高模量混合料路用性能試驗研究

陳玉宏， 馬乙一， 徐 俊， 于恒峰

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088 ；2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

直投式高模量瀝青混合料是一種新型路面鋪筑材料，具有模量高、抗車轍性好、耐疲勞等優點。法國對高模量瀝青混合料應用已有30多年，并頒布了與之配套的高模量瀝青混合料組成設計規范。在我國，高模量瀝青混合料的制備和研究應用尚處于初期，對高模量瀝青混合料的性能也缺乏必要的了解，由于兩國在混合料試驗方法、技術指標、技術參數等方面的差異，限制了高模量混合料在我國的發展，因此，論文從高模量混合料路用性能方面研究其特性，以便為其大規模推廣使用提供技術支持[1]。

1 設計流程

根據瀝青混合料的使用條件、混合料類型、荷載條件要求等不同，高模量瀝青混合料設計方法將性能試驗分成四個水平。高模量混合料按照法國瀝青混合料設計方法，設計流程詳如圖1所示。

圖1 高模量瀝青混合料設計流程

試驗水平從最簡單的水平開始，到最全面的水平，試驗高水平的設計要求在滿足試驗低水平的設計要求之后才能進行。不同的性能試驗水平是對確定的初始混合料組成設計進行驗證，若性能試驗不滿足規定的性能試驗水平的要求，則說明初始混合料組成設計不滿足要求，需要重新對所選原材料進行性能驗證或再確定混合料組成設計，然后根據所要求的性能試驗水平再進行試驗。

2 混合料壓實與體積指標

高模量混合料采用旋轉剪切壓實成型，瀝青混合料按規定的拌合次數及拌合溫度拌合均勻后，放到旋轉壓實儀配套的圓柱形磨具中，瀝青混合料在靜壓力和旋轉剪切力作用下被揉搓到現場要求的壓實度。旋轉壓實次數100次，壓實試件空隙率不大于6%。

中、法兩種標準下的旋轉壓實成型試件的空隙率計算結果如圖2所示。由于法國在空隙率計算時包含了試件表面的空隙，而中國采用水中重法，不包含表面空隙，因此法標計算的孔隙率要比國標大1%～2%。

圖2 中、法空隙率計算結果對比

3 路用性能

高模量混合料四水平的設計體系以其先進性及獨創性一直被歐洲一些國家借鑒吸收，大量的設計經驗表明，高模量瀝青混合料設計最關鍵的是解決模量、高溫性能及疲勞性能之間的平衡關系[2]。

3.1 水穩定性能

瀝青路面的水損害是指路面在水或凍融循環的作用下，由于行車動態荷載的作用，進入路面空隙中的水不斷產生動水壓力形成真空負壓抽吸的反復循環作用，水分逐漸滲入瀝青與集料的界面，使瀝青與集料的黏附性降低，并喪失黏結力，導致瀝青膜從石料表面脫落，瀝青混合料掉粒、松散，繼而形成瀝青路面的坑槽、推擠變形等現象。

(1)試驗方法及評價指標。高模量瀝青混合料水穩定性采用多列士試驗(EN12697-12，方法B)。步驟如下：

① 試件成型。混合料拌和時溫度150 ℃，填滿混合料的試模放入干燥箱中0.5～2 h，使箱里的溫度接近混合料拌和的溫度。取出試模，開始靜壓成型，必須在5～60 s達到荷載180 kN，保持300 s。

②試件養生。根據毛體積密度分成兩組，第一組(4個)試件在空氣中保存，溫度18 ℃，相對濕度50%，保存7 d。第二組(4個)浸水后1 h內完成負壓飽水，在47 kPa的殘余壓強下保持2 h，之后浸入18 ℃的水中保持7 d，根據兩組試件的抗壓強度比來評價混合料的水敏感性。

③ 試驗過程。完成養護作用之后，對所有試件進行單軸壓縮試驗，試驗溫度18 ℃。每個試件從恒溫裝置中取出到開始壓碎試驗之間的時間不得超過2 min。

(2)試驗結果及分析。試驗結果見表1。

表1 多列式試驗結果

AC-20(SBS)試件干濕抗壓強度比87.5%，AC-20(高模量)試件干濕抗壓強度比92.3%，二者均滿足法標規范中干濕抗壓強度比不低于80%的要求。以上試驗結果表明：AC-20(高模量)瀝青混合料較常規AC-20(SBS)混合料具有更好的水穩定性和強度，這是由于高模量混合料中瀝青黏度較大，可增加附著在集料表面的有效瀝青膜的厚度，增加與集料的黏附作用，防止水對礦料表面的瀝青的作用，因此高模量瀝青混合料水穩定性較常規的改性混合料更好。

3.2 高溫穩定性能

瀝青混合料是一種黏彈性材料，其物理力學性質、路用性能與溫度、荷載作用時間等密切相關。高溫條件是指使用過程中混合料受交通荷載反復作用，易產生車轍等永久性變形的溫度范圍，高溫穩定性是指混合料在該溫度范圍內抵抗永久變形的能力。

(1)試驗方法及評價指標。混合料高溫穩定性采用車轍試驗評價，對AC-20(高模量)和AC-20(SBS)進行車轍試驗。

(2)試驗過程。使試件達到試驗溫度60℃，測試試件應在這樣的環境中放置12～16 h。在測試過程中保持溫度±2℃，當試件經受指定的條件循環次數100、300、1 000、3 000、10 000、30 000，停止設備的運轉。計算試件一系列的測量值所得的成比例的車轍深度，計算15個變形值和試件的厚度h。

(3)試驗結果及分析。車轍試驗結果詳見表2。

表2 瀝青混合料法國車轍試驗結果

車轍試驗表明，碾壓30 000 次后，AC-20(SBS)試件平均變形率4.45%，AC-20(高模量)試件平均變形率3.88%，滿足法標規范中小于7.5%的要求。由上述試驗結果可以發現，AC-20(高模量)和AC-20(SBS)兩種混合料均具有良好的抗車轍性能，且AC-20(高模量)抗車轍性能優于AC-20(SBS)。綜上所述，可得出高模量混合料高溫穩定效果顯著，是一種具備良好抗永久變形能力的材料，可替代常規的材料用于重交通道路。

3.3 動態模量試驗

動態模量是高模量瀝青混合料重要的評價指標之一，是瀝青混合料設計、瀝青路面結構設計和瀝青路面性能評價分析的重要參數。試驗采用兩點彎曲復數模量試驗。

(1)試驗方法及評價指標。試驗原理是在試驗溫度下，在試件頂部施加按照正弦波形式變化的微變形。試件尺寸如圖3、表3所示，試件的空隙率在3%～6%，試驗溫度15℃，試驗頻率10 Hz/0.02 s。試驗前，試件需存放2周至8周。

圖3 模量試驗試件尺寸示意圖

表3 梯形試件尺寸

(2)試驗結果及分析。抗疲勞層15 ℃、10 Hz條件下的模量在14 000 MPa以上才可稱之為高模量材料。試驗結果見表4。

表4 動態模量試驗結果 (15 ℃、10 Hz)

試驗結果表明，在15 ℃，10 Hz條件下AC-20(SBS)試件平均模量為10 288 MPa，AC-20(高模量)試件動態模量為14 985 MPa。高模量混合料的動態模量可滿足規范中對模量的要求，高模量試件動態模量比常規改性混合料的模量提高了45.7%。

3.4 抗疲勞性能

在我國，高速公路采用的是以半剛性基層為主的瀝青路面結構，底層瀝青混合料由于在重復荷載的作用下易發生拉應力疲勞破壞，路面裂縫通常從面層底部開始發展，影響到路面結構壽命，因此疲勞設計大多數以面層底部拉應變作為控制指標。抗疲勞性能反映了路面瀝青混合料抵抗車輛荷載反復作用下彎拉應力(應變)的能力，可以較好的反映瀝青混和料的路用性能。

(1)試驗方法及評價指標。采用兩點彎曲疲勞試驗，在規定條件和規定荷載下使梯形梁試件發生一個變形，當變形保持不變，作用力減少到原來的一半時，認為試件在相應的加載循環次數下己經發生破壞，其作用次數越長，說明其疲勞壽命越長，表明其抵抗疲勞破壞的能力也越長。

(2)試驗結果及分析。根據法國梯形梁疲勞試驗的試驗方法進行試驗，試驗條件與結果見表5。

表5 疲勞試驗結果

試驗結果表明，在10℃、25Hz、130με條件下，AC-20(高模量)疲勞作用次數為150.5萬，AC-20(SBS)疲勞作用次數為101.7萬，均可以滿足規范不低于100萬次的要求，AC-20(高模量)抗疲勞作用性能明顯優于AC-20(SBS)，高模量試件疲勞作用次數較常規改性混合料提高了47.9%。

3.5 低溫抗裂性能

瀝青面層的溫度開裂是路面破壞的主要形式之一，當氣溫驟降時，瀝青面層會產生收縮變形，由于瀝青路面不能自由收縮，便在路面結構層中產生溫度應力，另一方面由于瀝青混凝土具有應力松弛的特性，給瀝青混凝土一定的應變后，產生的應力會隨著時間的延長而松弛，低溫應力會隨著應力的松弛而減小，不會產生足以出現裂縫的應力，但是來不及松弛的溫度應力在瀝青路面中不斷積累，一旦超過瀝青混合料極限抗拉強度時，便會導致路面開裂。可見，使瀝青混合料在低溫狀況下保持足夠的強度和變形能力，是防止路面開裂的根本措施。

(1)試驗方法及評價指標。國內主要是采用-10℃低溫小梁彎曲試驗對混合料低溫性能進行評估。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E40-2011)中的規定要求，輪碾成型標準車轍板試件，切割成長250 mm、寬30 mm、高35 mm的棱柱體小梁[3]。試件在-10℃下保溫6h后，對稱安放在支座上，放置方向與試件成型方向一致，調零位移測定裝置和荷載傳感器，開動壓力進行中點加載，加載速率為50 mm/min。

(2)試驗結果及分析。AC-20(高模量)、AC-20(SBS)混合料低溫彎曲試驗結果見表6。

表6 低溫彎曲試驗結果

根據上述試驗結果，AC-20(高模量)、AC-20(SBS)的低溫彎曲試驗破壞應變分別為2 824 με、2 932 με，均滿足《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中本區域低溫彎曲試驗破壞應變不小于2 500 με的要求，AC-20(高模量)低溫破壞應變比AC-20(SBS)小3.8%，所以可認為適量的高模量劑對混合料的低溫性能并無較大影響。

4 結 論

(1)高模量混合料采用四水平設計流程，可供科研和現場施工參考使用。

(2)中、法旋轉壓實成型試件的空隙率計算方法不同，由于法標中包含了表面空隙，計算出的空隙率比國標大1%～2%。

(3)對AC-20(高模量)、AC-20(SBS)進行了綜合路用性能對比研究，AC-20(高模量)混合料在抗水損、抗高溫車轍、強度、抗疲勞性能方面均優于SBS改性混合料，且低溫性能與SBS改性混合料基本相當，表明高模量瀝青混合料較常規改性材料具有更好的綜合路用性能。