陳文鋒， 周加佳， 佘 凱

(中電建路橋集團(tuán)有限公司， 北京 100010)

中國(guó)幅員遼闊、跨越多個(gè)溫區(qū)。因此，針對(duì)不同的環(huán)境條件，需要開(kāi)展瀝青路面不同結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土使用性能及適用性的研究，從而更好地減少瀝青路面的損害，增加瀝青路面的使用壽命[1]。

廣東省屬于東亞季風(fēng)氣候，夏季溫度高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，年降雨量達(dá)到1 500～2 000 mL，屬于典型的高溫多雨地區(qū)。因此，在氣候條件和重載交通的作用下，瀝青路面面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)[2]。為了提升高溫多雨條件下瀝青混合料的耐久性能，研究人員在實(shí)踐中探究出了GAC混合料，并逐漸得到推廣和應(yīng)用。呂瑞[3]以實(shí)際工程為依托，對(duì)比分析了GAC-16混合料、AC-16混合料的性能，結(jié)果表明，相比于AC-16混合料，GAC-16混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。張永升等[4]研究了GAC混合料適用于高溫多雨地區(qū)的可行性，結(jié)果表明，GAC-16、GAC-20的粗集料比均為0.4～1.0，能夠很好地提高瀝青混合料的壓實(shí)度，減少離析；GAC-16具有較好的抗滑性和抗?jié)B水性，更適合于瀝青路面的面層，GAC-20具有較好的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，適用于瀝青路面的中面層。咸紅偉[5]通過(guò)控制關(guān)鍵篩孔通過(guò)率以及級(jí)配嵌擠試驗(yàn)研究了GAC-20混合料的設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明，GAC-20混合料的高溫穩(wěn)定性和密水性具有明顯的提升。Sun等[6]利用分型理論建立了分型維數(shù)和GAC-20混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等路用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)模型，結(jié)果表明，模型能夠很好地預(yù)測(cè)GAC-20混合料的低溫性能，能夠很好提高效率，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。官中良[7]依托接惠高速公路建設(shè)項(xiàng)目，研究了GAC-20混合料對(duì)滲水性能的影響。綜上所述，目前對(duì)GAC混合料在實(shí)際工程運(yùn)用中的研究較多。但對(duì)GAC-20和AC-20混合料的性能比對(duì)研究較少，且基于GAC-20為中面層的瀝青路面鋪裝結(jié)構(gòu)性能的研究比較缺乏。此外，結(jié)合近年來(lái)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)防水的理念，需要通過(guò)提高GAC-20混合料的壓實(shí)效果，減少離析，提高整體結(jié)構(gòu)的防水性能。

因此，本文通過(guò)摻加復(fù)合高模量改性劑以及級(jí)配優(yōu)化，設(shè)計(jì)改進(jìn)型GAC-20混合料，并對(duì)GAC-20混合料的路用性能、鋪裝結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn)，以更好地探究GAC-20混合料在高溫多雨條件下的耐久性能。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

本文采用的玄武巖、石灰?guī)r來(lái)自英德大灣石場(chǎng)，礦粉來(lái)自佛山市三水區(qū)南山鎮(zhèn)宏達(dá)市場(chǎng)加工廠，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。70#基質(zhì)瀝青由廈門新立基股份有限公司提供。瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

益道?復(fù)合高模量改性劑由中路交科集團(tuán)提供，是一種直投式高分子改性劑，具備速溶性優(yōu)、易密實(shí)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合高模量劑如圖1所示。

圖1 復(fù)合高模量劑

益道?復(fù)合高模量劑通過(guò)在特定分子量彈性體上接枝具有特定結(jié)構(gòu)的聚烯烴側(cè)鏈，賦予瀝青混合料良好的抗剪切變形能力與彈性恢復(fù)能力。此外，益道?復(fù)合高模量劑的彈性主鏈與剛性側(cè)鏈形成的雙相聚集態(tài)結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度與低溫韌性。復(fù)合高模量劑作用機(jī)理如圖2所示，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 復(fù)合高模量劑作用機(jī)理

表2 益道?復(fù)合高模量劑的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 改性瀝青基本性能測(cè)試

摻入0%、1%、2%、3%、4% 5種不同摻量的復(fù)合高模量改性基質(zhì)瀝青(瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù))，并測(cè)試瀝青的延度、軟化點(diǎn)、針入度等基本性能。測(cè)試方法按照《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JFG E20—2011)進(jìn)行試驗(yàn)[8]。測(cè)試樣品如圖3所示。

圖3 3個(gè)指標(biāo)測(cè)試樣品

1.2.2 瀝青黏度測(cè)試

采用布洛克菲爾德黏度計(jì)旋轉(zhuǎn)法測(cè)定復(fù)合高模量改性瀝青的黏度。當(dāng)讀數(shù)穩(wěn)定后，每隔60 s讀數(shù)一次，連續(xù)讀數(shù)3次，以3次讀數(shù)的平均值作為測(cè)定值。

1.2.3 級(jí)配優(yōu)化

常規(guī)GAC-20混合料關(guān)鍵篩孔4.75 mm的通過(guò)率通?？刂圃?38±1)%。本文通過(guò)增加適量粗集料以及控制細(xì)集料的用量對(duì)GAC-20的級(jí)配進(jìn)行了優(yōu)化。其中，控制4.75 mm的通過(guò)率為(39±1)%，0.075 mm的通過(guò)率為(5.5±0.5)%，使改進(jìn)型GAC-20混合料級(jí)配曲線呈現(xiàn)更加平緩的S形曲線。

1.2.4 改進(jìn)型GAC-20混合料性能試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)型GAC-20混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)，驗(yàn)證改進(jìn)型GAC-20混合料的路用性能。測(cè)試方法按照《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JFG E20—2011)進(jìn)行試驗(yàn)[8]。

1.2.5 改進(jìn)型GAC-20鋪裝結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)

結(jié)合實(shí)際工程，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入復(fù)合結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)和CT三維掃描技術(shù)試驗(yàn)方法，對(duì)采用常規(guī)GAC-20和改進(jìn)型GAC-20中面層混合料的路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能和壓實(shí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.5.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)

1)利用厚度為20 cm的車轍試模，按圖4所示在室內(nèi)成型復(fù)合結(jié)構(gòu)試件。

圖4 界面約束復(fù)合車轍板試件

2)進(jìn)行室內(nèi)復(fù)合試件的車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為3 h。其中在第1、2、3 h時(shí)分別記錄動(dòng)穩(wěn)定度和車轍變形量。

1.2.5.2 CT掃描試驗(yàn)

采用CT三維掃描技術(shù)與數(shù)字圖像處理相結(jié)合的方法，對(duì)比分析兩種鋪裝結(jié)構(gòu)的壓實(shí)效果。CT三維掃描技術(shù)的基本工作原理是：利用X射線對(duì)試件以掃描的方式從多方向透射其斷層，用探測(cè)器對(duì)透射后發(fā)生衰減的射線進(jìn)行采集，進(jìn)行二維或三維灰度圖像重建[9-10]。掃描原理如圖5[11]所示，CT技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 CT技術(shù)性能參數(shù)

圖5 CT掃描原理[11]

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青基本性能測(cè)試結(jié)果

隨著復(fù)合高模量添加劑摻量的增加，改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)以及延度表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。瀝青基本性能試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，摻量為1%、2%、3%、4%時(shí)，瀝青的針入度分別為6.0、5.5、4.6、3.3 mm，與原樣瀝青相比，分別降低了0.7、1.2、2.1、3.4 mm；瀝青的軟化點(diǎn)分別為57、64、70、79 ℃，與原樣瀝青相比，分別提高了9、16、22、31 ℃；瀝青的延度分別為26、21、17、14 mm，與原樣瀝青相比，分別降低了5、10、14、17 mm。

圖6 瀝青基本性能試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，隨著復(fù)合高模量添加劑摻量的增加，瀝青的軟化點(diǎn)逐漸升高、針入度逐漸降低，復(fù)合高模量劑很好地提升了瀝青的高溫性能。這可能的原因是，復(fù)合高模量添加劑的摻入使瀝青的性質(zhì)更接近于彈性體，提高了瀝青的高溫性能[12]。此外，隨著復(fù)合高模量添加劑的摻入的增加，瀝青的延度逐漸降低。因此，需要降低復(fù)合高模量劑的摻量，以確保瀝青延度能夠滿足規(guī)范要求。

2.2 瀝青黏度測(cè)試結(jié)果

瀝青混凝土的高溫性能與壓實(shí)效果和瀝青膠結(jié)料的黏度相關(guān)。其中，60 ℃黏度比較貼近實(shí)際中路面瀝青黏度，瀝青黏度值越大，瀝青路面在荷載作用下的抗車轍性能越好[13]；而135 ℃的黏度對(duì)應(yīng)的是在施工時(shí)的和易性，且降低135 ℃黏度可以保證在橋面等溫度散失速率較快的條件下仍具有良好的壓實(shí)效果，提高防水性能[8]。復(fù)合高模量改瀝青的60 ℃黏度、135 ℃的黏度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 瀝青黏度試驗(yàn)

由圖7可知，隨著復(fù)合高模量添加劑摻量的增加，瀝青的60 ℃黏度逐漸增加。其中，摻入1%、2%、3%、4%時(shí)，60 ℃黏度分別為792、1 180、1 620、2 160 Pa·s，與原樣瀝青相比，分別提升了538、926、1 366、1 906 Pa·s。此外，隨著復(fù)合高模量添加劑摻量的增加，瀝青的135 ℃黏度逐漸降低。其中，摻入1%、2%、3%、4%時(shí)，135 ℃黏度分別為0.45、0.41、0.35、0.31 Pa·s，與原樣瀝青相比，分別降低了10%、18%、30%、38%。

綜上所述，復(fù)合高模量添加劑的摻入，提高了瀝青的60 ℃黏度，降低了瀝青的135 ℃黏度。因此，復(fù)合高模量的摻入能夠很好地提升瀝青的高溫性能，改善改進(jìn)型GAC-20混合料的施工和易性。

2.3 改進(jìn)型GAC-20級(jí)配設(shè)計(jì)及最佳油石比

根據(jù)控制關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率，改進(jìn)型GAC-20混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)如表4、圖8所示。

圖8 改進(jìn)型GAC-20級(jí)配曲線

表4 改進(jìn)型GAC-20混合料配合比

通過(guò)對(duì)比不同復(fù)合高模量添加劑摻量下瀝青的基本性能試驗(yàn)結(jié)果以及考慮復(fù)合高模量瀝青混合料路面施工成本[14]。本文選擇以1%的復(fù)合高模量劑改性瀝青，并制備改進(jìn)型GAC-20混合料。通過(guò)馬歇爾體積設(shè)計(jì)方法，確定改進(jìn)型GAC-20混合料的體積參數(shù)以及最佳油石比。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 改進(jìn)型GAC-20混合料馬歇爾體積參數(shù)

2.4 改進(jìn)型GAC-20混合料性能試驗(yàn)

通過(guò)高溫性能、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性對(duì)改進(jìn)型GAC-20混合料的路用性能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 改進(jìn)型GAC-20混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，改進(jìn)型GAC-20混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為8 433次/mm，殘留穩(wěn)定度比為90.5%，劈裂強(qiáng)度比為87.5%，破壞應(yīng)變?yōu)? 982.9。綜上可知，改進(jìn)型GAC-20混合料的各項(xiàng)路用性能均滿足施工技術(shù)規(guī)范對(duì)中面層瀝青混合料的技術(shù)要求。

此外，為了評(píng)價(jià)改進(jìn)型GAC-20混合料在高溫多雨地區(qū)的耐久性。本文通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)，對(duì)比分析了改進(jìn)型GAC-20、GAC-20和普通AC-20混合料的抗水損害性能以及高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

表7 不同瀝青混合料類型的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表8 不同瀝青混合料類型的車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，不同類型瀝青混合料中，改進(jìn)型GAC-20混合料的殘留強(qiáng)度比均表現(xiàn)出一定的提升。其中，改進(jìn)型GAC-20混合料殘留強(qiáng)度比為87.5%，與改性瀝青GAC-20、AC-20相差不大，與基質(zhì)瀝青GAC-20、AC-20相比，分別提升了6.3%、5.9%。因此，改進(jìn)型的GAC-20混合料能夠提升瀝青混合料的抗水損害性能。

由表8可知，改進(jìn)型GAC-20混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于其他瀝青混合料類型。其中，改進(jìn)型GAC-20混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為8 433次/mm，與基質(zhì)瀝青GAC-20、AC-20混合料相比，分別提升了4.96倍、6.48倍，與改性瀝青GAC-20、AC-20混合料相比，分別提升了1.55倍、1.74倍。因此，改進(jìn)型GAC-20混合料表現(xiàn)出較好的抗車轍性能。

2.5 改進(jìn)型GAC-20鋪裝結(jié)構(gòu)性能

2.5.1 復(fù)合車轍試驗(yàn)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)改進(jìn)型GAC-20混合料在實(shí)際工程應(yīng)用中的高溫穩(wěn)定性，對(duì)比分析兩種不同鋪裝結(jié)構(gòu)的復(fù)合車轍試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種結(jié)構(gòu)類型復(fù)合試件1 h內(nèi)的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比

由圖9可知，兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)穩(wěn)定度隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)均逐漸增加，這主要由于碾壓之后的每種鋪裝結(jié)構(gòu)空隙率降低，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。此外，結(jié)構(gòu)2的動(dòng)穩(wěn)定度較結(jié)構(gòu)1高，其中，GAC-20混合料的第1 h穩(wěn)定度達(dá)到6 095次/mm，第2 h為11 069次/mm，第3 h為12 791次/mm。因此，采用4 cm SMA-13+6 cm改進(jìn)型GAC-20+8 cm GAC-25的鋪裝結(jié)構(gòu)具有較好的抗車轍性。

2.5.2 CT掃描試驗(yàn)

為了量化結(jié)構(gòu)2空隙率的降低結(jié)果，通過(guò)對(duì)掃描結(jié)果的圖像進(jìn)行分析來(lái)準(zhǔn)確定位瀝青混合料的內(nèi)部骨料、空隙及裂紋等各組成部分的分布狀態(tài)。圖10中黑色代表空隙，深灰色代表集料，淺灰色代表瀝青膠漿[12]。

圖10 界面掃描結(jié)果

由圖10可知，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2中面層與上面層黏結(jié)界面處的形貌具有明顯的差異。其中，結(jié)構(gòu)2界面處更加密實(shí)，孔隙明顯少于結(jié)構(gòu)1。這說(shuō)明采用改進(jìn)型GAC-20混合料的復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)具有更好的密水性能，從而使瀝青路面擁有較好的抗水損害能力。

采用Origin軟件進(jìn)行灰度值分析計(jì)算出界面的空隙率，繪制灰度-概率密度分布曲線[15-16]，如圖11所示。瀝青混合料內(nèi)部及界面處空隙率如圖12所示。

圖11 灰度-概率密度分布曲線

圖12 兩種結(jié)構(gòu)類型的空隙率

由圖12可知，與結(jié)構(gòu)1相比，結(jié)構(gòu)2的界面處空隙率降低了約0.8%，內(nèi)部空隙率降低約0.7%。因此，采用結(jié)構(gòu)2能夠有效地降低界面處的空隙率，從而提高鋪裝面層與原路面層黏結(jié)效果，使瀝青路面達(dá)到更好的壓實(shí)效果。

3 結(jié)論

通過(guò)改性瀝青以及級(jí)配優(yōu)化對(duì)瀝青路面中面層的GAC-20混合料進(jìn)行改進(jìn)，以提升瀝青混合料在高溫多雨地區(qū)的耐久性。主要結(jié)論如下：

1)復(fù)合高模量劑的摻入降低了瀝青的針入度、135 ℃黏度，提高了瀝青的軟化點(diǎn)、60 ℃黏度，使瀝青的高溫性能和施工和易性得到了改善。

2)通過(guò)控制4.75 mm通過(guò)率[(39±1)%]，0.075 mm通過(guò)率[(5.5±0.5)%]，使改進(jìn)型GAC-20混合料的級(jí)配曲線呈現(xiàn)更平緩的S形。

3)復(fù)合高模量劑的摻入很好地提升了改進(jìn)型GAC-20混合料的路用性能。其中，高溫穩(wěn)定性提升了4.96倍。

4)改進(jìn)型GAC-20混合料在4 cm SMA-13+6 cm改進(jìn)型GAC-20+8 cm GAC-25的鋪裝結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出了很好的抗車轍性；此外，采用此鋪裝結(jié)構(gòu)，界面處空隙率降低約0.8%，內(nèi)部空隙率降低約0.7%，有效提高了鋪裝面層與原路面層黏結(jié)效果，實(shí)現(xiàn)了較好的壓實(shí)效果。