摘要：為提高瀝青路面的抗車轍性能，本文以臨臨高速公路瀝青路面鋪設(shè)工程為依托制備了高模量瀝青混合料，通過對(duì)該混合料的性能進(jìn)行監(jiān)測，分析了改性劑摻量、溫度、荷載頻率以及圍壓等因素對(duì)材料性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，摻加少量的高模量改性劑即可顯著提高瀝青混合料的高溫性能，改善瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性，且瀝青混合料具有良好的抗疲勞性能。

關(guān)鍵詞：抗車轍；高模量瀝青混合料；性能；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U414"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）S1?0186?05

0 引言

瀝青混合料作為面層具有很好的行車舒適性，且具有方便施工、后期維護(hù)及修補(bǔ)方法簡便的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國大部分地區(qū)，并將逐漸取代傳統(tǒng)水泥混凝土路面。

由于交通量激增以及重載、超載等因素，瀝青路面的車轍病害日趨嚴(yán)重。發(fā)生車轍病害的路面由于輪跡處的車轍變形，會(huì)降低路面的使用功能，并影響行車舒適性和安全性。研究表明，路面車轍在很大程度上是剪應(yīng)力作用下瀝青混合料塑性流動(dòng)的結(jié)果。發(fā)生車轍病害的瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青面層的永久變形量占路面車轍總量的70%以上，并且其比重隨瀝青層厚度的增加而增大[1]。因此，防治瀝青路面車轍病害的關(guān)鍵在于控制面層瀝青混合料的永久變形。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作[2?4]，其中一種有效方法是采用高模量瀝青混合料（High modulus asphalt concrete，HMAC），即通過提高瀝青混合料的模量提高路面的抗車轍能力。目前，國際上提高瀝青混合料的模量主要通過采用硬質(zhì)瀝青和外摻添加劑等方式實(shí)現(xiàn)[5]。

本文通過對(duì)臨臨高速公路瀝青路面AC?13和AC?20混合料配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，摻加某高模量劑，室內(nèi)拌制了AC?13和AC?20兩種高模量瀝青混合料，通過室內(nèi)試驗(yàn)檢驗(yàn)了高模量瀝青混合料的路用性能和力學(xué)性能，分析了改性劑摻量、溫度、荷載頻率以及圍壓等因素對(duì)材料性能的影響規(guī)律。

1 制備方法

瀝青作為有機(jī)高分子材料的一種，與其他材料相同，也會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象。老化后的瀝青與老化前的瀝青相比，性質(zhì)和結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生變化，通常情況下硬度會(huì)增大，脆性會(huì)增強(qiáng)。在瀝青混合料制備的過程中，拌和溫度較高并且與空氣接觸面大，老化易于發(fā)生。為了緩解瀝青老化所帶來的負(fù)面影響，向?yàn)r青中加入改性劑來制備改性瀝青成為國際上的常用方法，此舉不僅能改善了瀝青的耐老化性，并且在溫度穩(wěn)定性、耐久性和水穩(wěn)定性等方面都有良好的表現(xiàn)。

1.1 SBR 改性瀝青制備工藝

本研究對(duì)比參考近些年國內(nèi)外制備改性瀝青的方法，選擇高速剪切法制備SBR改性瀝青，將SBR改性劑粉末加入基質(zhì)瀝青中以制備改性瀝青，采用轉(zhuǎn)速可達(dá)10"000r/min以上的LBH?3B型全自動(dòng)高速改性瀝青剪切機(jī)來制備。具體制備步驟為：

（１）稱取一定質(zhì)量的基質(zhì)瀝青于試驗(yàn)缸中，將試驗(yàn)缸放入烘箱內(nèi)并將烘箱溫度調(diào)至170℃，使基質(zhì)瀝青完全融化呈流體狀態(tài)并且溫度達(dá)到170℃。

（２）按比例稱取一定質(zhì)量的SBR改性劑粉末，并將其加入170℃的基質(zhì)瀝青當(dāng)中，用攪拌棒人工攪拌20min。

（３）將攪拌后的SBR改性瀝青倒入已經(jīng)預(yù)熱到170℃的剪切機(jī)缸體中，把剪切頭深入SBR改性瀝青中溶脹20min，使其完全溶脹。

（４）啟動(dòng)剪切機(jī)對(duì)SBR改性瀝青進(jìn)行剪切，并將剪切機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至3"000rad/min剪切30min，之后將剪切機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)至5"500rad/min剪切45min，隨后按瀝青質(zhì)量的0%、10%、20%和30%稱取高模量劑加入SBR改性瀝青中，在180℃下剪切15min。

（５）剪切完成后，將其放入170℃環(huán)境下發(fā)育2小時(shí)，主要表現(xiàn)為改性瀝青無氣泡、無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，表面平整光滑反光。

1.2 高模量復(fù)合改性瀝青混合料制備工藝

目前，世界上改性瀝青混合料的制備方法主要有以下兩種，即干拌法和濕拌法。本研究選用干拌法制備高模量復(fù)合改性瀝青混合料，制備的具體步驟為：

（１）根據(jù)確定的級(jí)配曲線按一定比例稱取不同粒徑大小的礦料，將配制好的集料稱量烘干后放入預(yù)先設(shè)定溫度為180℃的烘箱內(nèi)加熱5小時(shí)；

（２）待集料表面溫度達(dá)到180℃時(shí)，將集料與預(yù)先按一定比例稱量好的高模量外摻劑一同倒入溫度為180℃的拌和鍋內(nèi)進(jìn)行拌和，拌和時(shí)間為3min；

（３）待集料與高模量外摻劑充分?jǐn)嚢韬?，將預(yù)先加熱至170℃的SBR改性瀝青按比例稱取一定質(zhì)量后，倒入拌和鍋中，再次啟動(dòng)拌和鍋拌和3min，待SBR改性瀝青與集料和高模量外摻劑充分?jǐn)嚢韬蠹尤腩A(yù)先按比例稱量好的礦粉再攪拌3min。

2 高模量劑及瀝青混合料設(shè)計(jì)

采用的高模量劑由多種高分子聚合物混煉而成，其主要成分包括聚乙烯、聚丙烯等，其作用原理為提高混合料中瀝青結(jié)合料的黏度，并對(duì)集料產(chǎn)生加筋作用，從而提高瀝青混合料的模量。改性劑的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

試驗(yàn)采用AC?13和AC?20兩種常用瀝青混合料級(jí)配，設(shè)計(jì)級(jí)配如表2所示。所用石料為淄博產(chǎn)石灰?guī)r，填充料為石灰?guī)r磨制礦粉，結(jié)合料為齊魯石化70#瀝青，設(shè)計(jì)瀝青用量分別為4.7%（AC?13）和4.3%（AC?20），改性劑的摻量分別為0%、0.3%和0.5%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 路用性能

分別以車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的路用性能，試驗(yàn)結(jié)果列于表3～表5中。表3中，車轍試驗(yàn)溫度為60℃時(shí)，改性劑0.3%摻量和0.5%摻量的動(dòng)穩(wěn)定度分別比未摻加改性劑時(shí)提高了234.7%和648.3%，與同類改性劑相比具有優(yōu)勢[6]；在70℃時(shí)0.3%摻量和0.5%摻量的試驗(yàn)結(jié)果仍可達(dá)2"244和3"917次/mm，表明改性劑可顯著提高瀝青混合料的高溫性能。由表4可以看出，添加改性劑的瀝青混合料的彎拉應(yīng)變與空白樣相比有所增加，表明改性劑對(duì)瀝青混合料的低溫性能也有一定的改善作用，但0.3%摻量時(shí)的改善效果優(yōu)于0.5%摻量。由表5的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻加改性劑后，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比TSR提高了7%～12%，表明改性劑有助于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但0.3%和0.5%摻量的試驗(yàn)結(jié)果變化不大。

采用四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的疲勞性能。疲勞試驗(yàn)在20℃下進(jìn)行，采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變水平取400με，施加連續(xù)半正矢波荷載，荷載頻率為10Hz。取試件勁度降低到初始勁度50%時(shí)的加載次數(shù)作為疲勞壽命[9]。表6給出了疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可見兩種高模量瀝青混合料均有較高的疲勞壽命。

3.2 力學(xué)性能

利用基本性能試驗(yàn)系統(tǒng)測定了0.5%改性劑摻量時(shí)高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量 和相位角 。試驗(yàn)依據(jù)NCHRP 9?29方法[7]進(jìn)行，試驗(yàn)溫度、荷載頻率及圍壓組合列于表7中。

圖1和圖2分別為無圍壓條件下高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角的試驗(yàn)結(jié)果。由圖1可以看出，溫度和加載頻率對(duì)動(dòng)態(tài)模量和相位角均有較大影響。溫度升高或荷載頻率減小時(shí)，動(dòng)態(tài)模量減小。但本文中高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，明顯高于同溫度下普通瀝青混合料及改性瀝青混合料[8]，表明其高溫性能良好。

瀝青混合料的相位角表征其黏性成分和彈性成分的相對(duì)大小，相位角增加表示材料的黏性性質(zhì)增加。研究表明，溫度較低時(shí)瀝青混合料的相位角隨著荷載頻率的增加而減??；溫度較高時(shí)，相位角隨著荷載頻率的增加而增大；中等溫度時(shí)相位角隨著頻率的增加先增大后減小[9]。圖2兩種高模量瀝青混合料的“中溫”均約為55℃，比普通瀝青混合料和改性瀝青混合料提高了15℃～20℃[8?10]，這也體現(xiàn)了高模量瀝青混合料在抗高溫車轍上的性能優(yōu)勢。

圖3和圖4分別為高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角與圍壓的關(guān)系（本文僅列出4.4℃和55℃的試驗(yàn)結(jié)果）?？梢钥闯?，低溫時(shí)動(dòng)態(tài)模量和相位角受圍壓的影響較?。浑S著溫度的升高，圍壓對(duì)動(dòng)態(tài)模量和相位角的影響逐漸增大。動(dòng)態(tài)模量隨著圍壓的增加而增大，溫度越高增加幅度越大。相位角在低溫、中溫時(shí)均隨圍壓的增加而減小，高溫低頻時(shí)亦是如此；在高溫高頻時(shí)則隨著圍壓的增加先減小再增大，這既與自身瀝青膠結(jié)料性質(zhì)和礦料骨架結(jié)構(gòu)有關(guān)，又與圍壓和荷載頻率密切相關(guān)。

?3.3 旋轉(zhuǎn)黏度

在美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范）中提出了135℃旋轉(zhuǎn)黏度不得超過Pa s的技術(shù)要求，以控制改性瀝青的施工和易性。當(dāng)路面溫度達(dá)到60℃時(shí)，可以反映夏季路面的高溫狀況。因此，60℃旋轉(zhuǎn)黏度也應(yīng)作為參考指標(biāo)。對(duì)摻入兩種溫拌劑的瀝青進(jìn)行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)。瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)黏度均有所降低，其中在加入表面活性類溫拌劑后SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度降低得不明顯；而瀝青的60℃旋轉(zhuǎn)黏度均出現(xiàn)了不同程度的增大，其中在加入有機(jī)蠟類溫拌劑后SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度增大明顯，這表明有機(jī)蠟類溫拌劑能夠顯著改善瀝青膠結(jié)料的高溫抗變形能力。

3.4 延度

5℃延度作為評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的指標(biāo)，在一定程度上反映了瀝青的溫度敏感性。對(duì)摻加兩種溫拌劑的瀝青進(jìn)行延度試驗(yàn)，加載速率為1cm/min，在摻加表面活性類溫拌劑后，瀝青的5℃延度略有增加。這說明有機(jī)蠟類溫拌劑對(duì)瀝青的低溫性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，但近年來工程界對(duì)延度指標(biāo)與瀝青低溫性能的相關(guān)性有所質(zhì)疑。目前普遍通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)，根據(jù)勁度模量和蠕變速率來評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能。

4 結(jié)論

本文在臨臨高速公路瀝青路面AC?13和AC?20混合料配合比設(shè)計(jì)中摻加少了高模量劑，設(shè)計(jì)了高模量瀝青混合料，進(jìn)行了性能與改性劑摻量的關(guān)系分析研究，結(jié)果表明高模量瀝青混合料的高溫性能顯著提高，低溫性能和水穩(wěn)定性有所改善，且具有良好的抗疲勞性能。通過動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)測定了高模量瀝青混合料的力學(xué)性能，分析了溫度、荷載頻率和圍壓對(duì)高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角的影響規(guī)?律。

參考文獻(xiàn)：

1. 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院. 瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)研究[R]. 北京： 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 2008， 01.
2. Tongyan Pan， Erol Tutumluer and Samuel H. Carpenter： Rutting Behavior of NCAT Pavement Test Track Superpave Asphalt Mixes Analyzed For Aggregate Morphology Effects[J]. AAPT， 2006.
3. 喬英娟， 王抒紅， 郭忠印. 基于側(cè)向位移法的瀝青路面抗車轍影響因素[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版） ， 2009， 37（11）： 148 7?1491.
4. Capitao， Silvino Dias， Picado?Santos，Luis. Assessing Permanent Def ormation Resistance of High Modulus Asphalt Mixtures[J]. Journal of Transportation Engineering， 2006， 132（5）.
5. 胡玲玲， 盧輝， 張肖寧. 高模量瀝青混合料模量對(duì)比評(píng)價(jià)[J]. 公路， 2009， （7）： 308?311.
6. 李洪斌. 高模量瀝青混合料路用性能的試驗(yàn)研究[J]， 公路， 2011， （2）： 123?126.
7. NCHRP Project 9?29， Simple Performance Tester for Superpave Mix Design[S]. 2004.
8. 周鍵煒， 王大明， 白琦峰. 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線研究[J]. 公路工程， 2009， 34（05）： 60?62 78.
9. 馬翔， 倪富健， 陳榮生. 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)及模型預(yù)估[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2008（03）： 35?39 52.
10. 趙延慶， 吳劍， 文健. 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及其主曲線的確定與分析[J]. 公路， 2006（08）： 163?167.