高模量瀝青混合料路用性能試驗(yàn)分析

摘要 為研究高模量劑對瀝青混合料路用性能的影響，該文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，對高模量瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性及疲勞性能進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：摻加高模量劑后，瀝青混合料在高溫下的動(dòng)穩(wěn)定度顯著提升，低溫性能和水穩(wěn)定性均有所改善，尤其是ECB、ZQ-2和PR的綜合性能最佳。該研究對優(yōu)化高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)和施工提出了建議，具有提高道路使用性能和耐久性的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞 高模量劑；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號 U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0043-03

0 引言

隨著交通量的增加和重載交通的普及，道路工程對路面材料提出了更高的要求。高模量瀝青混合料作為一種新型路面材料，因其優(yōu)越的剛度和抗變形能力，能夠有效應(yīng)對重載交通下的車輛荷載，減少車轍病害的產(chǎn)生，已經(jīng)成為道路建設(shè)中的重要材料[1]。20世紀(jì)80年代，高模量瀝青混合料在法國進(jìn)行了首次應(yīng)用，之后迅速推廣到全球，特別在重載交通路段和交叉口處得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，隨著我國物流行業(yè)和重工業(yè)的發(fā)展，道路運(yùn)輸?shù)呢?fù)荷不斷增加，對路面的承載能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的70#瀝青和SBS改性瀝青在重載交通下容易出現(xiàn)車轍，難以滿足當(dāng)前的使用需求，因此，高模量瀝青混合料技術(shù)的研究和應(yīng)用成為必然趨勢[2]。該研究基于目前市面上常見的高模量劑，通過室內(nèi)試驗(yàn)，對高模量瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性及疲勞性能等關(guān)鍵路用性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)和分析，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工建議，進(jìn)一步提高高模量瀝青混合料的應(yīng)用效果?；谠撐牡难芯砍晒荚跒榈缆饭こ烫峁└鼉?yōu)質(zhì)、高效的路面材料，推動(dòng)道路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 原材料與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 材料

（1）瀝青

該研究選用70#基質(zhì)瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（2）集料

選用石灰?guī)r粗細(xì)集料，從現(xiàn)場取樣后，依據(jù)Superpave設(shè)計(jì)要求，對其物理力學(xué)性能進(jìn)行檢測，結(jié)果均滿足要求。

（3）填料

選用石灰?guī)r磨成的礦粉，其表觀相對密度2.720。

（4）高模量劑

通過對目前市場上幾種高模量劑進(jìn)行調(diào)研，該研究選取了其中4種代表性的樣品，PR高模量劑如圖1所示，ZQ-2和ECB高模量劑如圖2所示，并根據(jù)其推薦摻量進(jìn)行試驗(yàn)，各高模量劑種類及摻量匯總?cè)绫?所示。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

該研究采用SUP-20的級配設(shè)計(jì)，按照Superpave設(shè)計(jì)方法，初步擬定粗、中、細(xì)三種級配，并根據(jù)集料密度和吸水率計(jì)算初始油石比，并采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的試驗(yàn)方法制備試件，以4%的空隙率作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，測試混合料的瀝青用量和相應(yīng)的體積參數(shù)。最終確定配合比為1#∶2#∶3#∶4#∶5#∶礦粉=26.0%∶20.0%∶16.0%∶12%∶23.5%∶2.5%，混合料體積參數(shù)測試結(jié)果如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

（1）高溫性能試驗(yàn)

按照規(guī)范要求，采用車轍試驗(yàn)評價(jià)高模量瀝青混合料的高溫性能。制備高模量瀝青混合料車轍板試件，將試樣放置在試驗(yàn)機(jī)中，在60℃下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，記錄動(dòng)穩(wěn)定度和豎向位移，分析不同高模量劑和不同瀝青的試驗(yàn)結(jié)果。

（2）低溫性能試驗(yàn)

依據(jù)規(guī)范要求，將冷卻后的高模量瀝青混合料車轍試件——長250 mm，寬30 mm，高35 mm的棱柱形小梁——放置在低溫箱中預(yù)冷至-10℃，使用小梁低溫彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，記錄最大彎拉應(yīng)變值和抗彎拉強(qiáng)度。

（3）水穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備混合料試件，將試樣浸泡在60℃的水中24 h，測量并記錄試樣的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度和浸水后的穩(wěn)定度，以殘留穩(wěn)定度作為評價(jià)指標(biāo)。此外，將試樣在-18℃環(huán)境下凍16 h，然后在60℃水中融24 h，測試前一起置于25℃水中保溫不少于2 h，以凍融劈裂強(qiáng)度比作為評價(jià)指標(biāo)。

（4）疲勞性能試驗(yàn)

將試樣在15℃環(huán)境下進(jìn)行預(yù)處理，使用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，在設(shè)定的應(yīng)力水平下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，記錄試樣的疲勞壽命。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫性能

按照最佳摻量對不同高模量劑的瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，并與基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

分析可知，無論是否摻添加劑，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果均滿足施工技術(shù)要求。相較于基質(zhì)瀝青，摻加SBS或高模量劑后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均顯著提升，其中，摻加PR高模量劑的混合料提升幅度最大，達(dá)到133.98%，其次是摻加ZQ-2和保利的高模量劑，而摻加ECB高模量劑的混合料提升幅度最小，甚至遠(yuǎn)低于SBS改性瀝青，表明PR高模量劑對提高瀝青混合料的抗車轍性能效果最為顯著。

分析原因，由于聚乙烯材料的高強(qiáng)度和耐磨性，使得保利和PR兩種高模量劑在瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度方面提升顯著。而多聚物可以增加瀝青的柔韌性和彈性，樹脂可以增強(qiáng)材料的硬度和耐久性，因此，ZQ-2這種高模量劑在多聚物和樹脂的協(xié)同作用下，大大提高了混合料的抗變形能力。乙烯共聚物可以改善瀝青的黏結(jié)性和耐高溫性能，但其增強(qiáng)效果相對其他高模量劑略差，可能因?yàn)橐蚁┕簿畚锱c瀝青的兼容性略低[3]。

2.2 低溫性能

對不同種類的高模量瀝青混合料進(jìn)行-10℃的低溫小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

分析可知，6種瀝青混合料的低溫性能均滿足破壞應(yīng)變的技術(shù)要求，其中摻加ECB高模量劑的混合料破壞應(yīng)變最大，遠(yuǎn)高于技術(shù)要求，在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的延展性和抗裂性能。此外，其余幾種摻加高模量的瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變相差很小，說明添加SBS和高模量劑后，對瀝青的低溫性能產(chǎn)生了一定負(fù)面影響。分析原因，主要是因?yàn)橐蚁┕簿畚镌诘蜏叵戮哂辛己玫娜犴g性和延展性，因此摻ECB高模量劑的混合料彎拉應(yīng)變最大，而聚乙烯材料硬度較高，低溫條件下瀝青容易變硬變脆，導(dǎo)致破壞應(yīng)變略低[4]。

2.3 水穩(wěn)定性

對不同種類的高模量瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，計(jì)算殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比，并將結(jié)果進(jìn)行匯總，具體如表5、表6所示。

分析可知，各種瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均滿足技術(shù)要求，且相較于基質(zhì)瀝青，添加高模量劑后瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均有明顯提升，其中摻加ZQ-2高模量劑的混合料綜合表現(xiàn)最佳，無論是在浸水前后的穩(wěn)定度還是在殘留穩(wěn)定度方面均領(lǐng)先于其他高模量劑和對比瀝青，表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗水損性能。而摻加保利和PR高模量劑的混合料與SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度幾乎相同，說明這兩種高模量劑在抗水損害方面的表現(xiàn)稍遜。

分析發(fā)現(xiàn)，高模量劑對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有顯著改善作用，其中摻加ZQ-2、ECB和PR高模量劑的混合料在浸水馬歇爾試驗(yàn)中的殘留穩(wěn)定度均高于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，表明高模量劑能夠有效提高瀝青混合料的耐水侵蝕能力，減少水分對其結(jié)構(gòu)和性能的影響。高模量劑主要通過改善瀝青混合料的分子結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)分子間的結(jié)合力，提升其整體性能，特別是在抗凍融和耐水性能方面的表現(xiàn)顯著。

2.4 疲勞性能

按照0.1、0.2、0.4及0.5四個(gè)不同的應(yīng)力控制水平，開展應(yīng)力控制模式下的高模量瀝青混合料疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由上表分析可知，所有摻加高模量劑的瀝青混合料在相同應(yīng)力比條件下的疲勞壽命均高于基質(zhì)瀝青，表明高模量瀝青混合料具有較好的抗疲勞性能，特別是在低應(yīng)力比下，摻加ECB和ZQ-2高模量劑的混合料表現(xiàn)尤為突出。SBS改性瀝青和摻加PR高模量劑的瀝青在各種應(yīng)力比下也表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的疲勞壽命。通過這些數(shù)據(jù)，可以為實(shí)際路面設(shè)計(jì)中選擇合適的高模量劑提供參考。

此外，通過對不同應(yīng)力比下的疲勞壽命進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與應(yīng)力比呈指數(shù)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99以上，表明不同高模量劑瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)力比具有良好的指數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)論

該文通過對比基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青，分析不同高模量瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，得出以下結(jié)論：

第一，摻加高模量劑后瀝青混合料的路用性能相較于基質(zhì)瀝青均有顯著提升，其中PR的高溫性能最優(yōu)，ECB在低溫下具有良好的延展性和抗裂性能，ZQ-2、ECB具有良好的水穩(wěn)定性和低應(yīng)力比下的抗疲勞性能。

第二，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)公路設(shè)計(jì)要求和使用條件，選擇合適的高模量劑來提升道路使用性能和耐久性。

參考文獻(xiàn)

[1]聶倩.高模量瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究[J].交通科技與管理， 2024（1）：107-109.

[2]劉曉峰.抗車轍劑對瀝青混合料路用性能的影響[J].山西建筑， 2020（19）：85-87.

[3]鮑居德.高模量瀝青路面施工技術(shù)研究[J].黑龍江交通科技， 2015（2）：36-37.

[4]康曉惠，包惠明.新型廢膠粉改性瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)研究[J].西部交通科技， 2008（3）：19-23.

收稿日期：2024-08-02

作者簡介：陳強(qiáng)（1987—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程道路橋梁試驗(yàn)檢測。