適用于濕熱地區的湖瀝青改性高模量瀝青混合料設計與關鍵性能評價

■劉華敏

（莆田湄渝高速公路有限責任公司，莆田 351100）

0 引言

福建屬濕熱地區，夏季月最高平均氣溫超過30℃，年降雨量超過1000mm，瀝青路面材料既要有良好的高溫性能，又要有良好的水穩定性。瀝青混合料是一種粘彈性材料，其強度和模量都隨溫度升高而急劇下降，正是這種強度和模量的下降導致了瀝青面層在高溫下形成了車轍變形。目前解決車轍的措施主要是通過增加瀝青混合料的粘結力和內摩擦角入手，主要方法有：①采用改性瀝青或在瀝青中添加纖維作膠結料；②采用骨架嵌擠的混合料級配類型；③采用高強度、棱角性好的集料等。歐洲等國使用高模量的瀝青增加瀝青的粘度以達到提高瀝青混合料的抗變形能力，國內外的許多學者提出各種各樣的解決方法，其中有一種方法就是通過提高瀝青混合料的模量來提高路面的抗車轍能力，國內外的相關研究表明，如果混合料具有較高的模量，則具有優越的高溫抗變形能力。

高模量瀝青混合料是采用高模量瀝青，改善瀝青在混合料中的粘附性能和改進礦料級配，使礦料表面具有合適的瀝青膜厚度等，高模量瀝青混合料的模量值比普通瀝青混合料的模量顯著提高，平均模量提高50%或更高。瀝青路面面層模量的提高，將使路面各層面的受力狀況發生較大變化，提高了路面抵抗車轍等破損的能力。當前，常用高模量瀝青材料有硬質瀝青、巖瀝青、湖瀝青以及其他改性劑或添加劑等，其中天然湖瀝青針入度小、稠度大，與普通的石油瀝青摻配使用可以達到高模量的目的。

湖瀝青產于南美洲特立尼達島，是一種應用較多的天然瀝青。湖瀝青混合物采掘后，先進行粗煉，加熱到160℃把水蒸發，然后把熔化的材料通過細篩過篩，除去各種粗的雜物，經過精煉加工的產品即稱為特立尼達精煉湖瀝青（TLA）。精煉湖瀝青含有相當數量的礦物質（灰分），約占36%～37%，另外含有53%～55%的地瀝青（二硫化碳可溶分）、4.3%的礦物質化合水和3.2%有機材料。TLA改性瀝青在國外的應用開始較早，早在1880年，美國華盛頓特區在幾個城市街道的路面工程中已應用了TLA。

本文基于湖瀝青改性技術，進行高模量瀝青混合料的設計與性能研究，以減少中下面層車轍產生的幾率，這對進一步提高公路的建設水平和質量，減少路面養護維修的費用、延長瀝青路面的使用壽命，都具有極其重要的工程實踐價值。

1 面層模量對路面結構受力的影響分析

建立高模量中面層路面結構的有限元模型分析路面結構的厚度、模量對于路面結構彎沉、瀝青層底拉應變的影響。考慮瀝青路面材料模量受溫度、荷載作用時間等的影響。模量選取基于以往40℃動態模量試驗結果，不同頻率荷載的作用，上、中、下面層的模量分別選取2000MPa、2000MPa、2000MPa，水泥穩定碎石基層的模量分別選取1500MPa，土基模量選取60MPa。路面結構如圖1所示。

圖1 路面結構

中面層厚度分別選取5cm～9cm，中面層模量選取2000MPa～3600MPa。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

高模量中面層路面結構力學分析的關鍵指標是路表彎沉和瀝青層底的拉應力。彎沉隨厚度、模量變化的結果如圖3和圖4所示。

圖3 彎沉隨中面層厚度變化曲線

圖4 彎沉隨中面層模量變化曲線

通過圖3和圖4可知，基于彎沉等效的計算方法，路面中面層提高400MPa相當于中面層厚度提高1cm。

瀝青層底彎拉應力隨中面層厚度、模量變化如圖5和圖6所示。

圖5 瀝青層底彎拉應力隨中面層厚度變化曲線

圖6 瀝青層底彎拉應力隨中面層模量變化曲線

從圖5和圖6可知，基于瀝青層底彎拉應力等效，中面層模量提高570MPa相當于中面層厚度提高1cm。由此可見，無論從整體結構強度還是層底受力來看，模量的提升可大幅度改善路面結構受力狀態。

2 湖瀝青高模量瀝青混合料HMAC-20設計

2.1 原材料性能

湖瀝青復合改性HMAC所用膠結料為70號瀝青+湖瀝青（66.6%∶33.4%），集料為石灰巖，集料性能試驗見表1、各種集料的密度試驗見表2。

表1 集料試驗結果表

表2 集料相對密度試驗結果表

2.2 混合料級配

湖瀝青復合改性混合料采用旋轉壓實設計法設計，混合料采用AC20級配。在選擇集料級配時，首先調試出粗、中、細三個級配，根據集料的性質（密度和吸水率）計算出三個級配的初始用油量，用初始用油量成型試件。根據試驗結果，計算出三個級配的瀝青混合料在孔隙率為4%時所需的瀝青用量及相應的瀝青混合料其他性質：VMA、VFA、粉膠比、初始旋轉次數的壓實度等。根據試驗結果最終確定了復合改性湖瀝青的目標級配如表3所示。

2.3 設計結果

設計級配在最佳瀝青用量下的旋轉壓實體積指標、馬歇爾試驗結果見表4～5。

表4 湖瀝青HMAC-20旋轉壓實試驗結果

表5 湖瀝青HMAC-20馬歇爾試驗結果

2.4 湖瀝青HMAC-20路用性能評價

根據最佳油石比及設計級配，分別采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗和低溫小梁彎曲試驗來檢驗設計的湖瀝青HMAC-20混合料的綜合路用性能，試驗結果見表6所示。

表3 湖瀝青復合改性HMAC-20混合料級配

表6 湖瀝青HMAC-20混合料路用性能試驗結果

從試驗結果可以看出，湖瀝青HMAC-20混合料的高溫性能相比傳統的AC-20混合料具有明顯的優勢，動穩定度指標提升效果明顯，因而具有好的抗車轍性能，其低溫性能和水穩定性均能滿足規范中對于改性瀝青混合料的要求。

3 湖瀝青HMAC-20混合料模量性能研究

3.1 動態模量試驗方法

瀝青混合料的動態模量采用Superpave簡單性能試驗機（SPT）測定。參考的試驗規程為AASHTO TP-62。動態模量試驗可以采用應變控制方式或應力控制方式。本研究中采用應變控制方式，對試件施加正弦荷載，不管采用何種控制方式，動態模量試驗都可以得到三個參數：復數模量E※，動態模量│E※│，和相位角 。復數模量是一個復數，用來確定粘彈性材料的應力、應變特性，它由實部和虛部兩部分組成，如式（1）所示：

其中E′為存儲模量，E″為損失模量。動態模量是復數模量的絕對值，反映了材料抵抗變形的能力，動態模量的定義如下：

動態模量可以通過試驗達到穩定狀態時的應力幅值和應變幅值的比值來確定即：

其中：σamp為應力幅值，εamp為應變幅值。相位角φ描述材料粘性部分和彈性部分的相對大小,由下式確定：

其中f為施加荷載的頻率,Δt為試驗中應變滯后于應力的時間。對于完全彈性材料φ=0，對于完全粘性材料φ=90。隨著相位角的增加，材料的粘性性質增加。存儲模量，損失模量，動態模量及相位角有如下的關系：

通常通過對試驗數據的分析可以得到動態模量和相位角，利用關系式5就可以確定該種材料的存儲模量和損失模量，進而得到復數模量。應當注意，在許多文獻中，為了簡便動態模量也用E※來表示，應加以區分。

3.2 試驗結果分析

動態模量試驗在3個溫度下進行，分別為4℃、15℃、40℃，在每一個溫度下，在 7 個不同頻率下（25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz）分別測定動態模量。 表 7 和圖7是動態模量試驗結果。

表7 AC20瀝青混合料動模量試驗結果

圖7 湖瀝青動態模量試驗結果

瀝青混合料的動態模量隨溫度的升高逐漸降低，隨頻率的增大逐漸增大。本項目設計的湖瀝青HMAC-20模量較大，15℃、10Hz下動態模量達到17332MPa，40℃、10Hz下的動態模量達到2833MPa。

法國的高模量瀝青混合料采用在線彈性狀態下15℃的動態拉壓模量作為高模量混合料的設計標準，即混合料的模量大于14000MPa。歐洲在定義高模量瀝青混合料時僅采用了20℃勁度模量。這對于一般工作溫度時，減少下面層和基層的應力應變是有效的；但是對于高溫抗車轍，尤其是在高溫狀態下減少下面層和基層的應力應變是無效的。研究高模量瀝青混合料的目的是為了提高中面層材料的抗車轍性能。車轍都是發生在高溫季節，為了提高路面的抗車轍能力，希望瀝青混合料高溫時的具有較高的模量。

結合法國、歐洲高模量混合料的定義，為和國外已有研究接軌，而且動態模量的加載方式等都與法國動態復數模量的相似，借鑒法國研究成果，結合本研究的試驗結果制定高模量混合料（HMAC）的技術標準，如表8所示。

表8 高模量混合料（HMAC）技術標準

4 結論

本研究基于湖瀝青改性技術，對模量與路面結構受力的相關性、湖瀝青HMAC-20設計方法、模量性能評價等進行了研究，得出以下主要結論：

（1）從彎沉等效和應力等效兩個角度，得到中面層分別提高400MPa、570MPa相當于中面層厚度提高1cm。由此可見，無論從整體結構強度還是層底受力來看，模量的提升可大幅度改善路面結構受力狀態。

（2）基于湖瀝青改性技術，進行了湖瀝青高模量瀝青混合料HMAC-20的設計，并通過路用性能試驗，證明該混合料具有良好的高溫性能和水穩定性。

（3）動態模量試驗結果表明湖瀝青HMAC-20混合料的模量性能進良好，15℃、10Hz下動態模量達到17332MPa，40℃、10Hz下的動態模量達到 2833MPa。

（4）針對濕熱地區，建立了不同溫度下的高模量瀝青混合料的技術標準。