硬質(zhì)瀝青及其混合料高溫性能試驗(yàn)研究

楊志勇， 黃 拓， 肖 暢

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院，湖北 武漢 430000;2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410004;3.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023)

硬質(zhì)瀝青最早出現(xiàn)于法國，并在過去的幾十年中得到了廣泛的應(yīng)用。硬質(zhì)瀝青的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)地硬，高溫抗變形性能優(yōu)越。硬質(zhì)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層有較高的模量和較強(qiáng)的抗高溫車轍能力，適用于重載交通條件下的高等級公路路面結(jié)構(gòu)。在法國，瀝青路面50%的中下面層都應(yīng)用了硬質(zhì)瀝青混凝土。在芬蘭，公路部門通常將硬質(zhì)瀝青應(yīng)用于次等級道路基層［1］。

目前國內(nèi)對30號硬質(zhì)瀝青及其瀝青混合料的研究和應(yīng)用均較少。高溫穩(wěn)定性不足是我國南方炎熱地區(qū)瀝青路面產(chǎn)生病害的主要原因，如在瀝青路面的基層使用硬質(zhì)瀝青，可提高路面結(jié)構(gòu)層的高溫穩(wěn)定性。

1 瀝青的高溫性能

1.1 瀝青性能指標(biāo)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的瀝青為中海油泰州牌30號硬質(zhì)瀝青，為評價其路用性能，將其與瀝青路面常用的70號重交瀝青作比較，所用的70號重交瀝青也是中海油泰州牌。

對這兩種瀝青按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052—2000)規(guī)定的方法測定瀝青的性能指標(biāo)，表1給出了瀝青技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)值。

從表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:30號硬質(zhì)瀝青具有較高的粘度，其軟化點(diǎn)高于70號重交瀝青。將其技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果與我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)道路石油瀝青技術(shù)要求相對比，除15℃延度以外，其余指標(biāo)均能達(dá)到道路石油瀝青的A級標(biāo)準(zhǔn)。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 DSR試驗(yàn)

動態(tài)剪切流變儀(DSR)是Superpave體系中用以測定瀝青結(jié)合料高溫穩(wěn)定性和中等溫度條件下疲勞特性的儀器。試驗(yàn)時，瀝青試樣被放入平板中，測定瀝青的復(fù)數(shù)勁度模量和相位角，采用抗車轍因子表征結(jié)合料抗永久變形的能力［2］。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 DSR試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出:兩種瀝青的抗車轍因子都大于1.0 kPa，符合SHRP規(guī)范要求。四種溫度下，30號瀝青的抗車轍因子遠(yuǎn)大于70號瀝青，這說明30號硬質(zhì)瀝青高溫抗車轍性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常用的70號瀝青。

2 瀝青混合料高溫性能

2.1 瀝青混合料級配

由于擬將30號硬質(zhì)瀝青混合料用于瀝青路面的基層，本試驗(yàn)采用的級配為ATB-30和ATB-40。級配均按馬歇爾方法設(shè)計(jì)，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，礦料級配組成見表3。石料采用道路一級石灰?guī)r，通過馬歇爾試驗(yàn)，確定兩種混合料的最佳油石比分別為3.4%和3.3%。

表3 級配組成表

2.2 單軸蠕變試驗(yàn)

單軸蠕變試驗(yàn)是對圓柱形試件在軸向施加一荷載，并保持荷載大小不變，經(jīng)過一段時間后卸載，待試件恢復(fù)一部分變形并趨于穩(wěn)定后，可得到瀝青混合料的蠕變曲線。測量試件的變形并計(jì)算其蠕變勁度，其結(jié)果可用作瀝青混凝土路面車轍深度預(yù)估的參數(shù)之一。試驗(yàn)儀器為MTS810試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)載應(yīng)力為加載應(yīng)力的1%，靜壓10 min，其主要目的是使試驗(yàn)機(jī)與試件端面的接觸良好，避免加載時對試件產(chǎn)生沖擊以及卸載時壓頭與試件脫空。40℃和50℃蠕變試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1和圖2。

由于采用各種模型比較繁瑣，在本試驗(yàn)中，參照彈性體的方法，定義蠕變勁度，用蠕變勁度和永久應(yīng)變評價瀝青混合料的高溫性能。勁度模量的計(jì)算公式見式1。

式中:Sσ，ε1為高溫蠕變試驗(yàn)蠕變勁度模量(MPa);σ為蠕變試驗(yàn)應(yīng)力(MPa);ε1為蠕變試驗(yàn)永久變形(10-6)。

圖1 40℃蠕變曲線

圖2 50℃蠕變

永久變形為試驗(yàn)最后的不可恢復(fù)的變形，即為試驗(yàn)最后時刻對應(yīng)的變形。從上述分析看出，同一溫度下，永久變形越大，蠕變模量越小，混合料高溫抗車轍性能愈差，反之其高溫性能愈好。蠕變試驗(yàn)永久變形計(jì)算結(jié)果見表4;蠕變勁度模量計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 永久變形(2 h)

表5 蠕變勁度模量(2 h)

從蠕變試驗(yàn)結(jié)果來看:溫度升高，瀝青混合料抗變形能力變差。級配相同，30號瀝青混合料蠕變勁度模量大，永久變形小，其高溫穩(wěn)定性要明顯好于70號瀝青混合料。瀝青相同，ATB-40混合料勁度模量大，永久變形小，其高溫穩(wěn)定性要明顯好于ATB-30瀝青混合料。同種溫度下，四種瀝青混合料抗高溫變形能力的排列順序?yàn)?ATB-40-30＞ATB-30-30＞ATB-40-70＞ATB-30-70。

2.3 車轍試驗(yàn)

瀝青混合料車轍試驗(yàn)是用一塊碾壓成型的板塊試件(通常尺寸為300 mm×300 mm×50 mm)，在規(guī)定的溫度條件(通常是60℃)下，以一個輪壓為0.7 MPa的實(shí)心橡膠輪在其上行走，測量試件在變形進(jìn)入穩(wěn)定期時，每增加1 mm變形需要行走的次數(shù)，稱為“動穩(wěn)定度”(DS)，以次/mm表示。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖3 車轍試驗(yàn)結(jié)果對比圖

從圖3可以看出:30號瀝青混合料具有良好的抗車轍性能，混合料ATB-30-30的動穩(wěn)定度為7035次/mm、ATB-40-30的動穩(wěn)定度為9898次/mm，比70號瀝青混合料的抗車轍性能要好得多，并遠(yuǎn)超過規(guī)范要求的大于2800次。瀝青相同，ATB-40混合料的高溫穩(wěn)定性要明顯好于ATB-30瀝青混合料。四種瀝青混合料抗車轍能力排列順序?yàn)?ATB-40-30＞ATB-30-30＞ATB-40-70＞ATB-30-70。

3 工程應(yīng)用及結(jié)論

室內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)踐表明，在高速公路路面鋪裝中，采用ATB-30-30、ATB-40-30瀝青混合料鋪筑基層，30號硬質(zhì)瀝青作為基層的膠結(jié)料，滿足了攤鋪式瀝青混凝土的性能及施工要求，且30號硬質(zhì)瀝青的價格比改性瀝青低1000元/t左右，因此使用硬質(zhì)瀝青可大大降低工程費(fèi)用。

DSR試驗(yàn)結(jié)果表明:30號硬質(zhì)瀝青的抗高溫變形性能遠(yuǎn)優(yōu)于70號瀝青，單軸蠕變試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。因此將ATB-30-30、ATB-40-30混合料用于瀝青路面基層鋪裝，可提高路面的抗高溫變形能力，同時使用硬質(zhì)瀝青混合料可降低工程費(fèi)用。

［1］黃 拓，錢國平，李輝忠.30號硬質(zhì)瀝青及其混合料低溫性能試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2008，28(6):224-226.

［2］劉 闖，吳 健，李長海.低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青動態(tài)剪切流變試驗(yàn)分析研究［J］.中外公路，2007，27(4):257-259.