抗車轍劑瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

1 引 言

隨著一帶一路政策的推進(jìn)，我國高速公路總里程數(shù)再一次得到了迅猛的發(fā)展，在瀝青路面的發(fā)展大踏步前進(jìn)同時(shí)，普遍出現(xiàn)了較為棘手的車轍病害，車轍是瀝青路面主要破壞的現(xiàn)象之一。瀝青混合料是一種粘彈性材料，瀝青路面通常在溫度高的季節(jié)，由于交通荷載的反復(fù)作用，以及超載車輛的違規(guī)運(yùn)行，使得瀝青路面產(chǎn)生豎向永久變形和塑性流動(dòng)，在長時(shí)間的累積下逐漸形成車轍。車轍病害嚴(yán)重降低了道路的質(zhì)量，縮短了道路的使用年限，影響道路的安全性和舒適度，同時(shí)增加了道路的養(yǎng)護(hù)及維修費(fèi)用[1-3]。近年來，國內(nèi)外科研單位以及專家學(xué)者一直著力于開發(fā)一種有效的技術(shù)，改善瀝青路面隨著服役環(huán)境溫度的升高瀝青變軟以至于永久變形的性能?？管囖H劑（ARA）是一種新型復(fù)合材料，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)證明其能提高瀝青混合料的性能，包括高溫和低溫性能、粘度以及剪切模量等。抗車轍劑（ARA）有許多種類型，如：聚乙烯、硫磺瀝青改性劑（SEAM）等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，抗車轍劑使用便利，可以方便精確的進(jìn)行添加，使瀝青混合料改性后的性質(zhì)更加穩(wěn)定，從而為更好的解決瀝青路面車轍病害提供了一劑良藥[4-7]。

路面上所作用的載荷以及環(huán)境條件是不斷變化的，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)通過加載頻率來替代瀝青路面上變化的荷載，通過改變溫濕度來反應(yīng)瀝青路面環(huán)境條件的變化，因此能真實(shí)模擬工程現(xiàn)場實(shí)際情況。在瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角的影響因素中，最重要的影響因素是：溫度、加載速率、老化條件、濕度以及骨料級(jí)配[8,9]，除了這些物理或環(huán)境因素外，聚合物改性劑也能影響動(dòng)態(tài)模量和瀝青混合料的性能[10]。凍斷試驗(yàn)是美國 SHRP 計(jì)劃（美國公路研究戰(zhàn)略計(jì)劃）提出的評價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗(yàn)方法，也稱作約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)（The Thermal Stress Restrained Specimen Test）。該試驗(yàn)可以模擬測試不同環(huán)境下瀝青混合料在溫度降低過程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力[11-12]。

按照工程實(shí)際需求，本文定義抗車轍劑摻量為抗車轍劑質(zhì)量與瀝青混合料總質(zhì)量的比值，通過有無添加抗車轍劑對AC-13瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)以及凍斷試驗(yàn)，研究抗車轍劑對AC-13瀝青混合料的各項(xiàng)性能的影響，為抗車轍劑增強(qiáng)瀝青混合料性能提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)

2.1 瀝青

本試驗(yàn)所用瀝青為中海油36-1 90#A級(jí)道路石油瀝青，按照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中相應(yīng)技術(shù)要求對其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，檢測結(jié)果如表1。

2.2 集料

所用集料為山丹東樂石料廠生產(chǎn)的碎石和機(jī)制砂，其規(guī)格為：10-15mm碎石、5-10碎石、3-5mm碎石以及0-3mm機(jī)制砂。其所檢指標(biāo)均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中高速公路瀝青混合料所用集料質(zhì)量的相應(yīng)要求。

表1 36-1 90#A級(jí)道路石油瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 礦粉

所用礦粉為張掖市甘州區(qū)永旭石灰石加工廠生產(chǎn)的的礦粉，其所檢指標(biāo)均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中高速公路瀝青混合料所用礦粉質(zhì)量的相應(yīng)要求。

2.4 抗車轍劑

所用抗車轍劑為XX廠生產(chǎn)的抗車轍劑，其摻量為混合料質(zhì)量的0.4%。

2.5 AC-13瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

圖1 AC-13礦料的級(jí)配曲線圖

2.6 油石比

我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定采用馬歇爾試驗(yàn)來設(shè)計(jì)瀝青混合料的配合比。按圖1 所示的瀝青混合料級(jí)配曲線制成標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，在室溫條件下靜置12h，測定試件的礦料間隙率、密度、瀝青飽和度、空隙率、穩(wěn)定度和流值。試驗(yàn)測得相應(yīng)穩(wěn)定度最大的油石比、密度最大時(shí)瀝青用量、目標(biāo)空隙率中值的油石比，及瀝青飽和度范圍中值的油石比，按密度最大值、穩(wěn)定度最大值、空隙率中值、飽和度中值確定最佳油石比。根據(jù)圖2的測試結(jié)果，最后確定AC-13瀝青混合料的最佳油石比為5.1%。

圖2 密度、空隙率、飽和度、VMA、穩(wěn)定度與油石比的關(guān)系圖

3 高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)

本文參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定，用車轍試驗(yàn)來評判瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。試件按規(guī)程制作尺寸 為 300mm×300mm×50mm， 在 60.0±1 ℃，0.7±0.05MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度作為評價(jià)瀝青混合料抗高溫性能的評價(jià)指標(biāo)。普通瀝青混合料及抗車轍劑瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以明顯看出，抗車轍劑的加入可以明顯提高瀝青混合料的抗高溫性能，摻0.4%的抗車轍劑的AC-13瀝青混合料比未摻抗車轍劑的AC-13瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度增長了5.29倍。

表2 AC-13礦料的通過率明細(xì)表

表3 車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度

4 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

對未摻加抗車轍劑和添加0.4%抗車轍劑的AC-13瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，從而得到瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果分別見表4和表5。

從表4和表5可以看出，添加0.4%抗車轍劑AC-13混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均有所增加，盡管試驗(yàn)中抗車轍劑加入對瀝青混合料的增強(qiáng)效果并沒有車轍試驗(yàn)?zāi)敲疵黠@，但還是可以充分說明抗車轍劑的加入對提高瀝青混合料的抗水害能力有一定作用。

表4 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表6 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

5 小梁彎曲試驗(yàn)

本文采用小梁彎曲試驗(yàn)來驗(yàn)證摻加抗車轍劑瀝青混合料的低溫抗裂性能，采取最大載荷、抗彎拉強(qiáng)度、勁度模量及低溫彎曲破壞應(yīng)變作為評價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)條件為溫度-10℃，速率50mm/min，試件尺寸250mm×30mm×35mm，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6可以明顯看出，0.4%抗車轍劑的加入，瀝青混合料低溫抗裂性能的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)都有所提高，說明抗車轍劑能在一定程度上改善瀝青混合料的低溫抗裂性，也證明了抗車轍劑不僅對瀝青混合料高溫性能有增強(qiáng)效果，對瀝青混合料的低溫性也起到了促進(jìn)作用。

6 回彈模量試驗(yàn)

通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)獲得瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度，并且以測得的抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)通過試驗(yàn)測定靜態(tài)回彈模量。本研究選取15℃和20℃兩個(gè)試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行測試，進(jìn)而研究抗車轍劑對瀝青混合料抗壓強(qiáng)度及回彈模量的影響。圖3為瀝青混合料抗壓強(qiáng)度，圖4為瀝青混合料回彈模量，從圖3和圖4中可以明顯看出添加0.4%抗車轍劑的瀝青混合料抗壓強(qiáng)度以及回彈模量都要高于未添加抗車轍劑的瀝青混合料。根據(jù)表7抗壓強(qiáng)度及回彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，添加0.4%抗車轍劑試驗(yàn)組在15℃和20℃的抗壓強(qiáng)度相對比于未添加抗車轍劑的瀝青混合料分別提高了75%和69%，以及回彈模量相對比于空白組分別提高了53%和60%。從而說明抗車轍劑對瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度和回彈模量起增強(qiáng)效果。

圖3 瀝青混合料抗壓強(qiáng)度

圖4 瀝青混合料回彈模量

表7 抗壓強(qiáng)度及回彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

7 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

表8 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2017中對瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的要求，本研究選取試驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃，對是否添加抗車轍劑試件進(jìn)行不同頻率（0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz）動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究。對于瀝青混合料，相位角也是較為重要的參數(shù)，在一定的溫度和加載頻率下彈性模量反應(yīng)的是材料的剛度，相位角反應(yīng)的則是材料的粘度和彈性。對于相位角，其值越大表示材料的粘性越大，所以，具有較小的相位角的瀝青混合料表現(xiàn)更強(qiáng)的彈性，通過對彈性模量和相位角機(jī)理分析可以有效的預(yù)測瀝青混合料的長期性能[13]。

表8為動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)表8可以得到，添加0.4%抗車轍劑瀝青混合料在10Hz的動(dòng)態(tài)模量對比于未添加抗車轍劑的瀝青混合料提高了45%，其相位角相對比于未添加抗車轍劑的瀝青混合料減小了19%，這說明抗車轍劑對瀝青混合料的性能有明顯的增強(qiáng)作用。根據(jù)表8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻率-模量以及頻率-相位角關(guān)系擬合，如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，無論是否添加抗車轍劑，瀝青混合料都表現(xiàn)為，隨著加載頻率的增加，動(dòng)態(tài)模量呈增加趨勢，相位角則表現(xiàn)相反的變化趨勢。從圖5可以得到隨著頻率的增加動(dòng)態(tài)模量逐漸增大并且增加幅度在加載頻率區(qū)間內(nèi)是有區(qū)別的，如摻加0.4%抗車轍劑和未摻加抗車轍劑瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量-頻率曲線，在加載頻率較低時(shí)，動(dòng)態(tài)模量的增加速率較為明顯，當(dāng)頻率超過5HZ后，動(dòng)態(tài)模量增加速率趨于放緩。從圖6中可以看出隨著頻率的增加添加0.4%抗車轍劑的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量呈逐漸減小的趨勢，未添加抗車轍劑的瀝青混合料呈先增大后減小再增加的趨勢，出現(xiàn)以上復(fù)雜特征主要是由于抗車轍劑的加入使瀝青混合料彈性體特征表現(xiàn)得更強(qiáng)。

圖5 AC-13動(dòng)態(tài)模量與頻率關(guān)系

圖6 AC-13相位角與頻率關(guān)系

8 凍斷試驗(yàn)

凍斷試驗(yàn)是美國俄勒岡州立大學(xué)開發(fā)的。該試驗(yàn)方法能很好地模擬瀝青路面在實(shí)際環(huán)境溫度影響下的開裂情況，因此被越來越多的學(xué)者認(rèn)可并被廣泛研究和使用[14]，本文以凍斷應(yīng)力和凍斷溫度作為評價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能指標(biāo)，試驗(yàn)選用50mm×50mm×250mm的棱柱形試件，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行凍斷試驗(yàn)，表9為凍斷試驗(yàn)測試結(jié)果，可以明顯看出添加0.4%抗車轍劑瀝青混合料的凍段溫度以及凍斷應(yīng)力和未添加抗車轍劑的瀝青混合料相差不大，說明抗車轍劑對瀝青混合料低溫?cái)嗔研阅苡绊懖淮蟆D7為溫度-應(yīng)力曲線，從圖中可以看出添加0.4%抗車轍劑的瀝青混合料與未添加抗車轍劑的瀝青混合料曲線變化趨勢基本相同，也再次說明抗車轍劑對瀝青混合料低溫?cái)嗔研阅苡绊懖淮蟆?/p>

表9 為凍斷試驗(yàn)測試

圖7 凍斷試驗(yàn)溫度-應(yīng)力曲線

9 結(jié) 語

本文通過研究抗車轍劑對AC-13瀝青混合料路用性能的影響，對比分析抗車轍對瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫性能、低溫抗裂性、回彈模量、動(dòng)態(tài)模量以及低溫?cái)嗔研阅艿挠绊懗潭龋玫揭韵聨c(diǎn)結(jié)論。

1）摻入0.4%抗車轍劑后AC-13瀝青混合料高溫穩(wěn)定性提高數(shù)倍，同時(shí)對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能也有明顯改善。

2）通過對瀝青混合料回彈模量及動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究，均表現(xiàn)出抗車轍劑對瀝青混合料的力學(xué)特性及荷載抵抗能力起增強(qiáng)作用。抗車轍劑的加入使瀝青混合料在低溫高頻時(shí)彈性特征表現(xiàn)得更強(qiáng)。

3）由凍斷試驗(yàn)可以說明抗車轍劑對瀝青混合料的低溫?cái)嗔研阅苡绊懖淮蟆?/p>

[1]蘇凱看，孫立軍.瀝青路面車轍產(chǎn)生機(jī)理[J].石油瀝青，2006（8）；1-7.

[2]DORMAN G M.The Extension to Practice of a Fundamental Procedure for the Design of Flexible Pacvements[C]//Proc.First International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements.Michigan， Ann Argbor：The University of Michigan Press，1962：785-793.

[3]苗祺,劉德仁,楊成,等.抗車轍劑摻量對AC-16瀝青混合料路用性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2015,34(10):2839-2844.

[4]Yildirim Y.Polymer modified asphalt binders[J].Construction & Building Materials, 2007, 21(1):66-72.

[5]Hui B, Zhang C.Analysis of High Temperature Ability Influence Factors of Anti-Rutting Agent Modified Asphalt Mixture[C]// International Conference on Transportation Engineering.2011:1904-1909.

[6]Hui B, Zhang C.Performance of anti-rutting agent modified asphalt mixture in northwest regions[C]//International Conference on Mechanic Automation & Control Engineering.IEEE, 2011:1467-1470.

[7]余紅杰.抗車轍劑對瀝青混合料改性機(jī)理分析[D].長安大學(xué), 2012.

[8]Weldegiorgis M T.Towards a Mechanistic Understanding of Moisture Damage in Asphalt Concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2015, 27(3).

[9]Tarefder R A, Weldegiorgis M T, Ahmad M.Assessment of the Effect of Pore Pressure Cycles on Moisture Sensitivity of Hot Mix Asphalt Using MIST Conditioning and Dynamic Modulus[J].Journal of Testing & Evaluation, 2014,42(6):JTE20130095.

[10]Rahman A S M A,Rafiqul A,Tarefder.Dynamic modulus and phase angle of warm-mix versus hot-mix asphalt concrete[J].Construction & Building Materials, 2016, 126:434-441.

[11]Meng Q Y，Zhang C L.Reserach on Thermal Stress Restrained Specimen Test of Asphalt Mixture[J].Journal of Wuhan University of Technology，2010.

[12]Kanerva H K，Vinson T S，Zeng H.LOWTEMPERATURE CRACKING: FIELD VALIDATION OF THE THERMAL STRESS RESTRAINED SPECIMEN TEST[J].Cracking,1994.

[13]Witczak M.Simple Performance Tests: Summary of Recommended Methods and Database[J].Nchrp Report, 2006.

[14]李建軍.鎢酸鋯改性瀝青膠漿及瀝青混合料低溫抗裂性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2016.