硬質瀝青高模量混合料研究及應用

呂秀杰，馮雯雯，金光來

(1. 嘉興學院，嘉興 314001； 2. 江蘇中路工程技術研究院有限公司，南京 211806)

在日益增加的交通荷載和變化多端的環境溫度的綜合作用下，車轍問題成為瀝青路面工程領域亟須解決的關鍵問題。為了提高路面抗車轍性能，國內外研究者開展了大量研究，高性能抗車轍材料研發是重要技術路徑之一。滿新耀等[1]、鄒桂蓮等[2]和肖慶一[3]分別通過摻加湖瀝青、巖瀝青和抗車轍劑研發抗車轍混合料，陳振華[4]采用SBS、膠粉等改性劑進行改性，以提升混合料的高溫穩定性。通過摻加天然瀝青、改性劑等材料所制備的瀝青混合料性質不穩定，低溫性能和耐久性較差，且技術成本較高。

高模量技術是一種提升路面性能的有效技術，高模量混合料起源于20世紀60年代法國的高模量混合料，其動態模量性能優異，高溫抗變形能力和抗疲勞開裂能力突出。基于此，國內研究者先后對高模量技術展開研究，張業茂[5]、楊濤[6]先后開展抗車轍瀝青高模量混合料設計與性能評價，徐占磊[7]開展抗車轍高模量瀝青路面結構設計與力學響應分析。然而由于國內缺乏針入度約20(0.1 mm)的高品質瀝青，且中法瀝青混合料設計方法存在差異，導致動態模量、抗車轍等性能提升不顯著，高模量抗車轍瀝青混合料技術的實現亟待研究。

本文采用硬質瀝青，開展硬質瀝青高模量混合料設計與路用性能綜合評價，并結合實際工程進行應用論證，綜合提升瀝青路面的路用性能。

1 原材料

1.1 瀝青

采用中石油燃料油有限責任公司研究院研制的硬質瀝青，結合歐洲《瀝青和瀝青黏合劑——硬質路面等級瀝青規范》(EN13924)[8]和法國《瀝青混合物——材料規范 第1部分：瀝青混凝土》(NF EN 13108—1)[9]相關規范的技術要求，對材料性能進行檢測，硬質瀝青性能如表1所示。

表1 硬質瀝青性能

1.2 集料

采用集料均為玄武巖石料，集料規格為9.5～16 mm(1#)、4.75～9.5 mm(2#)、2.36～4.75 mm(3#)和0～2.36 mm(4#)，集料技術指標如表2所示。

表2 集料技術指標 (%)

1.3 礦粉

礦粉主要由石灰巖堿性石料磨細而得，礦粉技術指標如表3所示。

表3 礦粉技術指標

2 配合比設計

2.1 優選級配

參考法國《高模量瀝青混凝土標準》(NFP98—140)[10]設計要求，明確高模量瀝青混合料的典型級配要求，級配要求如表4所示。結合每種規格集料篩分結果，通過試算確定級配曲線。優選級配曲線如圖1所示。

表4 級配要求

圖1 優選級配曲線

2.2 最佳瀝青用量

參考法國高模量瀝青混合料設計要求，對瀝青用量的確定采用豐度系數K>3.4進行控制，其計算公式見式(1)。

(1)

100∑=0.25G+2.3S+12s+135f
α=2.65/ρG

式中，TLext為油石比，%；G為粒徑>6.3 mm的集料占比，%；S為粒徑為0.25～6.3 mm的集料占比，%；s為粒徑為0.063～0.25 mm的集料占比，%；f為粒徑<0.063 mm的集料占比，%；ρG為集料的有效密度，g/cm3。

經計算，當油石比為5.9%時，K滿足要求，故而確定瀝青混合料最佳油石比為5.9%。

采用旋轉壓實試驗，分析所設計硬質瀝青高模量混合料的技術指標是否滿足要求，旋轉壓實試驗結果如表5所示。

表5 旋轉壓實試驗結果

2.3 配合比設計結果

綜合上述分析和實際工程經驗，確定硬質瀝青高模量混合料最佳配合比，即油石比、1#(粒徑為9.5～16 mm的集料)、2#(粒徑為4.75～9.5 mm的集料)、3#(粒徑為2.36～4.75 mm的集料)、4#(粒徑為0～2.36 mm的集料)和礦粉的比例，配合比設計結果如表6所示。

表6 配合比設計結果 (%)

3 路用性能評價

基于配合比設計研究，對所得硬質瀝青高模量混合料的路用性能進行評價，并與粒徑較為接近、抗車轍性能較好的常規SBS改性瀝青SMA-13進行性能對比。

3.1 動態模量試驗

采用單軸壓縮動態模量試驗，對比分析硬質瀝青高模量混合料和SMA-13的動態模量。動態模量試驗結果如表7所示。硬質瀝青高模量混合料在15 ℃、10 Hz試驗條件下，其動態模量為18 619 MPa，遠高于法國規范中14 000 MPa要求，其動態模量比SMA-13高94.6%。

表7 動態模量試驗結果 (MPa)

3.2 高溫穩定性試驗

采用60 ℃車轍試驗評價硬質瀝青高模量混合料和SMA-13的高溫性能。車轍試驗結果如表8所示。硬質瀝青高模量混合料的動穩定度為6 349次/mm，較SMA-13高21.7%。

表8 車轍試驗結果 (次/mm)

3.3 低溫抗裂性試驗

采用低溫彎曲試驗評價硬質瀝青高模量混合料和SMA-13的低溫性能，溫度為-10 ℃，速率為50 mm/min。小梁彎曲試驗結果如表9所示。硬質瀝青高模量混合料的破壞應變為2 468.7 με，與SMA-13基本相當。

表9 小梁彎曲試驗結果

3.4 水穩定性試驗

采用常規浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗，評價硬質瀝青高模量混合料和SMA-13的水穩定性能。水穩定性試驗結果如表10所示。與SMA-13相比，瀝青混合料殘留穩定度(S0)、凍融劈裂比(TSR)分別提升了2.3%和9.9%。

表10 水穩定性試驗結果

3.5 疲勞性能試驗

采用四點彎曲疲勞壽命試驗，評價硬質瀝青高模量混合料與SMA-13的疲勞性能，試驗模式為應變控制模式，應變水平設置為230 με。疲勞性能試驗結果如表11所示。硬質瀝青高模量混合料疲勞壽命超過90萬次，遠高于SMA-13，表明硬質瀝青高模量混合料的抗疲勞性能優異。

表11 疲勞性能試驗結果 (次)

4 工程應用與效果分析

為了進一步驗證硬質瀝青高模量混合料的技術可行性，在借鑒類似項目經驗的基礎上，對選定配合比的瀝青混合料進行實際工程應用。

4.1 試驗段概述

將所得硬質瀝青高模量混合料在江廣高速公路改擴建工程JG-LM-3標和宣堡服務區廣場路面進行鋪筑，應用層位均為中下面層，江廣高速公路鋪設時間為2017年10月，試驗段為主線拼寬新建三、四車道，樁號為K1015+100～K1018+020(右幅)，路面結構形式由上至下依次為4 cm SMA-13+8 cm硬質瀝青高模量混合料+8 cm硬質瀝青高模量混合料，施工面積為30 660.0 m2。宣堡服務區廣場路面施工時間為2018年4月，路面結構形式由上至下依次為4 cm SMA- 13+8 cm硬質瀝青高模量混合料+8 cm硬質瀝青高模量混合料，試驗段總工程量為57 918.1 m2。

4.2 施工工藝研究

采用瑪連尼MAC400-5000型瀝青混凝土拌和站進行拌制，施工溫度如表12所示，保證運送到施工現場的瀝青混合料溫度不低于160 ℃。根據試拌確定拌和時間為50 s，其中干拌時間不少于10 s，濕拌時間為30 s。

表12 施工溫度 (℃)

(續表)

攤鋪速度控制2.5 m/min，碾壓組合方式如表13 所示。

表13 碾壓組合方式

4.3 效果分析

由室內檢測和現場檢測結果可知，混合料級配和油石比滿足設計要求，路面滲水、平整度和壓實度均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[11]要求。

鋪筑9個月后進行回訪觀測，試驗段路面整體路況良好，無裂縫和坑槽病害，車轍深度全部小于2 mm，沒有車轍病害；鋪筑1年后進行跟蹤觀測，在經歷了夏季高溫季節后，試驗段車轍深度基本為1～3 mm，且平整無破損，路面狀況較好。

5 結論

本文采用硬質瀝青制備硬質瀝青高模量混合料，并對其進行路用性能檢驗與工程應用，得到以下結論。

(1) 硬質瀝青高模量混合料最佳油石比為5.9%，1#(粒徑為9.5～16 mm的集料)、2#(粒徑為4.75～9.5 mm的集料)、3#(粒徑為2.36～4.75 mm的集料)、4#(粒徑為0～2.36 mm的集料)和礦粉比例為35.5∶17.5∶12∶30∶5。

(2) 硬質瀝青高模量混合料在15 ℃、10 Hz條件下的動態模量為18 619 MPa，60 ℃動穩定度為6 349 次/mm，低溫破壞應變為2 468.7 με，殘留穩定度為88.7%，凍融劈裂比為91.4%，應力水平230 με條件下的四點彎曲疲勞壽命超過90萬次，與SMA-13相比，性能得到顯著提升。

(3) 硬質瀝青高模量混合料能夠顯著提升路面綜合性能，試驗段跟蹤觀測顯示路面整體狀況良好，無裂縫和坑槽病害，車轍為1～3 mm，證明該路面材料耐久性良好，為解決路面車轍等問題提供了解決方案。