溫拌高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)與性能研究

陳四平

（安徽省公路管理局，安徽　合肥　230022）

溫拌高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)與性能研究

陳四平

（安徽省公路管理局，安徽合肥230022）

基于溫拌瀝青技術(shù)與高模量瀝青技術(shù)，研發(fā)了一種溫拌高模量瀝青混合料，并對(duì)該種瀝青最佳拌合溫度、路用性能、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模量進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，溫拌高模量瀝青混合料拌合溫度比常規(guī)高模量瀝青混合料低30℃以上，并具有良好的高溫抗車(chē)轍能力和水穩(wěn)定性。

高模量瀝青混合料；溫拌瀝青；性能評(píng)價(jià)；動(dòng)態(tài)模量

0　引言

車(chē)轍是瀝青路面主要病害，在高溫地區(qū)重載路段尤為嚴(yán)重。壓密車(chē)轍和失穩(wěn)車(chē)轍是當(dāng)前我國(guó)瀝青路面兩種典型類(lèi)型，其原因是在高溫狀態(tài)下瀝青混凝土模量或強(qiáng)度降低所致［1-3］。安徽省部分地區(qū)夏季高溫且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在重載、大交通量條件下，如何控制或減少車(chē)轍一直是公路瀝青路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)的核心問(wèn)題之一。

瀝青混凝土的彈性模量及瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合是影響車(chē)轍深度即瀝青路面產(chǎn)生永久變形的關(guān)鍵參數(shù)。采用高模量瀝青混凝土可顯著降低荷載作用下瀝青層應(yīng)變，減小瀝青混合料高溫塑性變形，進(jìn)而提高路面抗車(chē)轍能力［4］。對(duì)于我國(guó)普遍采用的典型半剛性基層瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)中4～10 cm范圍內(nèi)為壓應(yīng)力的高值區(qū)，3～8 cm范圍內(nèi)為剪應(yīng)力高值區(qū)，這兩個(gè)應(yīng)力高值區(qū)處于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的中面層［5］。而我國(guó)瀝青路面的中面層大多采用以70#瀝青為結(jié)合料、模量較低的普通瀝青混凝土，這也是部分瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重車(chē)轍病害的主要原因。

為提高瀝青路面的抗車(chē)轍能力，高模量瀝青混凝土（High Modulus Asphalt Concrete）的研究與應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。按照法國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范體系（NFP-140），動(dòng)態(tài)模量（15℃，10 Hz）大于14 000 MPa的瀝青混凝土為高模量瀝青混凝土。高模量瀝青混凝土的使用能夠減少路面結(jié)構(gòu)的變形，延緩車(chē)轍的產(chǎn)生，改善路面的疲勞性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命。盡管我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展高模量瀝青混凝土的研究，但應(yīng)用過(guò)程中仍存在以下亟待解決的問(wèn)題：如施工溫度高，能源消耗大；施工和易性差，質(zhì)量控制難度大等。研發(fā)拌合溫度低、施工和易性好、價(jià)格相對(duì)較低的溫拌高模量改性瀝青已經(jīng)成為推動(dòng)高模量瀝青混合料推廣應(yīng)用的必然要求。為此，本文集成溫拌瀝青技術(shù)與高模量瀝青技術(shù)，開(kāi)展了溫拌高模量改性瀝青混合料性能研究。

1　溫拌高模量改性劑性能測(cè)試

目前，我國(guó)尚未頒布高模量瀝青相關(guān)技術(shù)規(guī)范。瀝青混合料的模量與瀝青60℃復(fù)數(shù)剪切模量具有密切相關(guān)性，因此大多研究均對(duì)高模量瀝青的60℃復(fù)數(shù)剪切模量提出具體要求，文獻(xiàn)［6，7］要求60℃復(fù)數(shù)剪切模量大于10 kPa。同時(shí)，對(duì)高模量瀝青的其他性能提出要求［6］，如25℃針入度20～50（0.1 mm），軟化點(diǎn)大于70℃等。參考國(guó)內(nèi)外研究成果，并考慮降低施工溫度，提出溫拌高模量瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　溫拌高模量瀝青技術(shù)性能

將溫拌高模量劑（WHMA-2）摻加于70號(hào)瀝青中，在150℃～160℃條件下采用高速剪切機(jī)剪切30 min，然后用X型攪拌器攪拌30 min制備成溫拌高模量瀝青。溫拌高模量劑（WHMA-2）摻量為瀝青質(zhì)量的12%和18%，制備的溫拌高模量瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。表1數(shù)據(jù)表明，摻加12%的溫拌高模量劑（WHMA-2）后，改性瀝青性能即可滿(mǎn)足以上要求。

2　溫拌高模量混合料設(shè)計(jì)

2.1普通70號(hào)瀝青混合料設(shè)計(jì)

采用AC-20級(jí)配（設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表2），以70號(hào)瀝青為膠結(jié)料，采用馬歇爾方法進(jìn)行普通70號(hào)瀝青混合料設(shè)計(jì)，不同油石比條件下瀝青混合料馬歇爾試件體積參數(shù)見(jiàn)表3。由表3數(shù)據(jù)，確定普通70號(hào)瀝青混合料的最佳油石比為4.0%。

表2　AC-20的級(jí)配范圍和設(shè)計(jì)級(jí)配

2.2溫拌高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)

溫拌高模量瀝青混合料采用與普通70號(hào)瀝青混合料相同的級(jí)配。為確定溫拌高模量混合料最佳拌合溫度，測(cè)試了不同拌合溫度下瀝青混合料的體積參數(shù)。溫拌高模量劑（WHMA-2）摻量為瀝青質(zhì)量的18%。拌合溫度取170℃，155℃和140℃三個(gè)溫度，油石比采用3.8%、4.0%和4.2%三個(gè)參數(shù)，采用全因素實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析，成型馬歇爾試件。表3列出了測(cè)得馬歇爾試件的參數(shù)，圖1為油石比與拌合溫度以及孔隙率三維關(guān)系云圖。

表3　不同油石比的各項(xiàng)物理指標(biāo)

圖1表明，隨著拌合溫度的提高和油石比的增加，瀝青混合料的孔隙率逐漸減小。在140℃拌合溫度下，采用4.0%油石比的瀝青混合料孔隙率為3.8%，接近4.0%的設(shè)計(jì)孔隙率，因此選擇140℃作為最佳拌合溫度。通常高模量瀝青混合料的拌合溫度為170℃～180℃［8，9］，而溫拌高模量瀝青混合料拌合溫度可降低30℃以上，可顯著減少混合料加熱能耗，具有明顯的環(huán)保意義。

3　溫拌高模量瀝青混合料路用性能

3.1高溫性能

采用車(chē)轍試驗(yàn)溫拌高模量瀝青混合料高溫抗車(chē)轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。交通部規(guī)范中車(chē)轍試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為60℃，為進(jìn)一步考察溫拌高模量瀝青混合料在極端高溫氣候條件下的適應(yīng)能力，進(jìn)行了60℃和70℃兩種試驗(yàn)溫度條件下的車(chē)轍試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，在60℃測(cè)試條件下，溫拌高模量瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為8 362次/mm，即使在70℃時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度仍超過(guò)4 000次/mm，這表明該種瀝青混合料對(duì)極端高溫氣候條件具有良好的適應(yīng)能力。

3.2水穩(wěn)定性

水損壞是高溫多雨地區(qū)瀝青路面主要病害，也是改性瀝青重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)性能之一。采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)了溫拌高模量瀝青混合料水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。溫拌高模量瀝青混合料TSR 為85.6%，滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中大于80%的技術(shù)要求。

表3　不同拌合溫度和油石比下瀝青混合料的體積參數(shù)

圖1　油石比、拌合溫度以及孔隙率三維云圖

表4　瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

由表4可見(jiàn)，中溫高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量約為普通70號(hào)瀝青混合料的2倍，有助于減小車(chē)轍荷載作用下瀝青混凝土的應(yīng)變，從而提高路面的抗車(chē)轍能力和耐久性，有效的延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

表5　凍融劈裂驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.3模量測(cè)試

試驗(yàn)儀器采用美國(guó)MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）測(cè)試瀝青混合料的抗壓回彈模量和動(dòng)態(tài)模量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　瀝青混合料模量測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)　論

本文集成高模量瀝青技術(shù)和溫拌瀝青技術(shù)，研發(fā)了一種溫拌高模量瀝青混合料，并就其拌合溫度、路用性能、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模量進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。溫拌高模量瀝青混合料拌合溫度比常規(guī)高模量瀝青混合料低30℃以上，可顯著減少混合料加熱能耗粉塵污染，并有助于提高施工和易性。溫拌高模量瀝青混合料動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模量以及動(dòng)穩(wěn)定度明顯大于普通瀝青混合料，可顯著增強(qiáng)瀝青路面的抗車(chē)轍能力。溫拌高模量瀝青混合料作為一種新型瀝青材料，在提高瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、保障施工質(zhì)量、降低環(huán)境污染等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)［10］。

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1009-7716（2016）07-0308-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.091

2016-04-12

陳四平（1969-），男，安徽貴池人，高級(jí)工程師，從事公路工程建設(shè)與管理工作。

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