陸由付，李燕奪，陳 謙

（1.山東高速集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250098；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 引言

近年來，隨著交通量的顯著增加，以車轍為代表的瀝青路面病害明顯增多，為補(bǔ)強(qiáng)路面、減少車轍病害發(fā)生，高模量瀝青混合料的概念應(yīng)運(yùn)而生。高模量瀝青混合料的應(yīng)用可有效減少瀝青路面早期病害，顯著提高瀝青路面耐久性，并且將其應(yīng)用于瀝青路面的中下面層還可有效減小瀝青層厚度，節(jié)省造價(jià)，近年來已逐漸受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的青睞[1-3]。Moreno-Navarro等[4]將高模量瀝青混合料與丙烯酸纖維結(jié)合，有效改善了混合料的路用性能。Khiavi等[5]采用模型對(duì)制備的高模量瀝青混合料性能進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，結(jié)果表明硬針入度瀝青（HPB）有利于改善高模量瀝青混合料的性能。Judycki等[6]將高模量瀝青混合料應(yīng)用于低溫地區(qū)時(shí)得出，低標(biāo)號(hào)瀝青的使用導(dǎo)致路面對(duì)低溫氣候更加敏感。王朝輝等[7]對(duì)國(guó)內(nèi)外高模量瀝青混凝土的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)梳理并提出以SBS 或橡膠粉等材料改善高模量瀝青混合料低溫抗裂性是未來研究的一大方向。馬朝鮮等[8]分析了CAM 模型及Sigmoidal 模型對(duì)高模量瀝青及混合料的適用性，結(jié)果表明CAM 模型可適用于預(yù)測(cè)高模量瀝青動(dòng)態(tài)模量，Sigmoidal 模型可用于預(yù)測(cè)高模量混合料動(dòng)態(tài)模量。王俊杰[9]通過改變高模量劑摻量研究了其對(duì)AC-13 和SMA-13 兩種混合料不同性能的影響，結(jié)果表明AC-13 高溫穩(wěn)定性更易受高模量劑影響，兩種混合料最佳高模量劑摻量分別為4%及6%。孟會(huì)林[10]研究了20 號(hào)瀝青高模量瀝青混合料的性能，結(jié)果表明瀝青種類對(duì)混合料的模量及疲勞性能均有顯著影響，而級(jí)配對(duì)模量具有較大影響。周驪魏等[11]對(duì)高模量瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)梳理并得出采用低標(biāo)號(hào)瀝青制備高模量瀝青混凝土對(duì)其動(dòng)態(tài)模量提升效果穩(wěn)定。綜上可知，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高模量瀝青混合料瀝青類型選取、動(dòng)態(tài)模量預(yù)估、改性劑摻入比例等方面已經(jīng)開展了相關(guān)研究并取得了一定成果，但是關(guān)于新型改性劑的開發(fā)及其高模量瀝青混合料最佳制備工藝的確定仍需進(jìn)一步探討。

鑒于此，本研究以超高分子聚合物（UP）和聚丙烯（PP）作為改性基礎(chǔ)材料，以石膏晶須（CSW）作為改性輔助材料，開發(fā)兩種改性劑，確定高模量瀝青混合料的最佳制備方法，明確高模量瀝青混合料最佳油石比，基于不同試驗(yàn)方法對(duì)比評(píng)價(jià)兩種高模量瀝青混合料力學(xué)性能及路用性能，以期為推動(dòng)高模量瀝青混合料進(jìn)一步研究及推廣應(yīng)用提供參考。

2 原材料與制備方法

2.1 原材料

以優(yōu)質(zhì)玄武巖粗細(xì)集料、石灰?guī)r礦粉為原料制備兩種高模量瀝青混合料，玄武巖粗細(xì)集料接近立方體，表面粗糙潔凈，不存在風(fēng)化現(xiàn)象，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)制備而成，經(jīng)測(cè)試，集料及礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。本研究所用瀝青采用SK70 基質(zhì)瀝青，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 SK70基質(zhì)瀝青技術(shù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

選用聚烯烴類物質(zhì)超高分子聚合物（UP）和聚丙烯（PP）作為改性基礎(chǔ)材料，石膏晶須（CSW）為輔助材料[12]。其中，超高分子聚合物（UP）具有耐磨性好、強(qiáng)度高、性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化性較強(qiáng)的特點(diǎn)；聚丙烯（PP）是丙烯經(jīng)加聚而成的聚合物，密度小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的耐酸堿性能、力學(xué)性能及抗老化性能；石膏晶須（CSW）又稱硫酸鈣晶須，是一種纖維亞納米材料，具有成本低廉、綠色環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。三種材料的主要技術(shù)指標(biāo)見表2～表4。

表2 UP相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

表3 PP相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

表4 CSW相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

2.2 高模量瀝青混合料的制備

UC 高模量瀝青混合料UP 摻量0.22%、CSW 摻量0.3%；PC 高模量瀝青混合料PP 摻量0.34%、CSW 摻量0.3%，上述摻量均為占混合料質(zhì)量比。以干法工藝制備兩種高模量瀝青混合料，即在高溫條件下將石料和外加劑干拌，待干拌完成后再加入瀝青，再次進(jìn)行拌和。高模量瀝青混合料的拌合流程如下：

①分別取一定質(zhì)量的粗細(xì)集料，按照設(shè)計(jì)級(jí)配在潔凈容器中將其拌合均勻，而后將混合均勻后的粗細(xì)集料與單獨(dú)放置的礦粉分別加熱至195 ℃，備用。

②將瀝青在烘箱中加熱至拌合溫度175 ℃并保持溫度恒定，備用。

③提前將混合料拌合機(jī)開啟進(jìn)行預(yù)熱，并將溫度控制在185℃，待預(yù)熱至指定溫度，將步驟①中預(yù)熱好的集料及單獨(dú)預(yù)熱的改性劑倒入拌鍋中，干拌90s，待干拌完成后在集料中倒入步驟②中預(yù)熱并保溫的瀝青，拌合60s，拌合完成后加入礦粉，再次拌合60s。

3 高模量瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 級(jí)配選擇

采用《公路高模量瀝青路面施工技術(shù)指南》（T/CHTS 10004-2018）推薦的AC-16級(jí)配作為高模量瀝青混合料試驗(yàn)級(jí)配，各篩孔通過率見表5。

表5 高模量瀝青混合料AC-16級(jí)配

3.2 最佳油石比的確定

為確定最佳瀝青用量，以UP為改性劑制備混合料，選取4.6%、5.1%、5.6%、6.1%、6.6%五個(gè)瀝青用量分別拌制高模量瀝青混合料，參考《道路用高模量抗疲勞瀝青混合料》（GB/T 36143-2018）測(cè)試馬歇爾試件相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果匯總

根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的體積參數(shù)指標(biāo)與瀝青用量的關(guān)系曲線確定最佳瀝青用量OAC，具體步驟如下：從關(guān)系圖中找出瀝青飽和度（VFA）中值、毛體積密度最大值、穩(wěn)定度（MS）最大值、空隙率（VV）小于等于4%對(duì)應(yīng)的瀝青用量及試件測(cè)試指標(biāo)符合規(guī)范要求的瀝青用量范圍中值，分別記為最佳瀝青用量初始值OAC1及OAC2，將兩個(gè)最佳瀝青用量初始值OAC1及OAC2取平均值即為最佳瀝青用量OAC，按照上述方式計(jì)算的最佳瀝青用量為5.6%，滿足規(guī)范中最低瀝青用量不低于5.2%的要求。

4 高模量瀝青混合料性能評(píng)價(jià)

4.1 高模量瀝青混合料力學(xué)性能評(píng)價(jià)

基于單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)明確兩種不同類型高模量瀝青混合料力學(xué)性能特點(diǎn)及其差異，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）相關(guān)規(guī)定，將由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制成的瀝青混合料試件取芯樣，得到高150mm、直徑100mm的試件，在15℃的溫度條件下采用基本性能試驗(yàn)儀（SPT）以10Hz的頻率對(duì)兩種不同類型的高模量瀝青混合料進(jìn)行加載測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可知，UC 改性高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量為17505MPa，PC改性高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量為14906MPa，均滿足《高模量瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范》（DB21/T 1754-2009）中動(dòng)態(tài)模量需達(dá)到14000MPa及以上的要求，但二者動(dòng)態(tài)模量存在較大差距，UC改性高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量較PC高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量提升了17.4%，分析認(rèn)為UC 改性劑增強(qiáng)瀝青與集料之間的加筋與粘結(jié)作用更強(qiáng)，使整個(gè)混合料形成穩(wěn)定整體，使得瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量得到較大提升，可見UC改性瀝青混合料力學(xué)性能更加優(yōu)異。

4.2 高模量瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

4.2.1 高模量瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能

基于車轍試驗(yàn)明確兩種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能特點(diǎn)及其差異，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）相關(guān)規(guī)定，將兩種高模量瀝青混合料制備的長(zhǎng)、寬、厚分別為300 mm、300 mm、50 mm的試件分別放入60℃恒溫室，靜置5h～12h后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，具體測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種高模量瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖2 可知，UC 高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度DS為6032 次/mm，PC 高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度（DS）為5145 次/mm，相較于PC 高模量瀝青混合料，UC 高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度（DS）提升17.24%，可見添加UC高模量改性劑對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響更為明顯。分析認(rèn)為，雖然UC高模量劑不與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在高溫條件下UC可通過加筋對(duì)軟化的瀝青起到補(bǔ)強(qiáng)作用，從而達(dá)到增加高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的效果。

4.2.2 高模量瀝青混合料低溫抗裂性能

基于低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)兩種高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能特點(diǎn)及其差異，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）相關(guān)規(guī)定，制備長(zhǎng)、寬、高分別為250 mm、30 mm、35 mm的小梁試件，將小梁試件放置于恒溫水槽保溫不少于45min，使其內(nèi)部溫度達(dá)到-10℃±0.5 ℃，同時(shí)開啟試驗(yàn)機(jī)保溫箱使其溫度達(dá)到-10℃±0.5 ℃，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速度為50mm/min，測(cè)定兩種小梁試件的破壞彎拉應(yīng)變，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種高模量瀝青混合料低溫抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，UC、PC兩種高模量瀝青混合料的破壞彎拉應(yīng)變分別為2086με、1832με，其中，PC高模量瀝青混合料不滿足《高模量瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范》（DB21/T 1754-2009）規(guī)范中高模量瀝青混合料破壞彎拉應(yīng)變應(yīng)大于1900με 的規(guī)定，相比而言，UC 高模量瀝青混合料較PC高模量瀝青混合料具有更加優(yōu)異的低溫抗裂性能，分析認(rèn)為，聚丙烯類改性劑PP比聚乙烯類改性劑UP對(duì)混合料的低溫抗裂性能具有更大的負(fù)面作用，導(dǎo)致PC高模量瀝青混合料破壞彎拉應(yīng)變不滿足規(guī)范要求，因此建議以UC高模量改性劑制備高模量瀝青混合料。

4.2.3 高模量瀝青混合料水穩(wěn)定性能

基于凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)兩種瀝青混合料的抗水損壞性能特點(diǎn)及其差異，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定制作馬歇爾試件，將真空飽水后的試件經(jīng)過一系列溫度措施處理后采用馬歇爾試驗(yàn)儀進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種高模量瀝青水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，在未凍融之前，PC高模量瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度高于UC高模量瀝青混合料，但在凍融之后其強(qiáng)度出現(xiàn)顯著下降，且其凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比（TSR）為68.65%，不滿足《高模量瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范》（DB21/T 1754-2009）中TSR≥80%的要求；而UC高模量瀝青混合料在凍融后強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為平緩，其TSR=88.85%，滿足《高模量瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范》（DB21/T 1754-2009）中TSR≥80%的要求?？梢奤C 高模量瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于PC高模量瀝青混合料，具有更強(qiáng)的抵抗水損害的能力。

5 結(jié)語

①UC高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量相較于PC高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量提升17.4%，說明UC高模量瀝青混合料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，在承受相同行車荷載情況下，UC高模量瀝青混合料更不易產(chǎn)生車轍等病害。

②相較于PC高模量瀝青混合料，UC高模量瀝青混合料水穩(wěn)定性能明顯改善，TSR提升幅度接近1.3倍；低溫抗裂性能增強(qiáng)顯著，破壞彎拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)13.86%；高溫穩(wěn)定性明顯提高，動(dòng)穩(wěn)定度提升17.24%；綜合考慮兩種高模量瀝青混合料的力學(xué)性能及路用性能表現(xiàn)，推薦采用UC高模量瀝青混合料。

③本文基于聚烯烴類物質(zhì)超高分子聚合物（UP）和聚丙烯（PP）開發(fā)了兩種高模量瀝青混合料改性劑，通過比較明確了高模量瀝青混合料制備方法，并對(duì)比評(píng)價(jià)了兩種高模量瀝青混合料力學(xué)性能和路用性能，后期可進(jìn)一步揭示改性劑微觀改性機(jī)理，并通過控制改性劑摻入比例或與其它改性材料復(fù)配等方式增強(qiáng)UC和PC 高模量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，為今后的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。