，表現(xiàn)出彈性性質，增強瀝青高溫下力學特性，提高瀝青高溫穩(wěn)定性。

車轍因子G^*/sinδ代表瀝青抗永久變形能力，疲勞因子G^*sinδ則反映瀝青的疲勞特性，二者均可由復數(shù)模量和相位角計算得出，從圖1（c）、（d）可以看出，瀝青的G^*/sinδ和G^*sinδ隨溫度變化趨勢與復數(shù)模量變化一致。溫度較低時，瀝青有著較好的抗變形能力和疲勞特性，但隨著溫度升高，兩種特性逐漸下降，這也解釋了為什么瀝青路面在高溫下容易發(fā)生破壞。相同溫度下，四類瀝青G^*/sinδ和G^*sinδ大小順序為：益道Rgt;PRgt;SBSgt;70#。對于車轍因子G^*/sinδ，廣西夏季路面最高氣溫可達60 ℃，因此以64 ℃為例，益道R、PR、SBS改性瀝青的值分別是70#瀝青的28倍、9倍和2倍，說明高模量劑改性瀝青在高溫抗變形能力方面相對SBS瀝青有著極大的優(yōu)勢。對于疲勞因子G^*sinδ，益道R、PR、SBS改性瀝青分別是70#瀝青的27倍、3倍和1.5倍。PR，SBS改性瀝青的疲勞因子G^*sinδ與基質瀝青差距小于車轍因子G^*/sinδ，這一現(xiàn)象從圖1（c）、（d）曲線對比中也能看出。

綜上所述，高模量劑改性瀝青力學性能優(yōu)于SBS改性瀝青，在提升瀝青高溫抗變形能力和疲勞特性方面相比SBS改性瀝青也有著極大的優(yōu)勢，且能夠有效改善瀝青在高溫下的粘彈特性，因此有著非常重要的研究價值。

2.2 高模量瀝青混合料力學性能及高溫穩(wěn)定性

圖2為四種瀝青混合料（AC-20+70#，AC-20+SBS，AC-20+PR，AC-20+益道R）的動態(tài)模量隨頻率變化曲線，其中，AC-20+70#表示混合料級配為AC-20，瀝青為70#基質瀝青，以此類推。為了更明顯地看出動態(tài)模量隨溫度、頻率和混合料類型的總體變化，繪制3D柱狀圖。以10 Hz加載條件下（相當于行車速度60 km/h）為例，不同類型混合料動態(tài)模量隨時間變化數(shù)據(jù)如表3所示。

從圖2中可以看出，不同類型瀝青混合料動態(tài)模量隨溫度的升高而降低。從路面抗剪切角度來看，混合料低溫時模量較大有著優(yōu)異的力學性能，不易產(chǎn)生車轍、沉陷等病害。隨著溫度的升高動態(tài)模量逐漸下降，混合料軟化，抗剪切能力下降，路面較容易發(fā)生車轍等相關損害。2022年7月、8月，南方某些已服役幾年的完好城市道路出現(xiàn)了大面積車轍病害，與溫度較高有直接關系，與本文研究結論理論吻合。

同時可以看出，不同類型的瀝青混合料的動態(tài)模量隨加載頻率升高而增加，不同加載頻率對應不同車速，頻率越高代表車速越快。研究表明10 Hz和25 Hz分別對應車速60 km/h和120 km/h。車速越快，輪胎與路面作用時間越短，路面主要以彈性變形為主，變形較小，彈性變形恢復較快。車速較慢時，荷載停留時間長，變形變大，瀝青混合料會產(chǎn)生一部分塑性變形，恢復較慢。相同荷載條件下，材料變形大小影響其動態(tài)模量，變形較小時模量值會變大，相反變形較大時模量較小，因此加載頻率（車速）越高瀝青混合料動態(tài)模量越大。

從圖2（e）中可以清晰看出動態(tài)模量隨溫度、頻率以及混合料類型總體變化趨勢。如前文所述，溫度越高，加載頻率越大，混合料模量越大。同時還可看出不同類型混合料模量差異，同一溫度頻率下，AC-20+70#＜AC-20+SBS＜AC-20+PR＜AC-20+益道R。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，不同改性劑對普通瀝青混合料動態(tài)模量的提升率隨著溫度升高而增大。10 Hz加載條件下，當溫度為5 ℃時，混合料AC-20+SBS、AC-20+PR、AC-20+益道R動態(tài)模量分別比AC-20+70#提升了9.3%、13.1%和16.7%，而50 ℃時，分別比AC-20+70#提升了24.7%、29.6%和34.4%。高溫下SBS和高模量劑可以大幅度提高瀝青混合料的力學性能，提高其高溫抗剪切能力，減少車轍等病害，其中益道R對混合料力學性能提升最優(yōu)，與膠結料結論一致。

綜上分析，瀝青混合料在溫度較高和車速較低的情況下力學性能較差，溫度對力學性能的影響大于車速，改性劑加入混合料后能提升其力學性能，提高其抗重載和抗車轍能力，高模量劑對混合料力學性能作用大于SBS改性劑，不同高模量劑對混合料力學性能提升不同。各單位在實際使用中，應通過試驗驗證性能優(yōu)劣，確定最佳產(chǎn)品。

車轍試驗能直觀展現(xiàn)混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)劣，定量分析高模量劑對混合料高溫穩(wěn)定性的影響，圖3為車轍試驗數(shù)據(jù)。

由圖3可以明確看出，不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與動態(tài)模量結果一致，AC-20+益道R和AC-20+PR的高溫穩(wěn)定性最好，分別高達8 930次/mm和6 452次/mm，遠遠高出規(guī)范要求的800次/mm，因此應用在南方高溫地區(qū)的瀝青混合料推薦使用高模量劑來提升其力學性能和高溫穩(wěn)定性。

3 結語

本文針對南方夏季瀝青路面高溫破壞問題，為提高瀝青路面力學和抗車轍性能，選用兩種市面上較為成熟的高模量劑PR、益道R，從瀝青和混合料兩方面評價高模量劑的適用性，并與常規(guī)瀝青和SBS改性瀝青做對比研究，主要結論如下：

（1）瀝青隨著溫度升高，模量逐漸下降，瀝青由硬變軟，力學性能降低。高模量劑與瀝青分子鏈形成高穩(wěn)定性的網(wǎng)狀結構，當達到一定溫度后，內(nèi)部網(wǎng)狀結構逐漸發(fā)揮作用，增強瀝青高溫下力學特性，其在提升瀝青高溫抗變形能力和疲勞特性方面相比SBS改性瀝青有著極大的優(yōu)勢。

（2）同一溫度頻率下，瀝青混合料動態(tài)模量排序為：AC-20+70#＜AC-20+SBS＜AC-20+PR＜AC-20+益道R，表明高模量劑可以大幅度提高瀝青混合料的力學性能，提高其高溫抗剪切能力。同時AC-20+益道R和AC-20+PR的高溫穩(wěn)定性分別高達8 930次/mm和6 452次/mm，大于AC-20+SBS混合料的4 560次/mm。

（3）高模量劑有著優(yōu)異的力學性能和高溫穩(wěn)定性，適用于廣西及夏季溫度較高的地區(qū)。但相關研究表明，其低溫抗裂性能較差，在北方冬季氣溫較低的省份應慎重使用，后續(xù)研究者可從如何提升高模量瀝青混合料的低溫抗裂性等方面進行研究。

參考文獻

［1］徐建平.高模量瀝青混合料路面耐久性能研究［D］.重慶：重慶交通大學，2019.

［2］高潤杰. 基于流變特性及開裂行為的高模量瀝青性能研究［D］.西安：長安大學，2021.

［3］盧桂林，許新權，唐志赟，等.高模量改性劑的作用機理及應用研究［J］.建筑材料學報，2021，24（2）：355-361.

［4］趙玉肖，趙玉冕，趙 毅.PRModule高模量瀝青混合料動態(tài)模量-溫度分布研究［J］.中外公路，2021，41（3）：280-285.

收稿日期：2023-04-12