摻加高模量劑的瀝青混合料路用性能試驗研究

李增光，安 平，秦泗龍，閆翔鵬

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟南 250031；2. 日照公路建設(shè)有限公司，山東 日照 276800）

引言

1 高模量瀝青混合料材料組成

1.1 原材料性能

1.1.1 瀝青

采用70#A級道路石油瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）[3]的試驗方法對瀝青的性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，試驗結(jié)果見表1。

表1 瀝青性能指標(biāo)測試結(jié)果

1.1.2 集料

粗、細(xì)集料采用石灰?guī)r集料，技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表2、表3。

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

表3 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

1.1.3 礦粉

采用當(dāng)?shù)厥規(guī)r磨細(xì)的礦粉，技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表4。

表4 礦粉技術(shù)性質(zhì)

1.1.4 添加劑

采用法國PR Module高模量添加劑，可明顯提高瀝青混合料的模量和路面高溫抗變形能力，主要技術(shù)指標(biāo)見表5。

兩只船相撞，你的第一句話不是罵人，而是問：你沒事吧？那你給對方的感覺就是一個空船，這樣的話，哪里會有什么爭執(zhí)呢？虛己游世，虛己、忘己、忘掉私欲、偏見，這樣才能不害物也不害于物，不害人也不害于人。放下我執(zhí)，自然可以事事不計較，事事看得開。

表5 PR Module主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 混合料級配設(shè)計

選用路面中面層或下面層的HMAC-16、HMAC-20進(jìn)行相關(guān)研究，其合成級配見表6。

表6 礦料合成級配

高模量添加劑的摻量為0.7%，經(jīng)試驗確定HMAC-16、HMAC-20的最佳油石比分別為4.6%、4.4%。

2 馬歇爾試驗結(jié)果分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）[3]的方法進(jìn)行馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見表7。

表7 馬歇爾試驗結(jié)果

從表7可以看出，兩種摻加PRM高模量改性劑的瀝青混合料的體積指標(biāo)都能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到14 kN以上，均大于兩種未摻加高模量劑的普通瀝青混合料的穩(wěn)定度，HMAC-20的穩(wěn)定度比HMAC-16的大，但流值比HMAC-16的小。一般認(rèn)為，穩(wěn)定度大而變形小的混合料強度較高，性能更好。由于HMAC-20混合料的最大公稱粒徑更大，粗顆粒用量更多，其在內(nèi)摩阻力及黏聚力的綜合作用下比HMAC-16混合料抵抗徑向變形的能力更強，因此，在級配類型確定的情況下，可以通過優(yōu)化級配，改善混合料的強度特性。

3 高溫穩(wěn)定性能

3.1 車轍試驗

以60 ℃車轍試驗的動穩(wěn)定度、相對變形指標(biāo)及綜合穩(wěn)定指數(shù)三個指標(biāo)來表征瀝青混合料的抗車轍能力[4-5]。相對變形指標(biāo)考慮了車轍深度及試件厚度參數(shù)，代表某時刻（一般取1 h）的車轍深度占試件厚度的百分比，綜合穩(wěn)定指數(shù)考慮了試驗前45 min變形對動穩(wěn)定度及永久變形的影響，試驗結(jié)果見表8。

表8 車轍試驗結(jié)果

從表8可以看出：（1）摻加高模量改性劑的HMAC-16和HMAC-20的動穩(wěn)定度比普通瀝青混合料提高了7.4倍和7.6倍，其中，HMAC-20的動穩(wěn)定度和綜合穩(wěn)定指數(shù)大于HMAC-16。（2）相對變形指標(biāo)反之，較小的相對變形和較大的綜合穩(wěn)定指數(shù)，說明HMAC-20混合料具有良好的高溫抗車轍能力。

3.2 單軸貫入試驗

在15 ℃、20 ℃和60 ℃溫度下對兩種瀝青混合料進(jìn)行單軸貫入試驗，評價瀝青混合料的抗剪切性能，試驗采用靜壓成型的Φ100 mm×100 mm的圓柱體試件，試驗速率1 mm/min。

圖2 內(nèi)摩擦角

圖3 黏聚力

從圖1～圖4可以看出：相同溫度下，HMAC-16和HMAC-20的抗剪強度差別不大，但都比AC-16和AC-20的抗剪強度大；60 ℃時，HMAC-20的內(nèi)摩擦角大于HMAC-16，黏聚力則相反。（1）隨著溫度的升高，同種級配瀝青混合料的抗剪強度、內(nèi)摩擦角及黏聚力持續(xù)減??；20～60 ℃時的抗剪強度、內(nèi)摩擦角和黏聚力明顯減小，表明抗剪性能對溫度比較敏感，其隨著溫度的升高而逐漸降低。因此，夏季高溫天氣條件下瀝青路面更容易產(chǎn)生車轍變形。（2）隨著溫度升高，黏聚力與抗剪強度的比值越大，說明隨著溫度升高，結(jié)構(gòu)瀝青軟化使黏聚力減小，較多的自由瀝青使集料之間的嵌擠咬合作用減弱，內(nèi)摩擦角減小，黏聚力在抗剪性能中起的作用逐漸變大。

圖1 抗剪強度

圖4 黏聚力與抗剪強度的比值

4 低溫穩(wěn)定性能

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）[3]中的T0715低溫彎曲試驗方法，以破壞應(yīng)變評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，將輪碾成型機碾壓成型的試件切割后制成棱柱體試件，試件尺寸長250±2 mm、寬30±2 mm、高35± 2 mm，試驗溫度為-10 ℃、加載速率為50 mm/min， 試驗結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 不同混合料的彎拉強度和彎曲勁度模量

圖6 不同混合料的最大彎拉應(yīng)變

HMAC-16、HMAC-20的抗彎拉強度和彎曲勁度模量比相同級配的普通瀝青混合料無明顯提高，四種混合料的最大彎拉應(yīng)變均滿足冬溫區(qū)和冬冷區(qū)≥2 000 με的要求[3]，HMAC-16、HMAC-20最大彎拉應(yīng)變比AC-16、AC-20減小1.0%、1.4%，摻加高模量劑的瀝青混合料低溫性能較普通瀝青的減小幅度很小。

5 水穩(wěn)定性能

采用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗評價摻加高模量劑的瀝青混合料水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見圖7。

圖7 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從圖7可以看出，普通瀝青混合料及摻加高模量劑的瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比都能滿足規(guī)程要求[3]。摻加高模量劑的兩種混合料與同類型的普通瀝青混合料相比，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比都有不同程度的提高，說明添加高模量劑可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

6 動態(tài)模量試驗

動態(tài)模量試驗采用普通混合料AC-20和摻加高模量劑的HMAC-20兩種混合料，用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型圓柱體試件，尺寸為Φ150×170 mm。試驗芯樣尺寸為Φ100×150 mm，軸向應(yīng)變控制在50～150 με，加載波形采用無間歇時間偏移正弦波。為研究不同溫度下的路面響應(yīng)，采用15 ℃、20 ℃、60 ℃三個溫度，為模擬不同行車速度對路面的影響，試驗頻率分別選擇0.01 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、 25 Hz，試驗結(jié)果見圖8～圖13。

圖8 15 ℃動態(tài)模量與頻率關(guān)系

圖9 20 ℃動態(tài)模量與頻率關(guān)系

圖10 60 ℃動態(tài)模量與頻率關(guān)系

圖13 10 Hz下不同混合料動態(tài)模量

圖11 AC-20不同溫度時動態(tài)模量

圖12 HMAC-20不同溫度時動態(tài)模量

從圖8～圖13可以看出：（1）荷載頻率及溫度對瀝青混合料動態(tài)模量有顯著影響[7]。兩種混合料的動態(tài)模量隨加載頻率增大而持續(xù)增大，隨溫度升高而逐漸降低，加載頻率＜5 Hz時，其提高幅度較大，5 Hz以上時提高幅度逐漸減小；溫度越高，瀝青混合料抵抗變形的能力越弱，動態(tài)模量相應(yīng)降低。（2）在相同溫度和頻率情況下，摻加高模量劑的混合料HMAC-20動態(tài)模量明顯大于普通混合料AC-20，摻加高模量劑改善了混合料的強度和剛度特性，增強了瀝青路面抵抗變形的能力，提高了其抗車轍和抗疲勞性能。（3）摻加高模量劑的瀝青混合料在溫度15 ℃， 加載頻率10 Hz情況下動態(tài)模量＞14 000 MPa， 滿足法國高模量瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)語

（1）摻加高模量劑可以顯著改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能。（2）摻加高模量劑對瀝青混合料低溫性能無明顯影響。（3）添加高模量劑可以改善瀝青混合料的抗水損害性能。（4）摻加高模量劑瀝青混合料的動態(tài)模量遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料，可以明顯增強瀝青路面抵抗車轍變形的能力。