陳玉宏， 馬乙一， 徐 俊， 于恒峰

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088 ；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

直投式高模量瀝青混合料是一種新型路面鋪筑材料，具有模量高、抗車轍性好、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)。法國(guó)對(duì)高模量瀝青混合料應(yīng)用已有30多年，并頒布了與之配套的高模量瀝青混合料組成設(shè)計(jì)規(guī)范。在我國(guó)，高模量瀝青混合料的制備和研究應(yīng)用尚處于初期，對(duì)高模量瀝青混合料的性能也缺乏必要的了解，由于兩國(guó)在混合料試驗(yàn)方法、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)參數(shù)等方面的差異，限制了高模量混合料在我國(guó)的發(fā)展，因此，論文從高模量混合料路用性能方面研究其特性，以便為其大規(guī)模推廣使用提供技術(shù)支持[1]。

1 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)瀝青混合料的使用條件、混合料類型、荷載條件要求等不同，高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)方法將性能試驗(yàn)分成四個(gè)水平。高模量混合料按照法國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)流程詳如圖1所示。

圖1 高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)流程

試驗(yàn)水平從最簡(jiǎn)單的水平開(kāi)始，到最全面的水平，試驗(yàn)高水平的設(shè)計(jì)要求在滿足試驗(yàn)低水平的設(shè)計(jì)要求之后才能進(jìn)行。不同的性能試驗(yàn)水平是對(duì)確定的初始混合料組成設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，若性能試驗(yàn)不滿足規(guī)定的性能試驗(yàn)水平的要求，則說(shuō)明初始混合料組成設(shè)計(jì)不滿足要求，需要重新對(duì)所選原材料進(jìn)行性能驗(yàn)證或再確定混合料組成設(shè)計(jì)，然后根據(jù)所要求的性能試驗(yàn)水平再進(jìn)行試驗(yàn)。

2 混合料壓實(shí)與體積指標(biāo)

高模量混合料采用旋轉(zhuǎn)剪切壓實(shí)成型，瀝青混合料按規(guī)定的拌合次數(shù)及拌合溫度拌合均勻后，放到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀配套的圓柱形磨具中，瀝青混合料在靜壓力和旋轉(zhuǎn)剪切力作用下被揉搓到現(xiàn)場(chǎng)要求的壓實(shí)度。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)100次，壓實(shí)試件空隙率不大于6%。

中、法兩種標(biāo)準(zhǔn)下的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的空隙率計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由于法國(guó)在空隙率計(jì)算時(shí)包含了試件表面的空隙，而中國(guó)采用水中重法，不包含表面空隙，因此法標(biāo)計(jì)算的孔隙率要比國(guó)標(biāo)大1%～2%。

圖2 中、法空隙率計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 路用性能

高模量混合料四水平的設(shè)計(jì)體系以其先進(jìn)性及獨(dú)創(chuàng)性一直被歐洲一些國(guó)家借鑒吸收，大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的是解決模量、高溫性能及疲勞性能之間的平衡關(guān)系[2]。

3.1 水穩(wěn)定性能

瀝青路面的水損害是指路面在水或凍融循環(huán)的作用下，由于行車動(dòng)態(tài)荷載的作用，進(jìn)入路面空隙中的水不斷產(chǎn)生動(dòng)水壓力形成真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用，水分逐漸滲入瀝青與集料的界面，使瀝青與集料的黏附性降低，并喪失黏結(jié)力，導(dǎo)致瀝青膜從石料表面脫落，瀝青混合料掉粒、松散，繼而形成瀝青路面的坑槽、推擠變形等現(xiàn)象。

(1)試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)。高模量瀝青混合料水穩(wěn)定性采用多列士試驗(yàn)(EN12697-12，方法B)。步驟如下：

① 試件成型。混合料拌和時(shí)溫度150 ℃，填滿混合料的試模放入干燥箱中0.5～2 h，使箱里的溫度接近混合料拌和的溫度。取出試模，開(kāi)始靜壓成型，必須在5～60 s達(dá)到荷載180 kN，保持300 s。

②試件養(yǎng)生。根據(jù)毛體積密度分成兩組，第一組(4個(gè))試件在空氣中保存，溫度18 ℃，相對(duì)濕度50%，保存7 d。第二組(4個(gè))浸水后1 h內(nèi)完成負(fù)壓飽水，在47 kPa的殘余壓強(qiáng)下保持2 h，之后浸入18 ℃的水中保持7 d，根據(jù)兩組試件的抗壓強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)混合料的水敏感性。

③ 試驗(yàn)過(guò)程。完成養(yǎng)護(hù)作用之后，對(duì)所有試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度18 ℃。每個(gè)試件從恒溫裝置中取出到開(kāi)始?jí)核樵囼?yàn)之間的時(shí)間不得超過(guò)2 min。

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 多列式試驗(yàn)結(jié)果

AC-20(SBS)試件干濕抗壓強(qiáng)度比87.5%，AC-20(高模量)試件干濕抗壓強(qiáng)度比92.3%，二者均滿足法標(biāo)規(guī)范中干濕抗壓強(qiáng)度比不低于80%的要求。以上試驗(yàn)結(jié)果表明：AC-20(高模量)瀝青混合料較常規(guī)AC-20(SBS)混合料具有更好的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度，這是由于高模量混合料中瀝青黏度較大，可增加附著在集料表面的有效瀝青膜的厚度，增加與集料的黏附作用，防止水對(duì)礦料表面的瀝青的作用，因此高模量瀝青混合料水穩(wěn)定性較常規(guī)的改性混合料更好。

3.2 高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料是一種黏彈性材料，其物理力學(xué)性質(zhì)、路用性能與溫度、荷載作用時(shí)間等密切相關(guān)。高溫條件是指使用過(guò)程中混合料受交通荷載反復(fù)作用，易產(chǎn)生車轍等永久性變形的溫度范圍，高溫穩(wěn)定性是指混合料在該溫度范圍內(nèi)抵抗永久變形的能力。

(1)試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)。混合料高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)，對(duì)AC-20(高模量)和AC-20(SBS)進(jìn)行車轍試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)過(guò)程。使試件達(dá)到試驗(yàn)溫度60℃，測(cè)試試件應(yīng)在這樣的環(huán)境中放置12～16 h。在測(cè)試過(guò)程中保持溫度±2℃，當(dāng)試件經(jīng)受指定的條件循環(huán)次數(shù)100、300、1 000、3 000、10 000、30 000，停止設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。計(jì)算試件一系列的測(cè)量值所得的成比例的車轍深度，計(jì)算15個(gè)變形值和試件的厚度h。

(3)試驗(yàn)結(jié)果及分析。車轍試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 瀝青混合料法國(guó)車轍試驗(yàn)結(jié)果

車轍試驗(yàn)表明，碾壓30 000 次后，AC-20(SBS)試件平均變形率4.45%，AC-20(高模量)試件平均變形率3.88%，滿足法標(biāo)規(guī)范中小于7.5%的要求。由上述試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，AC-20(高模量)和AC-20(SBS)兩種混合料均具有良好的抗車轍性能，且AC-20(高模量)抗車轍性能優(yōu)于AC-20(SBS)。綜上所述，可得出高模量混合料高溫穩(wěn)定效果顯著，是一種具備良好抗永久變形能力的材料，可替代常規(guī)的材料用于重交通道路。

3.3 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模量是高模量瀝青混合料重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，是瀝青混合料設(shè)計(jì)、瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和瀝青路面性能評(píng)價(jià)分析的重要參數(shù)。試驗(yàn)采用兩點(diǎn)彎曲復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)。

(1)試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)原理是在試驗(yàn)溫度下，在試件頂部施加按照正弦波形式變化的微變形。試件尺寸如圖3、表3所示，試件的空隙率在3%～6%，試驗(yàn)溫度15℃，試驗(yàn)頻率10 Hz/0.02 s。試驗(yàn)前，試件需存放2周至8周。

圖3 模量試驗(yàn)試件尺寸示意圖

表3 梯形試件尺寸

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析?？蛊趯?5 ℃、10 Hz條件下的模量在14 000 MPa以上才可稱之為高模量材料。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果 (15 ℃、10 Hz)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在15 ℃，10 Hz條件下AC-20(SBS)試件平均模量為10 288 MPa，AC-20(高模量)試件動(dòng)態(tài)模量為14 985 MPa。高模量混合料的動(dòng)態(tài)模量可滿足規(guī)范中對(duì)模量的要求，高模量試件動(dòng)態(tài)模量比常規(guī)改性混合料的模量提高了45.7%。

3.4 抗疲勞性能

在我國(guó)，高速公路采用的是以半剛性基層為主的瀝青路面結(jié)構(gòu)，底層瀝青混合料由于在重復(fù)荷載的作用下易發(fā)生拉應(yīng)力疲勞破壞，路面裂縫通常從面層底部開(kāi)始發(fā)展，影響到路面結(jié)構(gòu)壽命，因此疲勞設(shè)計(jì)大多數(shù)以面層底部拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)?？蛊谛阅芊从沉寺访鏋r青混合料抵抗車輛荷載反復(fù)作用下彎拉應(yīng)力(應(yīng)變)的能力，可以較好的反映瀝青混和料的路用性能。

(1)試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用兩點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，在規(guī)定條件和規(guī)定荷載下使梯形梁試件發(fā)生一個(gè)變形，當(dāng)變形保持不變，作用力減少到原來(lái)的一半時(shí)，認(rèn)為試件在相應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)下己經(jīng)發(fā)生破壞，其作用次數(shù)越長(zhǎng)，說(shuō)明其疲勞壽命越長(zhǎng)，表明其抵抗疲勞破壞的能力也越長(zhǎng)。

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析。根據(jù)法國(guó)梯形梁疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在10℃、25Hz、130με條件下，AC-20(高模量)疲勞作用次數(shù)為150.5萬(wàn)，AC-20(SBS)疲勞作用次數(shù)為101.7萬(wàn)，均可以滿足規(guī)范不低于100萬(wàn)次的要求，AC-20(高模量)抗疲勞作用性能明顯優(yōu)于AC-20(SBS)，高模量試件疲勞作用次數(shù)較常規(guī)改性混合料提高了47.9%。

3.5 低溫抗裂性能

瀝青面層的溫度開(kāi)裂是路面破壞的主要形式之一，當(dāng)氣溫驟降時(shí)，瀝青面層會(huì)產(chǎn)生收縮變形，由于瀝青路面不能自由收縮，便在路面結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，另一方面由于瀝青混凝土具有應(yīng)力松弛的特性，給瀝青混凝土一定的應(yīng)變后，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而松弛，低溫應(yīng)力會(huì)隨著應(yīng)力的松弛而減小，不會(huì)產(chǎn)生足以出現(xiàn)裂縫的應(yīng)力，但是來(lái)不及松弛的溫度應(yīng)力在瀝青路面中不斷積累，一旦超過(guò)瀝青混合料極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致路面開(kāi)裂?？梢?jiàn)，使瀝青混合料在低溫狀況下保持足夠的強(qiáng)度和變形能力，是防止路面開(kāi)裂的根本措施。

(1)試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)主要是采用-10℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)混合料低溫性能進(jìn)行評(píng)估。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2011)中的規(guī)定要求，輪碾成型標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，切割成長(zhǎng)250 mm、寬30 mm、高35 mm的棱柱體小梁[3]。試件在-10℃下保溫6h后，對(duì)稱安放在支座上，放置方向與試件成型方向一致，調(diào)零位移測(cè)定裝置和荷載傳感器，開(kāi)動(dòng)壓力進(jìn)行中點(diǎn)加載，加載速率為50 mm/min。

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析。AC-20(高模量)、AC-20(SBS)混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，AC-20(高模量)、AC-20(SBS)的低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變分別為2 824 με、2 932 με，均滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)中本區(qū)域低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變不小于2 500 με的要求，AC-20(高模量)低溫破壞應(yīng)變比AC-20(SBS)小3.8%，所以可認(rèn)為適量的高模量劑對(duì)混合料的低溫性能并無(wú)較大影響。

4 結(jié) 論

(1)高模量混合料采用四水平設(shè)計(jì)流程，可供科研和現(xiàn)場(chǎng)施工參考使用。

(2)中、法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的空隙率計(jì)算方法不同，由于法標(biāo)中包含了表面空隙，計(jì)算出的空隙率比國(guó)標(biāo)大1%～2%。

(3)對(duì)AC-20(高模量)、AC-20(SBS)進(jìn)行了綜合路用性能對(duì)比研究，AC-20(高模量)混合料在抗水損、抗高溫車轍、強(qiáng)度、抗疲勞性能方面均優(yōu)于SBS改性混合料，且低溫性能與SBS改性混合料基本相當(dāng)，表明高模量瀝青混合料較常規(guī)改性材料具有更好的綜合路用性能。