【摘要】高模量瀝青混合料有利于提高路面結(jié)構(gòu)的承載能力和抵抗車(chē)轍的能力，而硬質(zhì)瀝青母粒在提升瀝青混合料的模量與高溫性能方面發(fā)揮著重要作用。文中從瀝青混合料的角度探討硬質(zhì)瀝青母粒提高瀝青混合料模量方面進(jìn)行研究，將硬質(zhì)瀝青母粒與70 #瀝青按照7：3的比例參配制備高模量瀝青混合料。采用LCPC設(shè)計(jì)方法，測(cè)試高模量瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫性能、力學(xué)性能、抗疲勞性能和高溫性能等路用性能指標(biāo)。通過(guò)內(nèi)摻和外摻兩種方法制備瀝青混合料，測(cè)試不同添加方法對(duì)高模量瀝青混合料的孔隙率和高溫性能的影響。

【關(guān)鍵詞】硬質(zhì)瀝青；高模量瀝青混合料；路用性能；抗疲勞性能

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU528.42" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）04-0028-04

0" 引言

高模量瀝青混合料被認(rèn)為是解決高溫、重載下瀝青路面車(chē)轍問(wèn)題的理想材料[1]。自1980年起，以法國(guó)為代表的歐洲地區(qū)已經(jīng)開(kāi)展了高模量瀝青混合料的試驗(yàn)研究，研究表明高模量瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗疲勞性和水穩(wěn)定性[2]。高模量的瀝青混合料被實(shí)際應(yīng)用到高速公路路面鋪裝中用來(lái)解決路面車(chē)轍問(wèn)題。目前，高模量瀝青制備方法主要有三種：直接采用低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青；基質(zhì)瀝青中添加天然瀝青，如巖瀝青、湖瀝青等；基質(zhì)瀝青中添加改性劑，如高模量劑、抗車(chē)轍劑、聚乙烯或聚丙烯等[3，4]。

高模量硬質(zhì)瀝青母粒是某煉油銷(xiāo)售有限公司以重質(zhì)原油為原料，采用減壓蒸餾、溶劑脫瀝青、氧化、調(diào)和等工藝進(jìn)行生產(chǎn)的，是專(zhuān)門(mén)為重載交通長(zhǎng)壽命瀝青路面開(kāi)發(fā)的高黏度瀝青產(chǎn)品[5]。為了解決重載交通在高溫條件下路面車(chē)轍的問(wèn)題，開(kāi)展硬質(zhì)瀝青高模量瀝青混合料的試驗(yàn)研究，高溫性能良好，實(shí)際工程具有良好的耐久性[6]。為了解決瀝青混合料中RAP材料的用量，引入高模量瀝青混合料對(duì)RAP材料進(jìn)行再生，TLA（湖瀝青）改性的硬質(zhì)瀝青膠結(jié)料具有更好的抗車(chē)轍性，疲勞和抗裂性低于老化[7]。針對(duì)重載交通高速公路常見(jiàn)的疲勞裂縫和水損害問(wèn)題，引入高模量瀝青混合料，試驗(yàn)路段的高模量瀝青路面使用狀況良好，路面開(kāi)裂、車(chē)轍、坑槽等病害比常規(guī)路段減少2/3[8]。采用Honeywell 7686作為高模量劑，制備高模量改性瀝青和AC-20型瀝青混合料，高模量瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性[9]。對(duì)比分析這兩種高模量瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和普通瀝青混合料，這兩種高模量瀝青混合料在抵抗車(chē)轍方面具有更好效果；低溫抗裂性方面，高模量劑的加入使瀝青混合料低溫性能有所降低[10]。為評(píng)價(jià)不同復(fù)合改性硬質(zhì)瀝青混合料的路用性能，將高模量劑（HMA）、湖瀝青（TLA）和巖瀝青（BRA）分別與SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，制備三種復(fù)合改性硬質(zhì)瀝青，HMA+SBS瀝青混合料在高溫性能和水穩(wěn)定性能方面表現(xiàn)最優(yōu)異[11]。

將高模量硬質(zhì)瀝青母粒添加到70#瀝青中，根據(jù)復(fù)合后瀝青的指標(biāo)，通過(guò)室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)，對(duì)條件和非條件兩種高模量瀝青混合料進(jìn)行不同空隙率下的劈裂強(qiáng)度測(cè)試，低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)試溫度-10 ℃。ITSM模量試驗(yàn)溫度選擇15 ℃和20 ℃。兩點(diǎn)梯形梁疲勞試驗(yàn)選擇應(yīng)力水平為130 με。車(chē)轍試驗(yàn)選擇中國(guó)和法國(guó)兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。研究不同添加方法對(duì)高模量瀝青混合料的空隙率和高溫性能的影響，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1" 原材料及級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1" 硬質(zhì)瀝青母粒

文中采用某煉油銷(xiāo)售公司提供的高模量硬質(zhì)瀝青母粒作為瀝青添加劑，采用某瀝青有限公司生產(chǎn)的70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，兩者按照7：3的比例進(jìn)行了復(fù)配。復(fù)配后，根據(jù)JTG E20―2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.2" 礦料

采用石灰?guī)r作為粗集料、細(xì)集料和礦粉，并根據(jù)JTG E42―2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的要求對(duì)其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2、表3和表4所示，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.3" 級(jí)配設(shè)計(jì)

依據(jù)法國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)理念，優(yōu)選一個(gè)級(jí)配進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，確定高模量瀝青混合料的壓實(shí)特性。通過(guò)K值控制膠結(jié)料的用量，根據(jù)式（1）計(jì)算K值，當(dāng)豐度系數(shù)K＞3.4時(shí)符合規(guī)范要求。

式（1）

瀝青的用量取決于集料級(jí)配。集料設(shè)計(jì)的級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。根據(jù)集料的目標(biāo)級(jí)配確定式（1）中的系數(shù)，式（1）中系數(shù)如表5所示。當(dāng)瀝青混合料的油石比為5.4%時(shí)，豐度系數(shù)K值為3.41＞3.4，滿(mǎn)足要求，此時(shí)瀝青用量為70#瀝青與高模量硬質(zhì)瀝青母粒的總重量。

1.4" 拌和壓實(shí)溫度的確定

在進(jìn)行瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)之前，測(cè)試復(fù)配后瀝青的黏度來(lái)確定瀝青混合料的壓實(shí)溫度和拌合溫度。測(cè)試溫度為135 ℃和145 ℃ ，測(cè)試結(jié)果瀝青混合料的拌和溫度為172 ℃和壓實(shí)溫度為163.4 ℃ 。

2" 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.1" 水穩(wěn)定性

測(cè)試耐久性高模量瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度，TSR試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。TSR值為97.5%≥80%，抗水損害性能滿(mǎn)足要求。

2.2" 低溫性能

對(duì)耐久性高模量瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃ ，速率為50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果最低破壞應(yīng)變?yōu)?811.3 με，平均破壞應(yīng)變?yōu)?925.9 με，均大于1800 με，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.3" 力學(xué)性能

采用間接拉伸試驗(yàn)（ITSM）測(cè)試耐久性高模量瀝青混合料的模量，試驗(yàn)溫度選擇15 ℃和20 ℃ 。采用鉆芯試件，試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為Φ100×H50 mm。首先，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓成高度為120 mm左右的試件。其次，用取芯機(jī)從試件中取出直徑為Φ100 mm的芯樣。最后，用雙面鋸切符合高度要求的試件。

施加的荷載為Haversine波，加載時(shí)脈沖形狀如圖2所示。圖2中，1是荷載脈沖峰值，2表示荷載脈沖重復(fù)時(shí)間為3±0.1 s，3為荷載脈沖上升時(shí)間為124±4 ms。模量試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從表中可以看出，耐久性高模量瀝青混合料的ISTM模量在溫度為15 ℃和20 ℃時(shí)，均滿(mǎn)足要求。

2.4" 抗疲勞性能

根據(jù)歐標(biāo)EN 12697-24中附錄A的試驗(yàn)方法，采用兩點(diǎn)梯形梁疲勞試驗(yàn)對(duì)耐久性高模量瀝青混合料試件疲勞性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)要求是在應(yīng)變水平為130 με下荷載循環(huán)次數(shù)≥100萬(wàn)次，試驗(yàn)溫度為10 ℃ ，頻率為25 Hz。在梯形梁試件上施加正弦荷載，直到試件破壞為止。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。從表中可以看出，在應(yīng)變?yōu)?30 με下荷載循次數(shù)均接近100萬(wàn)次，耐久性高模量瀝青混合料的疲勞性能基本滿(mǎn)足要求。

2.5" 高溫性能

采用法國(guó)和中國(guó)的車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)耐久性高模量瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]。

2.5.1" 法國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)

根據(jù)法國(guó)規(guī)范NF P 98-253-1或EN 12697-22中的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)試件尺寸的要求為長(zhǎng)500 mm、寬180 mm、高100 mm的長(zhǎng)方體，制備成試件。每個(gè)試件中瀝青混合料的用量M根據(jù)式（2）計(jì)算。

式（2）

式中：M為板的重量，kg；L為模具的內(nèi)部長(zhǎng)度，mm；l為模具的內(nèi)部寬度，mm；e為試件板的最終厚度，mm；ρm 為瀝青混合料的最大密度，kg/m3；v 為試件板的空隙含量，%。

當(dāng)試驗(yàn)試件的溫度為60 ℃時(shí)，使用探測(cè)器測(cè)得空氣中的溫度應(yīng)低于75 ℃。在做實(shí)驗(yàn)之前，試驗(yàn)應(yīng)保溫12 h～16 h。在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，試件的試驗(yàn)溫度范圍為目標(biāo)溫度的±2 ℃之內(nèi)。試件的荷載循環(huán)次分為五種類(lèi)別，分別為100，300，1 000，3 000，10 000，30 000。當(dāng)車(chē)轍循環(huán)次數(shù)達(dá)到規(guī)定循環(huán)次數(shù)時(shí)測(cè)試試驗(yàn)點(diǎn)的車(chē)轍深度。

根據(jù)測(cè)量值i，變形值mij和試件厚度h計(jì)算車(chē)轍深度Pi，根據(jù)式（3）算計(jì)。

式（3）

式中：Pi為是測(cè)得運(yùn)行i次的成比例的車(chē)轍深度，% ；mij為是變形值，mm ；m0j為是在j點(diǎn)的初始測(cè)量值，mm；h為是試件的厚度，mm。

試驗(yàn)結(jié)果耐久性高模量瀝青混合料滿(mǎn)足法國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)要求。

2.5.2" 中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)

中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)在溫度為60±1 ℃，應(yīng)力為0.7±

0.05 MPa條件下進(jìn)行，車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。從表中可以看出，動(dòng)穩(wěn)定度均滿(mǎn)足要求。

2.5.3" 車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)比

兩國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)規(guī)范要求。法國(guó)運(yùn)行30 000次對(duì)應(yīng)車(chē)轍率的要求為5.02%≤7.5%。中國(guó)車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度3 670/mm≥3 000次/mm，變異系數(shù)為7.8%≤20%。

3" 不同添加方法對(duì)混合料性能的影響

將高模量硬質(zhì)瀝青母粒采用外摻和內(nèi)摻兩種方法制備瀝青混合料，測(cè)試其空隙率的變化結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果為采用外摻法時(shí)瀝青混合料的空隙率均小于內(nèi)摻法，因此需要進(jìn)一步探討不同摻法對(duì)瀝青混合料其他性能的影響。

對(duì)外摻和內(nèi)摻兩種方法下瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行比較研究，試驗(yàn)方法采用中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種摻法在溫度60 ℃時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，外摻法試驗(yàn)結(jié)果的平均值大于內(nèi)參法，變異系數(shù)均滿(mǎn)足要求。

綜上所述，高模量硬質(zhì)瀝青母粒不同摻法對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后試件的空隙率及混合料的高溫性能均有一定的影響。外摻法下，高溫性能比內(nèi)摻法動(dòng)穩(wěn)定度提升約11.4%，高溫性能良好。

4" 結(jié)語(yǔ)

文中采用高模量硬質(zhì)瀝青母粒與70#道路石油瀝青按3：7的比例制備高模量瀝青混合料，還進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及路用性能驗(yàn)證研究。對(duì)比分析高模量硬質(zhì)瀝青母粒的不同摻法對(duì)瀝青混合料性能的影響，主要結(jié)論如下。

（1）對(duì)高模量瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，當(dāng)油石比為5.4%，滿(mǎn)足豐度系數(shù)（K=3.41＞3.4）符合要求。

（2）根據(jù)瀝青黏溫曲線(xiàn)確定瀝青混合料的拌和溫度為172 ℃ ，壓實(shí)溫度163.4 ℃ ，采用法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法，空隙率為1.1%。

（3）高模量硬質(zhì)瀝青母粒瀝青混合料路用性能表現(xiàn)優(yōu)異，凍融劈裂強(qiáng)度比近97.5%，法國(guó)車(chē)轍率為5.02%，中國(guó)車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度為3 670次/mm，疲勞次數(shù)接近于100萬(wàn)次，表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能。

（4）高模量硬質(zhì)瀝青母粒不同摻法對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后試件的空隙率及混合料的高溫性能均有一定的影響，外摻法下高溫性能較比于內(nèi)摻法提升約11.4%。

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[作者簡(jiǎn)介]趙艷壽（1988—），男，山東德州人，大學(xué)本科，研究方向：瀝青混合料。