不同高模量瀝青混合料性能研究

摘要：為對(duì)比分析不同高模量瀝青混合料的性能，文章選取硬質(zhì)瀝青、BRA巖瀝青、TLA湖瀝青以及PR.P、ZQ-2、ECB高模量瀝青分別制備6種高模量瀝青混合料，采用馬歇爾體積設(shè)計(jì)法確定最佳油石比，并在最佳油石比條件下開展高溫性能、疲勞性能、低溫性能以及力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：PR.P高模量瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫性能，動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于其余高模量瀝青混合料，而ZQ-2、ECB高模量瀝青混合料疲勞性能和低溫性能優(yōu)于PR.P以及天然瀝青、硬質(zhì)瀝青高模量瀝青混合料；高頻作用下PR.P、ZQ-2、ECB動(dòng)態(tài)模量較低，具有較好的低溫抗開裂性能，低頻作用下PR.P、ZQ-2動(dòng)態(tài)模量較高，具有良好的抗高溫變形能力，動(dòng)態(tài)模量評(píng)價(jià)結(jié)果與高低溫試驗(yàn)結(jié)果具有一致性；由動(dòng)態(tài)模量主曲線分析可知，PR.P高模量瀝青混合料相比其余高模量瀝青混合料曲線變化平緩，其混合料動(dòng)態(tài)模量具有較低的頻率和溫度敏感性。

關(guān)鍵詞：道路工程；高模量瀝青混合料；路用性能；動(dòng)態(tài)模量；主曲線

中圖分類號(hào)：U416.217 A 01 001 4

0 引言

法國標(biāo)準(zhǔn)NF P98 140及NF P98 141規(guī)定：高模量瀝青混凝土在15 ℃及10 Hz加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量＞14 000 MPa［1］。高模量瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量較高、抵抗變形能力強(qiáng)，具有良好的抗車轍性能和抗疲勞性能，我國一般將其應(yīng)用于高溫重載地區(qū)［2］。自2000年我國引入高模量瀝青混凝土以來，國內(nèi)對(duì)高模量瀝青混凝土開展了大量研究，得出許多有價(jià)值的結(jié)論。陳竹［3］對(duì)PR-Module高模量瀝青混合料開展室內(nèi)試驗(yàn)，得出結(jié)論：PR-Module高模量瀝青混合料能夠應(yīng)用于濕熱地區(qū)，且有效延緩路面壽命，經(jīng)濟(jì)性較好。馬立杰等［4］為解決高模量瀝青混合料低溫抗裂不足的問題，在巖瀝青制備的高模量瀝青混合料中添加各類纖維并開展室內(nèi)試驗(yàn)，得出結(jié)論：交織化纖維方案對(duì)改善高模量瀝青混合料低溫抗裂性能、長(zhǎng)期高溫穩(wěn)定性和抗疲勞耐久性方面有較好的技術(shù)優(yōu)越性。周震宇等［5］開展高模量瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)研究工作，得出結(jié)論：采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行高模量瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)技術(shù)可行，指標(biāo)合理。周彥鋆［6］對(duì)硬質(zhì)瀝青、巖瀝青、湖瀝青、PR.P 4種不同瀝青膠結(jié)料所制備的高模量瀝青混合料開展力學(xué)特性試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：PR.P高模量瀝青混合料相比其他3種高模量瀝青混合料疲勞性能有一定優(yōu)勢(shì)。上述研究主要針對(duì)高模量瀝青混合料的路用性能、適用氣候分區(qū)以及設(shè)計(jì)方法，或是對(duì)比不同高模量瀝青混合料的力學(xué)性能，但較少對(duì)不同高模量瀝青混合料的各項(xiàng)性能做全面比較。目前，高模量瀝青混合料所用瀝青膠結(jié)料主要有3種類型［7］：（1）硬質(zhì)瀝青，主要為30#標(biāo)號(hào)及以下的瀝青；（2）由天然瀝青制成，如巖瀝青或湖瀝青；（3）高模量劑制備高模量瀝青，主要成分為烯烴類物質(zhì)（PR.P）。目前主流的高模量瀝青主要采用高模量改性劑制備，但市面上的高模量劑質(zhì)量參差不齊，在工程實(shí)踐中難以進(jìn)行有效對(duì)比。因此，本文對(duì)比分析硬質(zhì)瀝青、巖瀝青、湖瀝青以及3種國內(nèi)外高模量劑所制得的高模量瀝青混合料的路用性能、力學(xué)性能，為工程實(shí)踐選用合適的高模量瀝青混合料類型提供參考。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文所選取的高模量瀝青共6種，分別為硬質(zhì)瀝青、巖瀝青、湖瀝青以及3種高模量劑改性瀝青。其中硬質(zhì)瀝青為HMB-C，在市面上主要用于制備高模量瀝青混合料；巖瀝青為布敦巖瀝青（BRA）；湖瀝青為特立尼達(dá)湖瀝青（TLA）。高模量劑選用法國生產(chǎn)的PR.P聚烯烴類高模量改性劑以及ZQ-2、ECB這兩種國產(chǎn)高模量改性劑。基質(zhì)瀝青為中遠(yuǎn)所生產(chǎn)70#瀝青。基質(zhì)瀝青、硬質(zhì)瀝青基本技術(shù)參數(shù)見表1，天然瀝青基本技術(shù)參數(shù)見下頁表2。礦料均為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，粗細(xì)集料及礦粉相關(guān)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)廠家推薦以及參考現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)論［3-7］，采用70#基質(zhì)瀝青添加PR.P、ZQ-2、ECB高模量劑制備3種高模量瀝青，且為對(duì)比分析3種高模量劑的優(yōu)劣，摻量統(tǒng)一設(shè)置為瀝青質(zhì)量的10%。BRA和TLA瀝青分別與基質(zhì)瀝青以7∶3的質(zhì)量比制備高模量瀝青。有文獻(xiàn)［7］表明，我國高速公路瀝青路面永久變形主要集中在中下面層，因此選用AC-20作為混合料級(jí)配類型。AC-20合成級(jí)配見表3。對(duì)6種高模量瀝青混合料開展馬歇爾試驗(yàn)，獲取其最佳油石比及馬歇爾體積指標(biāo)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。后文中6種高模量瀝青混合料均在最佳油石比下所制得。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫性能試驗(yàn)

對(duì)6種高模量瀝青混合料開展車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)過程參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）（以下簡(jiǎn)稱《試驗(yàn)規(guī)程》）T0719-2011要求，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗(yàn)輪壓為0.7 MPa，試驗(yàn)溫度為60 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，PR.P高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最佳，達(dá)到12 000次/mm，而ECB和HMB-C高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度次之，但也＞10 000次/mm，與PR.P高模量瀝青混合料高溫性能的差距較小。國產(chǎn)高模量瀝青混合料以及天然瀝青制備的高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)較差，也在10 000次/mm左右。整體而言，6種高模量瀝青混合料高溫性能均為優(yōu)異水平。

2.2 疲勞性能試驗(yàn)

采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)6種高模量瀝青混合料的疲勞性能，試驗(yàn)設(shè)備為澳大利亞生產(chǎn)的UTM-100多功能瀝青混合料測(cè)試系統(tǒng)。試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型后試件尺寸為直徑150 mm、高度170 mm，然后采用鉆芯法獲取最終試件，最終試件尺寸為直徑100±2 mm、高度40±5 mm。試驗(yàn)溫度為20 ℃±1 ℃，試驗(yàn)前采用空氣浴的方式恒溫6 h，然后在試驗(yàn)環(huán)境箱內(nèi)以預(yù)定溫度條件下保溫4 h，共保溫10 h。加載應(yīng)力比分別為0.3、0.4、0.5。根據(jù)文獻(xiàn)［3］研究成果，瀝青混合料施加應(yīng)力與疲勞壽命次數(shù)的關(guān)系可表示為：

Nf=k1δn（1）

式中：Nf——瀝青混合料疲勞壽命次數(shù)；

k、n——為與材料和溫度相關(guān)的參數(shù)；

δ——應(yīng)力（MPa）；

k——瀝青混合料的疲勞壽命水平，k值越高瀝青混合料疲勞壽命越好；

n——瀝青混合料疲勞特性對(duì)應(yīng)力的敏感度，n值越小表明瀝青混合料疲勞壽命對(duì)應(yīng)力的敏感性越小。

試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知：根據(jù)疲勞壽命分析，6種高模量瀝青混合料的疲勞性能從高至低為ZQ-2＞ECB＞PR.P＞TLA＞BRA＞HMB-C。根據(jù)應(yīng)力與疲勞壽命次數(shù)回歸方程分析，6種高模量瀝青混合料的應(yīng)力與疲勞壽命回歸方程的判斷系數(shù)R2均＞0.997，表明高模量瀝青混合料的疲勞特性符合式（1）回歸方程。根據(jù)參數(shù)k分析，6種高模量瀝青混合料的疲勞性能從高至低為ECB＞ZQ-2＞PR.P＞TLA＞HMB-C＞BRA。根據(jù)參數(shù)n分析，6種高模量瀝青混合料的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力敏感性從大到小依次為TLA＞BRA＞HMB-C＞ZQ-2＞PR.P＞ECB。綜合以上分析結(jié)果，可知兩種國產(chǎn)高模量瀝青混合料疲勞性能略優(yōu)于其他高模量瀝青混合料。

2.3 低溫性能試驗(yàn)

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)所獲取的破壞應(yīng)變指標(biāo)評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料低溫性能。試驗(yàn)過程參考《試驗(yàn)規(guī)程》（T0715-2011）要求。試件采用輪碾法成型，試件尺寸為長(zhǎng)250 mm、寬30 mm、高35 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知：6種高模量瀝青混合料中，ECB、ZQ-2高模量瀝青混合料低溫性能優(yōu)于其余4種高模量瀝青混合料，PR.P低溫性能次之，天然瀝青和硬質(zhì)瀝青低溫性能最差。ZQ-2、ECB、PR.P這3種高模量瀝青混合料的低溫性能水平差異較小，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要為這3種高模量劑主要成分均為聚烯烴材料，組成成分相似。

2.4 動(dòng)態(tài)模量及主曲線

采用Superpave簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試6種高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量，并在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上擬合動(dòng)態(tài)模量主曲線。瀝青混合料為典型粘彈性材料，在高頻荷載作用下力學(xué)響應(yīng)等同于低溫狀態(tài)，在低頻荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)等同于高溫狀態(tài)。因此，可以通過測(cè)試不同溫度、不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量，基于時(shí)-溫等效原理將不同溫度下頻率-動(dòng)態(tài)模量曲線平移到參考溫度下，形成動(dòng)態(tài)模量主曲線［8］，以預(yù)測(cè)瀝青混合料在更寬頻率域（溫度域）下的力學(xué)響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)模量主曲線一般采用Sig moidal函數(shù)擬合，具體見式（2），其他溫度下頻率-動(dòng)態(tài)模量與參考溫度下的曲線可通過位移因子平移得到，與位移因子相關(guān)的Sig moidal函數(shù)見式（3）。本文通過數(shù)值分析軟件Origin擬合參考溫度下的頻率-動(dòng)態(tài)模量曲線，擬合得到α、β、γ、δ參數(shù)，然后將其他溫度下的動(dòng)態(tài)模量-頻率關(guān)系代入式（3），獲得位移因子。在獲得位移因子后將其他溫度下的頻率-動(dòng)態(tài)模量曲線平移到參考溫度下獲得最終的動(dòng)態(tài)模量主曲線。

lgE=δ+α1+eβ+γlgfr（2）

式中：E——?jiǎng)討B(tài)模量；

δ——最小動(dòng)態(tài)模量的對(duì)數(shù)值；

δ+α——最大動(dòng)態(tài)模量的對(duì)數(shù)值；

fr——縮減頻率；

β、γ——回歸參數(shù)。

lgE=δ+α1+eβ+γ（lgfr+ST）（3）

式中：ST——位移因子。

試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型后鉆芯取得，試件尺寸為直徑100 mm、高度150 mm。為貼近高模量瀝青混合料在實(shí)際環(huán)境中的工作狀態(tài)，在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置上主要考慮溫度、圍壓、應(yīng)變水平。試驗(yàn)參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)［7］：設(shè)置4個(gè)溫度水平，分別為15 ℃、30 ℃、45 ℃、60 ℃，上述溫度水平在高模量瀝青混合料的中溫和高溫區(qū)間，可有效表征高模量瀝青混合料的中溫性能和高溫性能；加載頻率設(shè)置6個(gè)水平，分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、5.0 Hz、10.0 Hz、20.0 Hz；采用正弦應(yīng)變控制，應(yīng)變水平為85～115 με，圍壓設(shè)置為138 kPa。不同高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果見下頁圖3～6，以30 ℃為參考溫度，位移因子及主曲線Sigmoidal函數(shù)擬合參數(shù)見下頁表6，主曲線見下頁圖7。

由圖3～6可知：隨著試驗(yàn)溫度提高，6種高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量均快速下降，表明溫度是高模量瀝青混合料抵抗高溫變形能力下降的重要因素。隨著加載頻率增加，6種高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均增加，因此在行車荷載較慢時(shí)不利于高模量瀝青混合料的抗變形能力。當(dāng)試驗(yàn)溫度較低時(shí)，PR.P、ECB、ZQ-2高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量相對(duì)較小。這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較小時(shí)有利于抗開裂性能，因此低溫下PR.P、ECB、ZQ-2動(dòng)態(tài)模量較小，有利于其低溫性能，這一點(diǎn)與前文的瀝青混合料低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。當(dāng)溫度逐漸提高時(shí)，PR.P、ZQ-2瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量逐漸高于其余高模量瀝青混合料。這是因?yàn)樵诟邷貢r(shí)，瀝青混合料擁有較高的動(dòng)態(tài)模量意味著有較強(qiáng)的抗剪切能力和抗變形能力。除了少數(shù)高模量瀝青混合料外，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果與前文高低溫性能試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。

由圖7可知：從主曲線上看，高頻、低頻作用下高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量大小與前文高低溫性能相關(guān)更為明顯，表明Sig moidal函數(shù)適用于擬合高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線。在6種高模量瀝青混合料中，PR.P、ZQ-2高模量瀝青混合料較為優(yōu)異，在低頻下動(dòng)態(tài)模量較大，在高頻下動(dòng)態(tài)模量較小，具有良好的高低溫性能，但PR.P高模量瀝青混合料主曲線變化更為平緩，對(duì)頻率、溫度的敏感性更低。因此，PR.P高模量瀝青混合料在6種高模量瀝青混合料中最優(yōu)。

3 結(jié)語

文章對(duì)由HMB-C硬質(zhì)瀝青、BRA巖瀝青、TLA湖瀝青以及PR.P、ZQ-2、ECB高模量瀝青所制備的6種高模量瀝青混合料開展高溫性能、疲勞性能、低溫性能以及動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，全面對(duì)比6種高模量瀝青混合料的各項(xiàng)性能，得出如下結(jié)論：

（1）PR.P高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度高于其余5種高模量瀝青混合料，具有優(yōu)異的高溫性能，HMB-C高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度次之。總體上看6種高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度差異較小，且均為優(yōu)異水平。

（2）PR.P高模量瀝青混合料疲勞性能和低溫性能相比ZQ-2、EC-B高模量瀝青混合料差，但優(yōu)于天然瀝青、硬質(zhì)瀝青所制備的高模量瀝青混合料。天然瀝青、硬質(zhì)瀝青高模量瀝青混合料在工程實(shí)踐中使用時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)注其低溫性能和疲勞性能。

（3）采用動(dòng)態(tài)模量評(píng)價(jià)6種高模量瀝青混合料的高低溫性能發(fā)現(xiàn)，6種高模量瀝青混合料的高低溫性能與車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。PR.P高模量瀝青混合料相比其余高模量瀝青混合料曲線變化平緩，具有較低的頻率-溫度敏感性，在6種高模量瀝青混合料中動(dòng)態(tài)模量性能表現(xiàn)最優(yōu)。

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收稿日期：2022-12-01