水-溫相互作用下高模量瀝青混合料路用性能研究*

寧毅，郭志堅，劉向杰

(1.河南中州路橋建設有限公司，河南 周口 466000；2.中國河南國際合作集團有限公司，河南 鄭州 450004；3.河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000)

SBS改性瀝青路面在通車運營一定年限后瀝青會逐漸老化，瀝青與礦料之間的黏附性逐漸降低，路面車轍、松散、裂縫、泛油及坑槽等病害逐漸發生，嚴重影響路面的使用性能及行車安全性。為延長路面使用年限，改善高等級公路服務水平，采用高模量劑來改善瀝青路面性能。宋樂春等對AM 系列高模量劑進行研究，發現AM-1 更適合多雨地區，AM-2 更適合夏季高溫地區；汪于凱等對高模量瀝青混合料動靜態模量開展研究，得出在低頻條件下高模量劑種類與試驗結果成指數關系；王知樂等將PP、HDPE 、EVA 3種高模量劑摻入瀝青混合料中進行高溫及低溫性能試驗，結果表明混合料高溫及低溫性能得到很大提高；戚林玲等將低標號瀝青及高模量劑摻入瀝青混合料中進行高溫性能及動態模量試驗，結果表明瀝青路面抗車轍能力及動態模量均得到很大提高；劉華敏將湖瀝青摻入瀝青混合料中進行高溫及水穩定性能試驗，結果表明湖瀝青改性瀝青混合料更適合高溫多雨地區。該文選取RA、PR.M 和BRA 3種高模量劑，針對AC-13C、AC-20C 2種級配，在不同試驗條件下進行高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害等路用性能研究，為高模量瀝青路面的應用提供理論支撐。

1 原材料及配合比設計

1.1 瀝青

瀝青作為路面結構層的黏結材料，對瀝青路面性能起關鍵作用。選用70#A級瀝青展開研究，其主要技術指標試驗結果見表1。

表1 70#A級道路石油瀝青的主要技術指標試驗結果

1.2 外加劑

溫度高于100 ℃時，高模量劑逐漸融化，能較好地分散到混合料中，與瀝青膠漿共同填充礦料之間的空隙，達到增韌、膠結的效果，提高混合料內部的內摩阻力，增強路面結構模量。將RA(Resin Alloy)、PR.M(PR Module)和BRA(天然瀝青)3種高模量劑(見圖1)分別以不同摻量摻入AC-13C、AC-20C瀝青混合料中開展相關性能研究。

圖1 3種高模劑

1.3 配合比設計及馬歇爾試驗結果

選用工程上常用的AC-13C、AC-20C 2種密級配瀝青混合料進行研究，粗集料分別為3～5、5～10、10～15、10～20 mm石灰巖碎石，細集料為0～3 mm機制砂，填料為礦粉。2種混合料級配設計結果見表2。配合比設計時，RA 摻量分別為0.35%、0.4%、0.45%，PR.M 摻量分別為0.4%、0.45%、0.5%，BRA 摻量分別為3%、3.5%、4%(占瀝青混合料質量)。不同高模量劑種類及摻量的AC-13C和AC-20C瀝青混合料的最佳油石比及馬歇爾試驗結果見表3、表4。

表2 礦料級配設計結果

表3 AC-13C最佳油石比及馬歇爾試驗結果

表4 AC-20C最佳油石比及馬歇爾試驗結果

2 吸水試驗

參照JTG E20—2011進行馬歇爾擊實試驗，4個試件為一組。將AC-13C、AC-20C馬歇爾試件分別浸泡在40、60 ℃水中，記錄不同浸泡時間時普通混合料、3.5%BRA高模量瀝青混合料馬歇爾試件的吸水量。以試件不同浸泡周期的吸水量與試件飽和狀態時吸水量的比值作為試件吸水率。混合料吸水量及吸水率試驗結果見圖2、圖3。

從圖2、圖3可看出：礦料級配及水溫相同時，隨浸水時間的增加，普通瀝青混合料、3.5%BRA瀝青混合料試件的吸水量與吸水率變化趨勢相當；礦料級配及浸水時間相同時，水溫越大，試件吸水量越大，吸水率越小；浸水時間及水溫相同時，AC-20C瀝青混合料的吸水量大于AC-13C；相同條件下，普通瀝青混合料與3.5%BRA瀝青混合料的吸水量相差不大。

圖2 不同水溫時試件吸水量隨浸水時間的變化

3 路用性能分析

瀝青路面是一種柔性結構，是道路工程中最上層結構層，直接承受車輛軸載、高溫、紫外線及雨雪等綜合外部環境的作用，需具備良好的路用性能才能滿足運營年限及服務水平要求。在RA、PR.M 和BRA不同摻量的基礎上，對AC-13C、AC-20C 2種瀝青混合料在不同試驗條件下進行高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害試驗，評價瀝青混合料的路用性能。

3.1 高溫穩定性試驗

瀝青路面的高溫穩定性對溫度及車輛軸載較敏感，隨著溫度增加，車輛軸載增大，其高溫抗車轍能力逐漸降低。高溫環境下，瀝青路面在車輛軸載的重復作用下會發生彈性及塑性變形，塑性變形長期積累即形成永久性車轍，擁包、泛油等路面病害也是瀝青路面高溫穩定性差的表現形式。目前對高溫及軸載共同作用下瀝青混合料高溫性能的研究較多，且技術趨于成熟，但對水-溫相互作用下混合料抗車轍能力的研究較少。不同含水率、不同試驗溫度下動穩定度試驗結果見圖4，不同保養時間、不同試驗溫度下動穩定度試驗結果見圖5。

從圖4、圖5可以看出：含水率、礦料級配、試驗溫度、保養周期、高模量劑種類及摻量對混合料動穩定度均有很大影響；相同試驗條件下，溫度越高、試件含水率越大、保養周期越長，動穩定度越小，而高模量劑摻量越大，動穩定度越大；相同試驗條件下，AC-20C瀝青混合料的高溫穩定性優于AC-13C，RA高模量劑對瀝青路面高溫性能的改善效果優于PR.M、BRA 。

圖4 不同含水率、不同車轍試驗溫度下動穩定度試驗結果

圖5 不同保養時間、不同車轍試驗溫度下動穩定度試驗結果

3.2 低溫抗裂性

低溫環境下，瀝青膠漿脆性變大，韌性降低，這是北方季節性冰凍區瀝青路面產生裂縫的主要原因。當結構層內部因溫度變化產生的溫縮應力高于其極限容許拉應力時，瀝青路面會出現細小裂縫，這些裂縫如果不能及時得到處治就會形成龜裂、坑槽等嚴重病害。選用-10 ℃低溫小梁彎曲試驗評價AC-13C、AC-20C瀝青混合料的低溫抗開裂能力，試驗結果見圖6、圖7。

圖6 不同含水率、不同保養溫度下彎曲破壞應變試驗結果

圖7 不同保養時間、不同保養溫度下彎曲破壞應變試驗結果

從圖6、圖7可看出：含水率、礦料級配、養生溫度、保養周期、高模量劑種類及摻量均對混合料彎曲破壞應變有較大影響；相同條件下，含水率越大、養生溫度越高、養生周期越長，小梁試件彎曲破壞應變越小，而高模量劑摻量越大，小梁試件彎曲破壞應變越大；相同試驗條件下，AC-13C瀝青混合料的低溫抗開裂性能優于AC-20C，PR.M高模量劑對瀝青路面低溫性能的改善效果優于RA、BRA。

3.3 水穩定性

瀝青與礦料之間的黏附性對瀝青路面的抗水損害能力起著決定性作用，而車輛軸載、雨水及紫外線的綜合作用會降低瀝青與礦料之間的黏附性，造成瀝青膠漿從混合料孔隙中脫落，松散、坑槽等病害是瀝青路面水穩定性差的主要表現形式。選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗評價AC-13C、AC-20C瀝青混合料的抗水損害能力，試驗結果見圖8、圖9。

圖8 浸水馬歇爾殘留穩定度試驗結果

圖9 凍融劈裂殘留強度比試驗結果

由圖8、圖9可看出：高模量劑種類及摻量均對瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度、凍融劈裂殘留穩定度有較大影響；隨著不同種類高模量劑摻量的增加，2種級配類型瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度、凍融劈裂殘留穩定度均增大；相同條件下，AC-13C瀝青混合料抵抗水損害的能力優于AC-20C，RA高模量劑對瀝青路面水穩定性能的改善效果優于PR.M、BRA。

4 結論

通過對3種高模量AC-13C、AC-20C瀝青混合料配合比設計及水-溫相互作用下吸水、高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害性能進行試驗研究，得出以下結論：

(1)級配類型相同時，高模量劑種類及摻量對瀝青混合料最佳油石比的影響不大；相同條件下，隨著浸水時間的增加，混合料的吸水量與吸水率變化趨勢相當；溫度越高，混合料吸水量越大，吸水率越小；AC-20C瀝青混合料的吸水量大于AC-13C。

(2)相同條件下，含水率、試驗溫度、養生溫度、養生周期、高模量劑種類及摻量對瀝青混合料路用性能有較大影響；相同條件下，AC-20C瀝青混合料的高溫性能優于AC-13C，AC-13C瀝青混合料的低溫及水穩定性能優于AC-20C，RA高模量劑對2種瀝青混合料高溫及水穩定性能的改善效果優于PR.M、BRA，PR.M高模量劑對瀝青混合料低溫性能的改善效果最優。