抗車轍型高模量瀝青及混合料高溫性能研究

作者簡介：唐新國（1987—），碩士，工程師，研究方向：路橋設(shè)計(jì)，新型建筑材料。

摘要：為提高瀝青混合料高溫下的力學(xué)和抗車轍性能，文章引入兩種高模量劑PR和益道R，對高模量瀝青及其混合料力學(xué)性能和高溫性能進(jìn)行研究，并與普通70^#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明：同一溫度下，PR和益道R高模劑改性瀝青復(fù)數(shù)模量大于SBS改性瀝青和普通瀝青，具有較好的力學(xué)特性，同時(shí)高模劑在提升瀝青高溫抗變形能力和疲勞特性方面相比SBS改性瀝青也有較大優(yōu)勢；同一溫度頻率下，混合料動態(tài)模量和動穩(wěn)定度由小到大排序?yàn)椋篈C-20+70^#＜AC-20+SBS＜AC-20+PR＜AC-20+益道R；高模量劑可以大幅度提高瀝青混合料的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，適用于廣西及夏季溫度較高的地區(qū)。

關(guān)鍵詞：道路工程；高模量瀝青；力學(xué)性能；高溫穩(wěn)定性

中圖分類號：U414

0 引言

在全球變暖的大氣候下，廣西夏季氣溫逐漸升高。同時(shí)，隨著交通量逐步增大，公路路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。我國各等級公路路面主要采用瀝青混合料，在高溫下容易產(chǎn)生車轍病害，影響行車安全及舒適性，瀝青混合料的高溫車轍病害已經(jīng)成為路面建設(shè)的主要矛盾。基于此，高模量瀝青混合料（HMAC）被越來越多的研究者所關(guān)注，其有著優(yōu)異的高溫抗車轍性能和抗疲勞性能，能夠延長路面使用壽命^［1］。高潤杰^［2］研究了高模量劑改性瀝青性能的DSR流變特性，結(jié)果表明高模量劑可以有效提升瀝青的高溫抗變形能力。盧桂林等^［3］通過熒光顯微對高模量劑改性機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明高模量劑在瀝青中溶脹發(fā)育，形成聚合物鏈接，與瀝青分析形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善了瀝青的黏彈特性和抗變形能力。趙玉肖等^［4］對比研究了高模量瀝青混合料和普通瀝青混合料的動態(tài)模量試驗(yàn)及其沿路面深度（溫度）的分布規(guī)律，結(jié)果表明高模量劑摻量為混合料的0.5%時(shí)，其動態(tài)模量是普通瀝青混合料的1.2倍，在不同溫度區(qū)間比普通瀝青混合料增長37%～63%。

綜上所述，對高溫性能優(yōu)異的高模量瀝青混合料性能研究意義重大，有不少研究者對其性能進(jìn)行了研究，但試驗(yàn)方法較為單一，且市場上高模量劑種類繁多，性能千差萬別。本文基于前人研究思路及試驗(yàn)方法，結(jié)合廣西本地材料，選用兩種市面上較為成熟的高模量劑，從瀝青和混合料兩方面評價(jià)高模量劑的適用性，并與常規(guī)瀝青和SBS改性瀝青做對比研究，為道路工作者研究瀝青混合料高溫性能提供思路和參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

本文選用的基質(zhì)瀝青為克煉70#，SBS改性瀝青由茂名正誠石油化工有限公司提供，其基本指標(biāo)見表1。高模量劑選擇國內(nèi)外兩款，分別是法國的PR高模量劑與中路交科的益道R高模量改性劑，基本指標(biāo)見表2。石料選擇廣西本地料場生產(chǎn)的石料。各材料規(guī)格性能均符合規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 瀝青

高模量劑改性瀝青的制備：根據(jù)前期研究及廠家推薦，兩種高模量瀝青的摻量均為瀝青質(zhì)量的10%。首先將瀝青用烘箱加熱至160 ℃左右，然后加入稱量好的高模量劑，在160 ℃恒溫油浴鍋中用剪切機(jī)以3 000 rad/min的轉(zhuǎn)速剪切30 min，即得到高模量劑改性瀝青。

通過DSR測試復(fù)數(shù)模量G^*和相位角δ，進(jìn)而計(jì)算材料的車轍因子G^*/sinδ和疲勞因子G^*sinδ，分析高模量瀝青的抗變形及抗疲勞能力，從52 ℃開始掃描，溫度間隔6 ℃，當(dāng)G*/sinδ ≤1.0 kPa時(shí)停止。

1.2.2 瀝青混合料

根據(jù)調(diào)研，高模量瀝青混合料多用于中下面層，因此三種瀝青混合料（常規(guī)、SBS、高模量劑）的級配采用AC-20（見表3）。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定油石比為4.5。

動態(tài)模量是評價(jià)混合料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。本文通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型圓柱體試件（直徑為100 mm、高為150 mm），采用SPT試驗(yàn)儀進(jìn)行動態(tài)模量試驗(yàn)，溫度分別選擇5 ℃、20 ℃、35 ℃和50 ℃四個(gè)溫度點(diǎn)，加載頻率分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz和25 Hz。另外通過車轍試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型瀝青高溫流變及疲勞特性

圖1為70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和兩種高模量瀝青的車轍因子、疲勞因子、相位角隨溫度變化曲線。

從圖1（a）復(fù)數(shù)模量隨溫度變化曲線可知，不同類型瀝青的復(fù)數(shù)模量與溫度增長呈反比趨勢。溫度較低時(shí)模量較大，瀝青不易產(chǎn)生變形，但隨著溫度的升高，模量逐漸下降，瀝青由硬變軟，力學(xué)性能降低。同一溫度下，四類瀝青模量大小順序?yàn)椋阂娴繰gt;PRgt;SBSgt;70#。隨著溫度升高差值逐漸降低，當(dāng)溫度為46 ℃時(shí)，益道R、PR、SBS改性瀝青的模量分別比70#基質(zhì)瀝青提升了222.2 kPa、75.1 kPa和20.5 kPa，但當(dāng)溫度達(dá)到64 ℃時(shí)，益道R、PR、SBS改性瀝青的模量分別只比70#基質(zhì)瀝青提升48.2 kPa、7.5 kPa和1.2 kPa。從數(shù)據(jù)可以看出，兩種高模量改性瀝青明顯大于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，高模量劑提升瀝青力學(xué)性能方面優(yōu)于SBS改性劑。同時(shí)可以看出，不同類型高模量劑對瀝青力學(xué)性能改性效果不同。

從圖1（b）可知，相位角代表瀝青的粘彈特性。當(dāng)相位角為0°時(shí)，材料呈現(xiàn)純彈性性質(zhì)，當(dāng)相位角為90°時(shí)，材料則呈現(xiàn)純黏性性質(zhì)。不同類型瀝青相位角隨著溫度變化趨勢不同，70#瀝青隨溫度升高相位角變大并逐漸向90°靠攏，說明基質(zhì)瀝青隨溫度升高靠近黏性狀態(tài)。SBS改性瀝青相位角變化幅度不明顯，說明其粘彈特性對溫度變化不敏感，能較好地維持粘彈特性。益道R和PR高模量改性瀝青的相位角隨溫度先上升后下降，這是因?yàn)楦吣Ａ縿┦且环N高分子聚合物，其與瀝青分子鏈形成高穩(wěn)定性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)達(dá)到一定溫度后，內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)揮作用，表現(xiàn)出彈性性質(zhì)，增強(qiáng)瀝青高溫下力學(xué)特性，提高瀝青高溫穩(wěn)定性。

車轍因子G^*/sinδ代表瀝青抗永久變形能力，疲勞因子G^*sinδ則反映瀝青的疲勞特性，二者均可由復(fù)數(shù)模量和相位角計(jì)算得出，從圖1（c）、（d）可以看出，瀝青的G^*/sinδ和G^*sinδ隨溫度變化趨勢與復(fù)數(shù)模量變化一致。溫度較低時(shí)，瀝青有著較好的抗變形能力和疲勞特性，但隨著溫度升高，兩種特性逐漸下降，這也解釋了為什么瀝青路面在高溫下容易發(fā)生破壞。相同溫度下，四類瀝青G^*/sinδ和G^*sinδ大小順序?yàn)椋阂娴繰gt;PRgt;SBSgt;70#。對于車轍因子G^*/sinδ，廣西夏季路面最高氣溫可達(dá)60 ℃，因此以64 ℃為例，益道R、PR、SBS改性瀝青的值分別是70#瀝青的28倍、9倍和2倍，說明高模量劑改性瀝青在高溫抗變形能力方面相對SBS瀝青有著極大的優(yōu)勢。對于疲勞因子G^*sinδ，益道R、PR、SBS改性瀝青分別是70#瀝青的27倍、3倍和1.5倍。PR，SBS改性瀝青的疲勞因子G^*sinδ與基質(zhì)瀝青差距小于車轍因子G^*/sinδ，這一現(xiàn)象從圖1（c）、（d）曲線對比中也能看出。

綜上所述，高模量劑改性瀝青力學(xué)性能優(yōu)于SBS改性瀝青，在提升瀝青高溫抗變形能力和疲勞特性方面相比SBS改性瀝青也有著極大的優(yōu)勢，且能夠有效改善瀝青在高溫下的粘彈特性，因此有著非常重要的研究價(jià)值。

2.2 高模量瀝青混合料力學(xué)性能及高溫穩(wěn)定性

圖2為四種瀝青混合料（AC-20+70#，AC-20+SBS，AC-20+PR，AC-20+益道R）的動態(tài)模量隨頻率變化曲線，其中，AC-20+70#表示混合料級配為AC-20，瀝青為70#基質(zhì)瀝青，以此類推。為了更明顯地看出動態(tài)模量隨溫度、頻率和混合料類型的總體變化，繪制3D柱狀圖。以10 Hz加載條件下（相當(dāng)于行車速度60 km/h）為例，不同類型混合料動態(tài)模量隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)如表3所示。

從圖2中可以看出，不同類型瀝青混合料動態(tài)模量隨溫度的升高而降低。從路面抗剪切角度來看，混合料低溫時(shí)模量較大有著優(yōu)異的力學(xué)性能，不易產(chǎn)生車轍、沉陷等病害。隨著溫度的升高動態(tài)模量逐漸下降，混合料軟化，抗剪切能力下降，路面較容易發(fā)生車轍等相關(guān)損害。2022年7月、8月，南方某些已服役幾年的完好城市道路出現(xiàn)了大面積車轍病害，與溫度較高有直接關(guān)系，與本文研究結(jié)論理論吻合。

同時(shí)可以看出，不同類型的瀝青混合料的動態(tài)模量隨加載頻率升高而增加，不同加載頻率對應(yīng)不同車速，頻率越高代表車速越快。研究表明10 Hz和25 Hz分別對應(yīng)車速60 km/h和120 km/h。車速越快，輪胎與路面作用時(shí)間越短，路面主要以彈性變形為主，變形較小，彈性變形恢復(fù)較快。車速較慢時(shí)，荷載停留時(shí)間長，變形變大，瀝青混合料會產(chǎn)生一部分塑性變形，恢復(fù)較慢。相同荷載條件下，材料變形大小影響其動態(tài)模量，變形較小時(shí)模量值會變大，相反變形較大時(shí)模量較小，因此加載頻率（車速）越高瀝青混合料動態(tài)模量越大。

從圖2（e）中可以清晰看出動態(tài)模量隨溫度、頻率以及混合料類型總體變化趨勢。如前文所述，溫度越高，加載頻率越大，混合料模量越大。同時(shí)還可看出不同類型混合料模量差異，同一溫度頻率下，AC-20+70#＜AC-20+SBS＜AC-20+PR＜AC-20+益道R。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，不同改性劑對普通瀝青混合料動態(tài)模量的提升率隨著溫度升高而增大。10 Hz加載條件下，當(dāng)溫度為5 ℃時(shí)，混合料AC-20+SBS、AC-20+PR、AC-20+益道R動態(tài)模量分別比AC-20+70#提升了9.3%、13.1%和16.7%，而50 ℃時(shí)，分別比AC-20+70#提升了24.7%、29.6%和34.4%。高溫下SBS和高模量劑可以大幅度提高瀝青混合料的力學(xué)性能，提高其高溫抗剪切能力，減少車轍等病害，其中益道R對混合料力學(xué)性能提升最優(yōu)，與膠結(jié)料結(jié)論一致。

綜上分析，瀝青混合料在溫度較高和車速較低的情況下力學(xué)性能較差，溫度對力學(xué)性能的影響大于車速，改性劑加入混合料后能提升其力學(xué)性能，提高其抗重載和抗車轍能力，高模量劑對混合料力學(xué)性能作用大于SBS改性劑，不同高模量劑對混合料力學(xué)性能提升不同。各單位在實(shí)際使用中，應(yīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證性能優(yōu)劣，確定最佳產(chǎn)品。

車轍試驗(yàn)?zāi)苤庇^展現(xiàn)混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)劣，定量分析高模量劑對混合料高溫穩(wěn)定性的影響，圖3為車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖3可以明確看出，不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與動態(tài)模量結(jié)果一致，AC-20+益道R和AC-20+PR的高溫穩(wěn)定性最好，分別高達(dá)8 930次/mm和6 452次/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出規(guī)范要求的800次/mm，因此應(yīng)用在南方高溫地區(qū)的瀝青混合料推薦使用高模量劑來提升其力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文針對南方夏季瀝青路面高溫破壞問題，為提高瀝青路面力學(xué)和抗車轍性能，選用兩種市面上較為成熟的高模量劑PR、益道R，從瀝青和混合料兩方面評價(jià)高模量劑的適用性，并與常規(guī)瀝青和SBS改性瀝青做對比研究，主要結(jié)論如下：

（1）瀝青隨著溫度升高，模量逐漸下降，瀝青由硬變軟，力學(xué)性能降低。高模量劑與瀝青分子鏈形成高穩(wěn)定性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)達(dá)到一定溫度后，內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)揮作用，增強(qiáng)瀝青高溫下力學(xué)特性，其在提升瀝青高溫抗變形能力和疲勞特性方面相比SBS改性瀝青有著極大的優(yōu)勢。

（2）同一溫度頻率下，瀝青混合料動態(tài)模量排序?yàn)椋篈C-20+70#＜AC-20+SBS＜AC-20+PR＜AC-20+益道R，表明高模量劑可以大幅度提高瀝青混合料的力學(xué)性能，提高其高溫抗剪切能力。同時(shí)AC-20+益道R和AC-20+PR的高溫穩(wěn)定性分別高達(dá)8 930次/mm和6 452次/mm，大于AC-20+SBS混合料的4 560次/mm。

（3）高模量劑有著優(yōu)異的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，適用于廣西及夏季溫度較高的地區(qū)。但相關(guān)研究表明，其低溫抗裂性能較差，在北方冬季氣溫較低的省份應(yīng)慎重使用，后續(xù)研究者可從如何提升高模量瀝青混合料的低溫抗裂性等方面進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-12