楊國梁

0 前言

湖南省吉懷高速公路是包頭至茂名高速公路(簡稱“包茂高速”)在湖南境內(nèi)的重要路段，也是湖南省“五縱七橫”高速公路網(wǎng)絡(luò)主骨架的組成部分，貫穿湖南省西部，并與杭瑞高速、上昆高速公路連接，形成縱橫交織的高速公路交通網(wǎng)絡(luò)，同時也是貫穿我國西部省市的一條南北公路運輸大通道，是內(nèi)陸西部地區(qū)與“泛珠江三角洲”區(qū)域相聯(lián)系的便捷通道之一。本項目主線全長104.836 km，采用瀝青混凝土路面，主線路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計為:4 cm AC—13C上面層(SBS改性瀝青)+6 cm AC—20C中面層(SBS改性瀝青)+8 cm AC—25C下面層(A—50瀝青)+1 cm SBS改性瀝青同步碎石封層+透層+18 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石上基層+18 cm 5% 水泥穩(wěn)定碎石下基層+20 cm 4%水泥穩(wěn)定碎石底基層+20 cm未篩分碎石墊層。

吉懷高速公路處在湖南省湘西，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，夏季平均氣溫大多在26℃ ～29℃之間。年平均降雨量在1 200～1 700 mm之間，集中在七、八月份，達(dá)全年降雨量的60%～70%，暴雨強度較大。因此吉懷高速公路瀝青路面的設(shè)計，首先考慮的是要有效的防止水損害。吉懷高速公路交通量調(diào)查顯示，該路線的大噸位車輛比較多，再加上炎熱的夏季氣候，防止產(chǎn)生車轍也是吉懷高速公路瀝青路面設(shè)計的主題。

A—50號瀝青具有很好的抗高溫抗車轍的性能。同時，湖南省屬于夏天炎熱冬天溫暖的氣候分區(qū)，氣候條件決定湖南省對瀝青路面抗低溫開裂的要求不高，這為A—50號瀝青在吉懷高速公路瀝青路面下面層應(yīng)用提供了客觀基礎(chǔ)［1－5］。

為更好地保證吉懷高速公路瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量、延長其使用壽命，尤其是在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)適用的前提下，提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，更好地預(yù)防瀝青路面水損害、車轍等病害，對吉懷高速公路瀝青路面下面層所選用的A—50號瀝青的性能進(jìn)行研究，這符合我國道路建設(shè)的需要，也為以后該路面的養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

A—50號瀝青:金陵石化生產(chǎn)。針入度儀:SYD—2801E，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司;全自動瀝青軟化點儀:SYD—2806E，無錫華南實驗儀器有限公司;恒溫雙速瀝青延度儀:SY—2B，無錫華南實驗儀器有限公司;旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱，SYD—0610，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司;開口閃點測試儀:SD—2000K，博山同業(yè)分析儀器廠;布什旋轉(zhuǎn)粘度儀:TB—041，上海卓致力天儀器有限公司;熱重分析儀:TGAQ 500，美國AT公司;馬歇爾自動穩(wěn)定度儀，中德偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司;滲水儀，HDSS—II，深圳市頂尖稱重設(shè)備有限公司。

1.2 分析與表征方法

針入度:具體測試方法按GB/T 0604—2011《石油瀝青針入度測定法》測定，溫度25℃，附加荷重(100 ±0.05)g，貫入時間5 s。

延度:具體測試方法按GB/T 0605—2011《石油瀝青延度測定法》測定，實驗溫度有10℃和15℃，拉伸速度為5 cm/min。

軟化點:具體測試方法按GB/T 0606—2011《石油瀝青軟化點測定(環(huán)球法)》進(jìn)行，鋼球質(zhì)量 (3.5±0.05)g，升溫速率5 ℃ /min。

熱重法 (TG)分析:美國AT公司生產(chǎn)的TGA Q500，N2氣保護(hù)下，升溫速度為10℃/min，試驗溫度0℃ ～800℃。

馬歇爾穩(wěn)定度實驗:水浴溫度60℃，按標(biāo)準(zhǔn)擊實法成型馬歇爾試件，尺寸符合規(guī)范規(guī)定，一組試件的數(shù)量6個;量測試件的直徑及高度;按規(guī)范規(guī)定的方法測定試件的密度、計算有關(guān)物理指標(biāo)。

滲水實驗:采用路面滲水儀對瀝青混合料的滲水性進(jìn)行評價。

2 結(jié)果討論

2.1 吉懷高速下面層所選用A—50號瀝青的基本性能分析

瀝青質(zhì)量直接關(guān)系到路面工程質(zhì)量和路面通車后的路用性能和營運效果，是路面施工管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本試驗對瀝青路面下面層所選用的A—50號瀝青的基本性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，自測實驗在吉懷高速公路中心實驗室完成，送檢實驗在長沙理工大學(xué)公路工程實驗檢測中心完成，實驗結(jié)果見表1。

瀝青針入度試驗是測定瀝青稠度的標(biāo)準(zhǔn)方法。研究結(jié)果表明［4，5］，瀝青在 25℃的針入度下降 20以下時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的路面開裂，當(dāng)瀝青的針入度大于30時，具有高抗開裂性能。從表1可以看出A—50號瀝青的針入度為59，遠(yuǎn)大于30，這說明該瀝青的抗開裂性能較好［4］。

采用軟化點來評價瀝青高溫性能，通過這樣的評價，可初步表征瀝青對混合料高溫穩(wěn)定性能的影響。A—50號瀝青的軟化點是49.0℃，符合技術(shù)規(guī)范要求。60℃時A—50號瀝青的運動粘度達(dá)到290 Pa·s。延度反映了瀝青的柔韌性和抗變形能力，是評價瀝青低溫抗裂性能的一項重要指標(biāo)［5］。由表1可知，10℃時 A—50號瀝青的延度是22，15℃時的延度＞100，均符合技術(shù)規(guī)范的要求。

表1 吉懷高速瀝青路面下面層所用A—50號瀝青的性能

2.2 熱失重TG分析

熱重法(TG)是在溫度程序控制下，測試物質(zhì)質(zhì)量與溫度之間的關(guān)系的技術(shù)。物質(zhì)受熱后，溫度升高或發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化和化學(xué)反應(yīng)，其性質(zhì)也發(fā)生了改變，達(dá)到某一溫度時，其狀態(tài)發(fā)生改變并伴隨著質(zhì)量的變化。瀝青由瀝青質(zhì)，膠質(zhì)，芳香分和飽和分組成，當(dāng)溫度升高時，碳數(shù)小于4的輕質(zhì)組分升華，瀝青質(zhì)量減輕，隨著溫度繼續(xù)升高，一些不飽和烴發(fā)生加成反應(yīng)以及熱解反應(yīng)，并伴隨質(zhì)量變化［4］。

為了更好地了解吉懷高速所選用A—50號瀝青的高溫性能，測試瀝青質(zhì)量變化與溫度之間的關(guān)系，對瀝青路面下面層所選A—50號瀝青進(jìn)行了熱失重分析。本試驗是在中南大學(xué)分析測試中心完成。熱重分析儀為美國AT公司生產(chǎn)的TGA Q500，N2保護(hù)下，在一定溫度范圍內(nèi)勻速升溫，升溫速度為10℃/min，試驗溫度為0℃ ～800℃。對 A—50號瀝青進(jìn)行Step分析，并繪出TG曲線和一階微分導(dǎo)數(shù)熱失重(DTG)曲線。

瀝青的熱穩(wěn)定性可以用熱分解溫度來表示，熱分解溫度越低，表明瀝青的熱穩(wěn)定性越差，反之熱穩(wěn)定性越好。A—50號瀝青的TG和DTG曲線如圖1所示，TG曲線中均無平臺出現(xiàn)，DTG曲線中均只有1個峰。它的熱分解峰，初始溫度(ts)、峰值溫度(tp)和分解結(jié)束溫度(te)，以及失重率為5%，10%和 50% 時的溫度t5，t10和t50如表 2 所示［5－8］。

圖1 A－50號瀝青的TG和DTG圖

表2 A—50 號瀝青的熱分解峰的 ts，tp，te及失重的 t5，t10，t50 ℃

對于A—50號瀝青而言，它的DTG曲線上只有1個峰，由于tp是所分析樣品熱分解最快時的溫度，因而可以用這一溫度的高低來表示樣品的熱穩(wěn)定性的好壞。從表1中可以看出A—50號瀝青的熱分解情況分解可分為2個部分，在200℃以前基本不分解;在200℃ ～500℃之間分解很快;500℃后經(jīng)過一個分解很慢的平臺質(zhì)量不再變化。DTG曲線上在475℃有一個很明顯的分解峰。

從ts來看，A—50號瀝青開始分解時的溫度為263℃，通常情況下，瀝青儲存及施工溫度為160℃～180℃，這表明該瀝青在加工過程中熱分解的程度很小，在加工完成后仍能保留有效成分，保持較高的熱穩(wěn)定性，從實用的角度來看，符合吉懷高速公路瀝青路面技術(shù)規(guī)范的要求［7，8］。

2.3 AC－25C型瀝青混合料的性能

一條質(zhì)量可靠的高速公路瀝青混凝土路面，除了有好的基層，好的原材料，嚴(yán)格控制施工工藝外，配合比設(shè)計也是十分重要的。為更好地保證吉懷高速公路瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量、延長其使用壽命，依據(jù)規(guī)范要求，考察了吉懷高速公路AC—25C型瀝青混凝土路面配合比設(shè)計及使用情況。

本次配合比所用集料為石灰?guī)r，瀝青為A—50號瀝青。各種材料規(guī)格、用量及混合料級配的篩分結(jié)果見表3、表4?；旌狭霞壟銩C—25C型瀝青混合料設(shè)計級配范圍見圖2。

表3 混合料配合比

表4 混合料級配篩分試驗結(jié)果表

根據(jù)研究資料［3］可知，粗集料的標(biāo)準(zhǔn)為最大公稱粒徑的1/4(包括1/4粒徑)以上的集料，以下的集料則稱為細(xì)集料，由于本次試驗采用了AC—25C，故將2.36 mm以上的集料稱為粗集料，其中粗集料比例為 74.5%［9］。

由表3可知，主骨料規(guī)格和比例為:20～30 mm的碎石15.5%，15～20 mm的碎石21%，5～15 mm的碎石27%，3～5 mm的碎石11%，機制砂為23%，礦粉為2.5%，A－50號瀝青3.94%，各項技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。AC—25C瀝青混合料級配通過率均在要求的范圍內(nèi)，滿足吉懷高速瀝青路面的使用要求［10］。

圖2 AC—25C瀝青混合料級配圖

為了進(jìn)一步確定瀝青混合料的性能，根據(jù)上述級配和瀝青用量，按技術(shù)規(guī)范要求制作馬歇爾試件，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，試驗結(jié)果見表5。

根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果，最佳油石比分別為4%，符合各指標(biāo)要求的油石比范圍3.9% ～4.5%，根據(jù)經(jīng)驗取得最佳油石比為4.2%，且VMA滿足設(shè)計要求［9］。

表5 AC—25C瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗表

為了進(jìn)一步確定瀝青混合料的抗水害性能，根據(jù)上述級配和瀝青用量，按技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行瀝青路面滲水實驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 瀝青路面滲水實驗表

根據(jù)瀝青路面滲水實驗結(jié)果，該級配抗水害性能良好，符合各指標(biāo)要求。目標(biāo)配合比設(shè)計結(jié)果，可用于吉懷高速公路瀝青路面下面層［11］。

3 結(jié)論

從以上的研究分析來看，A—50號瀝青的路用基本性能都滿足吉懷高速公路建設(shè)的技術(shù)要求。運用熱失重分析技術(shù)同時獲得該試樣的TG和DTG曲線，明確起始和終止失重溫度及相應(yīng)的失重量，在使用溫度范圍內(nèi)，A—50號瀝青的熱穩(wěn)定性比較好，基本不揮發(fā)、分解。對A—50號瀝青進(jìn)行了AC—25C瀝青混合料的設(shè)計級配實驗及馬歇爾試驗，由試驗結(jié)果知，該級配混合料性能良好，可用于吉懷高速公路瀝青路面下面層的使用。

［1］劉鳳妮.70號A級瀝青在瀝青中面層中的應(yīng)用［J］.山西交通科技，2006(1):38－39.

［2］徐 力，劉 峰，趙基鋼，等.塔河瀝青表征研究［J］.化工科技，2011，19(4):44 －46.

［3］林海英，薛 昕，李華春.瀝青四組分和瀝青的熱失重分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，28(4):708－710.

［4］徐青萍，萬 芳，趙仕林，等.SBS改性瀝青的化學(xué)改性研究［J］.公路工程，2009，34(3):44 －47.

［5］元玉臺.熱分析法研究渣油和瀝青的熱性能［J］.石油化工，1995，24:808 －812.

［6］徐青萍.路用SBS瀝青的化學(xué)改性研究［D］.四川:四川師范大學(xué)，2009.

［7］汪輝亮，陳文嬌.受阻胺光穩(wěn)定劑的熱失重分析［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1998，34(2):209－223.

［8］李 平.SBS改性瀝青老化性能儲存穩(wěn)定性能研究［D］.西安:長安大學(xué)，2005.

［9］張曉勇，葉 紅.漯平高速公路瀝青路面下面層AC－25型瀝青混合料目標(biāo)配合比設(shè)計［J］.遼寧交通科技，2005(12):3－6.

［10］劉奕輝.50號硬質(zhì)瀝青在茂湛二期高速公路中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代交通科技，2007，4(4):4 －6.

［11］汪建平，丁杰棟.50號硬質(zhì)瀝青在石吉高速公路的應(yīng)用［J］.道路工程，2011(2):46－48.