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.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2. 日照公路建設有限公司，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《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[3]的試驗方法對瀝青的性能指標進行檢測，試驗結果見表1。

表1 瀝青性能指標測試結果

1.1.2 集料

粗、細集料采用石灰巖集料，技術指標檢測結果見表2、表3。

表2 粗集料技術性質

表3 細集料技術性質

1.1.3 礦粉

采用當地石灰巖磨細的礦粉，技術指標檢測結果見表4。

表4 礦粉技術性質

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，主要技術指標見表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，自然可以事事不計較，事事看得開。

表5 PR Module主要技術指標

1.2 混合料級配設計

選用路面中面層或下面層的HMAC-16、HMAC-20進行相關研究，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 馬歇爾試驗結果分析

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

表7 馬歇爾試驗結果

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都能滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）要求，馬歇爾穩定度達到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定度，HMAC-20的穩定度比HMAC-16的大，但流值比HMAC-16的小。一般認為，穩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，可以通過優化級配，改善混合料的強度特性。

3 高溫穩定性能

3.1 車轍試驗

以60 ℃車轍試驗的動穩定度、相對變形指標及綜合穩定指數三個指標來表征瀝青混合料的抗車轍能力[4-5]。相對變形指標考慮了車轍深度及試件厚度參數，代表某時刻（一般取1 h）的車轍深度占試件厚度的百分比，綜合穩定指數考慮了試驗前45 min變形對動穩定度及永久變形的影響，試驗結果見表8。

表8 車轍試驗結果

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的動穩定度和綜合穩定指數大于HMAC-16。（2）相對變形指標反之，較小的相對變形和較大的綜合穩定指數，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、內摩擦角及黏聚力持續減小；20～60 ℃時的抗剪強度、內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，結構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 低溫穩定性能

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[3]中的T0715低溫彎曲試驗方法，以破壞應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變均滿足冬溫區和冬冷區≥2 000 με的要求[3]，HMAC-16、HMAC-20最大彎拉應變比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定性，試驗結果見圖7。

圖7 水穩定性試驗結果

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定度和凍融劈裂強度比都能滿足規程要求[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定性。

6 動態模量試驗

動態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，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，試驗結果見圖8～圖13。

圖8 15 ℃動態模量與頻率關系

圖9 20 ℃動態模量與頻率關系

圖10 60 ℃動態模量與頻率關系

圖13 10 Hz下不同混合料動態模量

圖11 AC-20不同溫度時動態模量

圖12 HMAC-20不同溫度時動態模量

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模量有顯著影響[7]。兩種混合料的動態模量隨加載頻率增大而持續增大，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，動態模量相應降低。（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情況下動態模量＞14 000 MPa， 滿足法國高模量瀝青混合料的標準。

7 結語

（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模量遠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。