適用于濕熱地區(qū)的湖瀝青改性高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)與關(guān)鍵性能評(píng)價(jià)

■劉華敏

（莆田湄渝高速公路有限責(zé)任公司，莆田 351100）

0 引言

福建屬濕熱地區(qū)，夏季月最高平均氣溫超過(guò)30℃，年降雨量超過(guò)1000mm，瀝青路面材料既要有良好的高溫性能，又要有良好的水穩(wěn)定性。瀝青混合料是一種粘彈性材料，其強(qiáng)度和模量都隨溫度升高而急劇下降，正是這種強(qiáng)度和模量的下降導(dǎo)致了瀝青面層在高溫下形成了車轍變形。目前解決車轍的措施主要是通過(guò)增加瀝青混合料的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角入手，主要方法有：①采用改性瀝青或在瀝青中添加纖維作膠結(jié)料；②采用骨架嵌擠的混合料級(jí)配類型；③采用高強(qiáng)度、棱角性好的集料等。歐洲等國(guó)使用高模量的瀝青增加瀝青的粘度以達(dá)到提高瀝青混合料的抗變形能力，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者提出各種各樣的解決方法，其中有一種方法就是通過(guò)提高瀝青混合料的模量來(lái)提高路面的抗車轍能力，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究表明，如果混合料具有較高的模量，則具有優(yōu)越的高溫抗變形能力。

高模量瀝青混合料是采用高模量瀝青，改善瀝青在混合料中的粘附性能和改進(jìn)礦料級(jí)配，使礦料表面具有合適的瀝青膜厚度等，高模量瀝青混合料的模量值比普通瀝青混合料的模量顯著提高，平均模量提高50%或更高。瀝青路面面層模量的提高，將使路面各層面的受力狀況發(fā)生較大變化，提高了路面抵抗車轍等破損的能力。當(dāng)前，常用高模量瀝青材料有硬質(zhì)瀝青、巖瀝青、湖瀝青以及其他改性劑或添加劑等，其中天然湖瀝青針入度小、稠度大，與普通的石油瀝青摻配使用可以達(dá)到高模量的目的。

湖瀝青產(chǎn)于南美洲特立尼達(dá)島，是一種應(yīng)用較多的天然瀝青。湖瀝青混合物采掘后，先進(jìn)行粗煉，加熱到160℃把水蒸發(fā)，然后把熔化的材料通過(guò)細(xì)篩過(guò)篩，除去各種粗的雜物，經(jīng)過(guò)精煉加工的產(chǎn)品即稱為特立尼達(dá)精煉湖瀝青（TLA）。精煉湖瀝青含有相當(dāng)數(shù)量的礦物質(zhì)（灰分），約占36%～37%，另外含有53%～55%的地瀝青（二硫化碳可溶分）、4.3%的礦物質(zhì)化合水和3.2%有機(jī)材料。TLA改性瀝青在國(guó)外的應(yīng)用開(kāi)始較早，早在1880年，美國(guó)華盛頓特區(qū)在幾個(gè)城市街道的路面工程中已應(yīng)用了TLA。

本文基于湖瀝青改性技術(shù)，進(jìn)行高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)與性能研究，以減少中下面層車轍產(chǎn)生的幾率，這對(duì)進(jìn)一步提高公路的建設(shè)水平和質(zhì)量，減少路面養(yǎng)護(hù)維修的費(fèi)用、延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，都具有極其重要的工程實(shí)踐價(jià)值。

1 面層模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的影響分析

建立高模量中面層路面結(jié)構(gòu)的有限元模型分析路面結(jié)構(gòu)的厚度、模量對(duì)于路面結(jié)構(gòu)彎沉、瀝青層底拉應(yīng)變的影響。考慮瀝青路面材料模量受溫度、荷載作用時(shí)間等的影響。模量選取基于以往40℃動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果，不同頻率荷載的作用，上、中、下面層的模量分別選取2000MPa、2000MPa、2000MPa，水泥穩(wěn)定碎石基層的模量分別選取1500MPa，土基模量選取60MPa。路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)

中面層厚度分別選取5cm～9cm，中面層模量選取2000MPa～3600MPa。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

高模量中面層路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的關(guān)鍵指標(biāo)是路表彎沉和瀝青層底的拉應(yīng)力。彎沉隨厚度、模量變化的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 彎沉隨中面層厚度變化曲線

圖4 彎沉隨中面層模量變化曲線

通過(guò)圖3和圖4可知，基于彎沉等效的計(jì)算方法，路面中面層提高400MPa相當(dāng)于中面層厚度提高1cm。

瀝青層底彎拉應(yīng)力隨中面層厚度、模量變化如圖5和圖6所示。

圖5 瀝青層底彎拉應(yīng)力隨中面層厚度變化曲線

圖6 瀝青層底彎拉應(yīng)力隨中面層模量變化曲線

從圖5和圖6可知，基于瀝青層底彎拉應(yīng)力等效，中面層模量提高570MPa相當(dāng)于中面層厚度提高1cm。由此可見(jiàn)，無(wú)論從整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是層底受力來(lái)看，模量的提升可大幅度改善路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

2 湖瀝青高模量瀝青混合料HMAC-20設(shè)計(jì)

2.1 原材料性能

湖瀝青復(fù)合改性HMAC所用膠結(jié)料為70號(hào)瀝青+湖瀝青（66.6%∶33.4%），集料為石灰?guī)r，集料性能試驗(yàn)見(jiàn)表1、各種集料的密度試驗(yàn)見(jiàn)表2。

表1 集料試驗(yàn)結(jié)果表

表2 集料相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 混合料級(jí)配

湖瀝青復(fù)合改性混合料采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)，混合料采用AC20級(jí)配。在選擇集料級(jí)配時(shí)，首先調(diào)試出粗、中、細(xì)三個(gè)級(jí)配，根據(jù)集料的性質(zhì)（密度和吸水率）計(jì)算出三個(gè)級(jí)配的初始用油量，用初始用油量成型試件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出三個(gè)級(jí)配的瀝青混合料在孔隙率為4%時(shí)所需的瀝青用量及相應(yīng)的瀝青混合料其他性質(zhì)：VMA、VFA、粉膠比、初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)的壓實(shí)度等。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果最終確定了復(fù)合改性湖瀝青的目標(biāo)級(jí)配如表3所示。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)級(jí)配在最佳瀝青用量下的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)體積指標(biāo)、馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～5。

表4 湖瀝青HMAC-20旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表5 湖瀝青HMAC-20馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.4 湖瀝青HMAC-20路用性能評(píng)價(jià)

根據(jù)最佳油石比及設(shè)計(jì)級(jí)配，分別采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的湖瀝青HMAC-20混合料的綜合路用性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6所示。

表3 湖瀝青復(fù)合改性HMAC-20混合料級(jí)配

表6 湖瀝青HMAC-20混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，湖瀝青HMAC-20混合料的高溫性能相比傳統(tǒng)的AC-20混合料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)提升效果明顯，因而具有好的抗車轍性能，其低溫性能和水穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范中對(duì)于改性瀝青混合料的要求。

3 湖瀝青HMAC-20混合料模量性能研究

3.1 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)方法

瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量采用Superpave簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）測(cè)定。參考的試驗(yàn)規(guī)程為AASHTO TP-62。動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)可以采用應(yīng)變控制方式或應(yīng)力控制方式。本研究中采用應(yīng)變控制方式，對(duì)試件施加正弦荷載，不管采用何種控制方式，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)都可以得到三個(gè)參數(shù)：復(fù)數(shù)模量E※，動(dòng)態(tài)模量│E※│，和相位角 。復(fù)數(shù)模量是一個(gè)復(fù)數(shù)，用來(lái)確定粘彈性材料的應(yīng)力、應(yīng)變特性，它由實(shí)部和虛部?jī)刹糠纸M成，如式（1）所示：

其中E′為存儲(chǔ)模量，E″為損失模量。動(dòng)態(tài)模量是復(fù)數(shù)模量的絕對(duì)值，反映了材料抵抗變形的能力，動(dòng)態(tài)模量的定義如下：

動(dòng)態(tài)模量可以通過(guò)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力幅值和應(yīng)變幅值的比值來(lái)確定即：

其中：σamp為應(yīng)力幅值，εamp為應(yīng)變幅值。相位角φ描述材料粘性部分和彈性部分的相對(duì)大小,由下式確定：

其中f為施加荷載的頻率,Δt為試驗(yàn)中應(yīng)變滯后于應(yīng)力的時(shí)間。對(duì)于完全彈性材料φ=0，對(duì)于完全粘性材料φ=90。隨著相位角的增加，材料的粘性性質(zhì)增加。存儲(chǔ)模量，損失模量，動(dòng)態(tài)模量及相位角有如下的關(guān)系：

通常通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得到動(dòng)態(tài)模量和相位角，利用關(guān)系式5就可以確定該種材料的存儲(chǔ)模量和損失模量，進(jìn)而得到復(fù)數(shù)模量。應(yīng)當(dāng)注意，在許多文獻(xiàn)中，為了簡(jiǎn)便動(dòng)態(tài)模量也用E※來(lái)表示，應(yīng)加以區(qū)分。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)在3個(gè)溫度下進(jìn)行，分別為4℃、15℃、40℃，在每一個(gè)溫度下，在 7 個(gè)不同頻率下（25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz）分別測(cè)定動(dòng)態(tài)模量。 表 7 和圖7是動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果。

表7 AC20瀝青混合料動(dòng)模量試驗(yàn)結(jié)果

圖7 湖瀝青動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量隨溫度的升高逐漸降低，隨頻率的增大逐漸增大。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的湖瀝青HMAC-20模量較大，15℃、10Hz下動(dòng)態(tài)模量達(dá)到17332MPa，40℃、10Hz下的動(dòng)態(tài)模量達(dá)到2833MPa。

法國(guó)的高模量瀝青混合料采用在線彈性狀態(tài)下15℃的動(dòng)態(tài)拉壓模量作為高模量混合料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即混合料的模量大于14000MPa。歐洲在定義高模量瀝青混合料時(shí)僅采用了20℃勁度模量。這對(duì)于一般工作溫度時(shí)，減少下面層和基層的應(yīng)力應(yīng)變是有效的；但是對(duì)于高溫抗車轍，尤其是在高溫狀態(tài)下減少下面層和基層的應(yīng)力應(yīng)變是無(wú)效的。研究高模量瀝青混合料的目的是為了提高中面層材料的抗車轍性能。車轍都是發(fā)生在高溫季節(jié)，為了提高路面的抗車轍能力，希望瀝青混合料高溫時(shí)的具有較高的模量。

結(jié)合法國(guó)、歐洲高模量混合料的定義，為和國(guó)外已有研究接軌，而且動(dòng)態(tài)模量的加載方式等都與法國(guó)動(dòng)態(tài)復(fù)數(shù)模量的相似，借鑒法國(guó)研究成果，結(jié)合本研究的試驗(yàn)結(jié)果制定高模量混合料（HMAC）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如表8所示。

表8 高模量混合料（HMAC）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

本研究基于湖瀝青改性技術(shù)，對(duì)模量與路面結(jié)構(gòu)受力的相關(guān)性、湖瀝青HMAC-20設(shè)計(jì)方法、模量性能評(píng)價(jià)等進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）從彎沉等效和應(yīng)力等效兩個(gè)角度，得到中面層分別提高400MPa、570MPa相當(dāng)于中面層厚度提高1cm。由此可見(jiàn)，無(wú)論從整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是層底受力來(lái)看，模量的提升可大幅度改善路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

（2）基于湖瀝青改性技術(shù)，進(jìn)行了湖瀝青高模量瀝青混合料HMAC-20的設(shè)計(jì)，并通過(guò)路用性能試驗(yàn)，證明該混合料具有良好的高溫性能和水穩(wěn)定性。

（3）動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果表明湖瀝青HMAC-20混合料的模量性能進(jìn)良好，15℃、10Hz下動(dòng)態(tài)模量達(dá)到17332MPa，40℃、10Hz下的動(dòng)態(tài)模量達(dá)到 2833MPa。

（4）針對(duì)濕熱地區(qū)，建立了不同溫度下的高模量瀝青混合料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。