溫拌高模量瀝青混合料設計與性能研究

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計與性能研究

陳四平

（安徽省公路管理局，安徽合肥230022）

基于溫拌瀝青技術與高模量瀝青技術，研發了一種溫拌高模量瀝青混合料，并對該種瀝青最佳拌合溫度、路用性能、動態和靜態模量進行了測試評價。結果表明，溫拌高模量瀝青混合料拌合溫度比常規高模量瀝青混合料低30℃以上，并具有良好的高溫抗車轍能力和水穩定性。

高模量瀝青混合料；溫拌瀝青；性能評價；動態模量

0　引言

車轍是瀝青路面主要病害，在高溫地區重載路段尤為嚴重。壓密車轍和失穩車轍是當前我國瀝青路面兩種典型類型，其原因是在高溫狀態下瀝青混凝土模量或強度降低所致［1-3］。安徽省部分地區夏季高溫且持續時間長，在重載、大交通量條件下，如何控制或減少車轍一直是公路瀝青路面建設與養護的核心問題之一。

瀝青混凝土的彈性模量及瀝青路面的結構組合是影響車轍深度即瀝青路面產生永久變形的關鍵參數。采用高模量瀝青混凝土可顯著降低荷載作用下瀝青層應變，減小瀝青混合料高溫塑性變形，進而提高路面抗車轍能力［4］。對于我國普遍采用的典型半剛性基層瀝青路面，路面結構中4～10 cm范圍內為壓應力的高值區，3～8 cm范圍內為剪應力高值區，這兩個應力高值區處于半剛性基層瀝青路面結構的中面層［5］。而我國瀝青路面的中面層大多采用以70#瀝青為結合料、模量較低的普通瀝青混凝土，這也是部分瀝青路面出現嚴重車轍病害的主要原因。

為提高瀝青路面的抗車轍能力，高模量瀝青混凝土（High Modulus Asphalt Concrete）的研究與應用得到廣泛關注。按照法國瀝青混合料設計規范體系（NFP-140），動態模量（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構的變形，延緩車轍的產生，改善路面的疲勞性能，延長路面的使用壽命。盡管我國已經開展高模量瀝青混凝土的研究，但應用過程中仍存在以下亟待解決的問題：如施工溫度高，能源消耗大；施工和易性差，質量控制難度大等。研發拌合溫度低、施工和易性好、價格相對較低的溫拌高模量改性瀝青已經成為推動高模量瀝青混合料推廣應用的必然要求。為此，本文集成溫拌瀝青技術與高模量瀝青技術，開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試

目前，我國尚未頒布高模量瀝青相關技術規范。瀝青混合料的模量與瀝青60℃復數剪切模量具有密切相關性，因此大多研究均對高模量瀝青的60℃復數剪切模量提出具體要求，文獻［6，7］要求60℃復數剪切模量大于10 kPa。同時，對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），軟化點大于70℃等。參考國內外研究成果，并考慮降低施工溫度，提出溫拌高模量瀝青技術指標見表1。

表1　溫拌高模量瀝青技術性能

將溫拌高模量劑（WHMA-2）摻加于70號瀝青中，在150℃～160℃條件下采用高速剪切機剪切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）摻量為瀝青質量的12%和18%，制備的溫拌高模量瀝青技術指標見表1。表1數據表明，摻加12%的溫拌高模量劑（WHMA-2）后，改性瀝青性能即可滿足以上要求。

2　溫拌高模量混合料設計

2.1普通70號瀝青混合料設計

采用AC-20級配（設計級配見表2），以70號瀝青為膠結料，采用馬歇爾方法進行普通70號瀝青混合料設計，不同油石比條件下瀝青混合料馬歇爾試件體積參數見表3。由表3數據，確定普通70號瀝青混合料的最佳油石比為4.0%。

表2　AC-20的級配范圍和設計級配

2.2溫拌高模量瀝青混合料設計

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

表3　不同油石比的各項物理指標

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%的設計孔隙率，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

采用車轍試驗溫拌高模量瀝青混合料高溫抗車轍性能進行評價。交通部規范中車轍試驗的標準試驗溫度為60℃，為進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能力，進行了60℃和70℃兩種試驗溫度條件下的車轍試驗，測試結果見表4。

由表4可見，在60℃測試條件下，溫拌高模量瀝青混合料動穩定度為8 362次/mm，即使在70℃時，其動穩定度仍超過4 000次/mm，這表明該種瀝青混合料對極端高溫氣候條件具有良好的適應能力。

3.2水穩定性

水損壞是高溫多雨地區瀝青路面主要病害，也是改性瀝青重點關注的技術性能之一。采用凍融劈裂試驗評價了溫拌高模量瀝青混合料水穩定性，試驗結果見表5。溫拌高模量瀝青混合料TSR 為85.6%，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中大于80%的技術要求。

表3　不同拌合溫度和油石比下瀝青混合料的體積參數

圖1　油石比、拌合溫度以及孔隙率三維云圖

表4　瀝青混合料動穩定度

由表4可見，中溫高模量瀝青混合料動態模量約為普通70號瀝青混合料的2倍，有助于減小車轍荷載作用下瀝青混凝土的應變，從而提高路面的抗車轍能力和耐久性，有效的延長瀝青路面的使用壽命。

表5　凍融劈裂驗測試結果

3.3模量測試

試驗儀器采用美國MTS-810材料試驗機，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）測試瀝青混合料的抗壓回彈模量和動態模量，測試結果見表6。

表6　瀝青混合料模量測試結果

4　結　論

本文集成高模量瀝青技術和溫拌瀝青技術，研發了一種溫拌高模量瀝青混合料，并就其拌合溫度、路用性能、動態和靜態模量進行了測試評價。溫拌高模量瀝青混合料拌合溫度比常規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態和靜態模量以及動穩定度明顯大于普通瀝青混合料，可顯著增強瀝青路面的抗車轍能力。溫拌高模量瀝青混合料作為一種新型瀝青材料，在提高瀝青路面結構強度、保障施工質量、降低環境污染等方面具有明顯的技術優勢［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，高級工程師，從事公路工程建設與管理工作。

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.092