高模量瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

收稿日期：2023-11-08

作者簡(jiǎn)介：聶倩（1989—），女，本科，工程師，研究方向：試驗(yàn)檢測(cè)。

摘要 為了驗(yàn)證高模量瀝青混合料的路用性能，文章對(duì)比分析了兩種高模量瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)模量值。結(jié)果表明，高溫穩(wěn)定性方面，與普通瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料相比，兩種高模量瀝青混合料在抵抗車(chē)轍方面具有更好的效果；低溫抗裂性方面，高模量劑的加入使得瀝青混合料的低溫性能有所降低，表明高模量劑在提升路面抗車(chē)轍性能的同時(shí)也降低了一定的低溫抗裂性能。

關(guān)鍵詞 高模量劑；高模量瀝青混合料；SBS改性瀝青混合料；路用性能

中圖分類(lèi)號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）01-0107-03

0 引言

與普通瀝青混合料相比，高模量瀝青混合料具有較高的剛度和抗變形能力，能夠有效抵抗重載交通下的車(chē)輛荷載，減少車(chē)轍的產(chǎn)生，因而被廣泛應(yīng)用于重載交通路段和交叉口處。自20世紀(jì)80年代在法國(guó)取得較好的應(yīng)用效果后，高模量瀝青混合料迅速成為全球交通領(lǐng)域范圍內(nèi)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。近年來(lái)隨著我國(guó)物流行業(yè)和重工業(yè)的發(fā)展，公路上貨物運(yùn)輸量越來(lái)越大，造成重載、超載現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，這種情況下對(duì)路面的承載能力提出了更高的要求，常用的70#瀝青、SBS改性瀝青等用于路面鋪設(shè)時(shí)，在重載交通的作用下，容易出現(xiàn)車(chē)轍現(xiàn)象，因而我國(guó)也相繼開(kāi)展了高模量瀝青混合料技術(shù)研究。該文依托于實(shí)體工程，對(duì)比分析了兩種高模量瀝青混合料與改性瀝青和普通瀝青混合料的路用性能，從而為重載交通高模量瀝青混合料的選擇提供理論依據(jù)。

1 高模量瀝青混合料應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，為了應(yīng)對(duì)重載地區(qū)易出現(xiàn)車(chē)轍等病害的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)常用改性瀝青和抗車(chē)轍劑來(lái)改善路面的抗車(chē)轍性能。此外，由于低標(biāo)號(hào)瀝青具有較高的稠度和較低的針入度，且在常溫下硬度較高，因而也有少數(shù)地區(qū)采用低標(biāo)號(hào)瀝青生產(chǎn)的混合料來(lái)抵抗路面車(chē)轍病害。由于改性瀝青的制作需要專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中需耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，并且需要具備較高的技術(shù)和管理水平，而抗車(chē)轍劑生產(chǎn)的混合料施工方便，不需要特殊的設(shè)備和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，使得其在抵抗車(chē)轍方面得到了廣泛的應(yīng)用。黃海[1]研究了不同油石比下高模量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果表明油石比為4.5%時(shí)高溫穩(wěn)定性能最好；徐德根等[2]研究了三種高模量瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明都具有較好的路用效果；王永斌等[3]通過(guò)研究三種不同級(jí)配下不同高模量劑摻量下的路用性能，得出高模量劑摻量為0.6%時(shí)，路用性能最好；龔云峰[4]對(duì)比分析了三種高模量瀝青混合料與普通瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明三種高模量瀝青混合料路面服役性能最好；王海陽(yáng)等[5]研究了兩種高模量瀝青混合料與普通瀝青混合料的高低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能，結(jié)果表明兩種高模量劑在不降低低溫穩(wěn)定性的情況下，能顯著提高高溫穩(wěn)定性能。目前，高模量瀝青混合料因其具有較高的動(dòng)穩(wěn)定度和較大的動(dòng)態(tài)模量值，已廣泛應(yīng)用于重載交通路段。

2 原材料

2.1 瀝青

該文選用的瀝青為70#瀝青，經(jīng)檢測(cè)符合JTG F40—

2004中相關(guān)技術(shù)要求。

2.2 集料

集料規(guī)格主要包括0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm和礦粉，按相關(guān)規(guī)程對(duì)粗細(xì)集料進(jìn)行檢測(cè)，所檢技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范規(guī)定的要求。

2.3 高模量劑

該文選用兩種高模量劑，所選高模量劑的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，其中高模量劑采用外摻法，根據(jù)廠家推薦，保利高模量劑摻量為0.4%，PR高模量劑摻量為0.5%。

3 高模量瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

對(duì)于混合料配合比的設(shè)計(jì)，該文采用馬歇爾設(shè)計(jì)法，同時(shí)為了對(duì)比分析高模量瀝青混合料的路用性能，該文設(shè)計(jì)了四種瀝青混合料配合比，最終確定AC-20的合成級(jí)配見(jiàn)表2，兩種高模量瀝青混合料的最佳油石比為4.6%，SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為4.5%，普通瀝青混合料的最佳油石比為4.4%。

4 路用性能對(duì)比分析

4.1 高溫穩(wěn)定性

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于路面的高溫穩(wěn)定性主要采用車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，車(chē)轍試驗(yàn)是指在一定溫度下用接地壓強(qiáng)來(lái)模擬實(shí)際道路的受力狀態(tài)。在試驗(yàn)中，使用車(chē)輪對(duì)車(chē)轍板進(jìn)行往返碾壓，通過(guò)記錄車(chē)轍板上1 mm的位移變化來(lái)確定材料的動(dòng)穩(wěn)定度，部分炎熱地區(qū)夏季高溫時(shí)路面溫度往往在60 ℃以上，且高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，為了準(zhǔn)確對(duì)高模量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，除了測(cè)試規(guī)范規(guī)定的60 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度外，該研究還增加了70 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度，動(dòng)穩(wěn)定度值見(jiàn)表3。

從表3中動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與常用的70#瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料相比，60 ℃下保利高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度高于70#瀝青混合料4.81倍，高于SBS改性瀝青混合料1.74倍。PR高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度高于70#瀝青混合料5.43倍，高于SBS改性瀝青混合料1.97倍，且兩種高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于規(guī)范規(guī)定值（2 800）。此外，高模量瀝青混合料在車(chē)輪碾壓下的豎向位移也遠(yuǎn)小于70#瀝青混合料，說(shuō)明兩種高模量劑的添加能夠大幅度提升路面的抗車(chē)轍性能。

從70 ℃下車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相較于60 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度，四種瀝青混合料在70 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度都有一定程度的降低，且70#基質(zhì)瀝青下降幅度最顯著，但兩種高模量劑在70 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度仍然大于規(guī)范規(guī)定值（≥2 800），這也進(jìn)一步說(shuō)明兩種高模量瀝青混合料在抵抗車(chē)轍方面具有更好的效果。

4.2 低溫抗裂性

瀝青是一種溫度敏感性材料，在低溫環(huán)境下，瀝青材料會(huì)變得脆硬，失去彈性，并且瀝青路面中的應(yīng)力無(wú)法迅速松弛，容易造成內(nèi)部應(yīng)力集中。當(dāng)車(chē)輛和溫度的疊加荷載超過(guò)材料極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成路面出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。小梁低溫彎曲試驗(yàn)是通過(guò)在低溫環(huán)境下對(duì)瀝青混合料進(jìn)行加載，來(lái)評(píng)價(jià)其低溫下的抗裂性能。四種瀝青混合料的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出，最大彎拉應(yīng)變值從大到小為70#基質(zhì)瀝青＞PR＞SBS改性瀝青＞保利，表明四種瀝青混合料中70#基質(zhì)瀝青混合料的低溫性能最好，另外三種瀝青混合料的低溫抗裂性能有所降低，這是因?yàn)樵谔岣吒邷胤€(wěn)定性時(shí)，犧牲了一部分的低溫抗裂性能，但兩種高模量瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變?nèi)源笥谝?guī)范規(guī)定值（2 500）。

4.3 水穩(wěn)定性

瀝青路面在服役過(guò)程中由于車(chē)輛荷載的作用，造成積水長(zhǎng)期沖刷著路面，使得瀝青與礦料之間的黏結(jié)力減弱，導(dǎo)致瀝青層與礦料層分離，出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。瀝青從集料表面的剝離使得原本密實(shí)的結(jié)構(gòu)變得松散，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，加速了瀝青路面的破壞。水穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)瀝青混合料耐久性的重要指標(biāo)之一，良好的水穩(wěn)定性可以確保瀝青路面在潮濕和多雨的氣候條件下具有較長(zhǎng)的使用壽命，并減少維修和養(yǎng)護(hù)的成本。該文選用兩種方法來(lái)評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5～6。

四種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。從浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種高模量瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度都有一定程度的提升，保利高模量瀝青混合料浸水后的穩(wěn)定度比普通瀝青混合料高3.39 kN，PR高模量瀝青混合料浸水后的穩(wěn)定度比普通瀝青混合料高4.16 kN，表明高模量劑的加入除了提升一定的高溫穩(wěn)定性外，對(duì)殘留穩(wěn)定度也有顯著的提升。

從凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以看出，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比的結(jié)果從大到小為SBS改性瀝青＞PR＞保利＞70#基質(zhì)瀝青，與70#基質(zhì)瀝青相比，兩種高模量瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別提高了3.5%和6.9%。

4.4 動(dòng)態(tài)模量

傳統(tǒng)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法通常使用靜態(tài)模型來(lái)評(píng)估瀝青混合料的性能和路面的承載能力。然而，在實(shí)際使用中，瀝青路面處于不斷受到車(chē)輛荷載影響的動(dòng)態(tài)狀態(tài)，因此使用靜態(tài)模型可能無(wú)法全面準(zhǔn)確地反映瀝青路面的真實(shí)受力狀況。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估瀝青路面的動(dòng)態(tài)性能，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用。動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)可以測(cè)量瀝青混合料在動(dòng)態(tài)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，從而提供更真實(shí)的材料特性和性能參數(shù)，通過(guò)測(cè)定不同頻率和溫度下的動(dòng)態(tài)模量，可以了解瀝青混合料的剛度、變形特性和耐久性，該文采用單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)評(píng)估瀝青混合料的動(dòng)力特性，20 ℃下不同加載頻率的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

根據(jù)不同加載頻率下四種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量值可以看出，隨著加載頻率的增大，動(dòng)態(tài)模量值也增大；高模量瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性能。四種瀝青混合料中，基質(zhì)瀝青的動(dòng)態(tài)模量值最小，兩種高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量值比普通瀝青混合料高出約2倍。

5 工程應(yīng)用

該研究依托于鎮(zhèn)江市2023年普通國(guó)省道路面修復(fù)養(yǎng)護(hù)工程，由于原有路面在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，車(chē)轍病害嚴(yán)重。因此為抵抗重載交通造成的路面病害及提高瀝青路面路用性能，設(shè)計(jì)采用三種路面材料，分別為SBS改性瀝青、PR高模量劑以及保利高模量劑制備的瀝青混合料，現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，對(duì)路面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，三種瀝青混合料都具有較好的構(gòu)造深度、滲水系數(shù)和摩擦系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

6 結(jié)論

（1）高溫穩(wěn)定性方面，高模量劑的加入能夠顯著提高路面的抗車(chē)轍性能，60 ℃下混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大小排序?yàn)镻R＞保利＞SBS改性瀝青＞70#基質(zhì)瀝青，70 ℃下兩種高模量混合料仍然具有較好的抗車(chē)轍性能。

（2）低溫抗裂性方面，高模量劑的加入并沒(méi)有提升混合料的低溫抗裂性能，相反，與70#瀝青混合料相比，兩種高模量瀝青混合料都呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，但最終試驗(yàn)結(jié)果都滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

（3）水穩(wěn)定性方面，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度大小排序?yàn)镻R＞SBS改性瀝青＞保利＞70#基質(zhì)瀝青，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比大小排序?yàn)镾BS改性瀝青＞PR＞保利＞70#基質(zhì)瀝青，從浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種高模量劑的加入明顯改善了混合料的水穩(wěn)定性能。

（4）動(dòng)態(tài)模量結(jié)果表明，加載頻率越高，混合料的動(dòng)態(tài)模量值也越高，高模量劑的加入增大了混合料的動(dòng)態(tài)模量值，顯著提升了混合料的抗車(chē)轍性能。

參考文獻(xiàn)

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