不同高模量瀝青混合料性能研究

摘要：為對比分析不同高模量瀝青混合料的性能，文章選取硬質瀝青、BRA巖瀝青、TLA湖瀝青以及PR.P、ZQ-2、ECB高模量瀝青分別制備6種高模量瀝青混合料，采用馬歇爾體積設計法確定最佳油石比，并在最佳油石比條件下開展高溫性能、疲勞性能、低溫性能以及力學性能試驗。試驗結果表明：PR.P高模量瀝青混合料具有優異的高溫性能，動穩定度明顯高于其余高模量瀝青混合料，而ZQ-2、ECB高模量瀝青混合料疲勞性能和低溫性能優于PR.P以及天然瀝青、硬質瀝青高模量瀝青混合料；高頻作用下PR.P、ZQ-2、ECB動態模量較低，具有較好的低溫抗開裂性能，低頻作用下PR.P、ZQ-2動態模量較高，具有良好的抗高溫變形能力，動態模量評價結果與高低溫試驗結果具有一致性；由動態模量主曲線分析可知，PR.P高模量瀝青混合料相比其余高模量瀝青混合料曲線變化平緩，其混合料動態模量具有較低的頻率和溫度敏感性。

關鍵詞：道路工程；高模量瀝青混合料；路用性能；動態模量；主曲線

中圖分類號：U416.217 A 01 001 4

0 引言

法國標準NF P98 140及NF P98 141規定：高模量瀝青混凝土在15 ℃及10 Hz加載頻率下的動態模量＞14 000 MPa［1］。高模量瀝青混凝土動態模量較高、抵抗變形能力強，具有良好的抗車轍性能和抗疲勞性能，我國一般將其應用于高溫重載地區［2］。自2000年我國引入高模量瀝青混凝土以來，國內對高模量瀝青混凝土開展了大量研究，得出許多有價值的結論。陳竹［3］對PR-Module高模量瀝青混合料開展室內試驗，得出結論：PR-Module高模量瀝青混合料能夠應用于濕熱地區，且有效延緩路面壽命，經濟性較好。馬立杰等［4］為解決高模量瀝青混合料低溫抗裂不足的問題，在巖瀝青制備的高模量瀝青混合料中添加各類纖維并開展室內試驗，得出結論：交織化纖維方案對改善高模量瀝青混合料低溫抗裂性能、長期高溫穩定性和抗疲勞耐久性方面有較好的技術優越性。周震宇等［5］開展高模量瀝青混合料的配合比設計研究工作，得出結論：采用馬歇爾設計方法進行高模量瀝青混合料配合比設計技術可行，指標合理。周彥鋆［6］對硬質瀝青、巖瀝青、湖瀝青、PR.P 4種不同瀝青膠結料所制備的高模量瀝青混合料開展力學特性試驗研究，得出結論：PR.P高模量瀝青混合料相比其他3種高模量瀝青混合料疲勞性能有一定優勢。上述研究主要針對高模量瀝青混合料的路用性能、適用氣候分區以及設計方法，或是對比不同高模量瀝青混合料的力學性能，但較少對不同高模量瀝青混合料的各項性能做全面比較。目前，高模量瀝青混合料所用瀝青膠結料主要有3種類型［7］：（1）硬質瀝青，主要為30#標號及以下的瀝青；（2）由天然瀝青制成，如巖瀝青或湖瀝青；（3）高模量劑制備高模量瀝青，主要成分為烯烴類物質（PR.P）。目前主流的高模量瀝青主要采用高模量改性劑制備，但市面上的高模量劑質量參差不齊，在工程實踐中難以進行有效對比。因此，本文對比分析硬質瀝青、巖瀝青、湖瀝青以及3種國內外高模量劑所制得的高模量瀝青混合料的路用性能、力學性能，為工程實踐選用合適的高模量瀝青混合料類型提供參考。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

本文所選取的高模量瀝青共6種，分別為硬質瀝青、巖瀝青、湖瀝青以及3種高模量劑改性瀝青。其中硬質瀝青為HMB-C，在市面上主要用于制備高模量瀝青混合料；巖瀝青為布敦巖瀝青（BRA）；湖瀝青為特立尼達湖瀝青（TLA）。高模量劑選用法國生產的PR.P聚烯烴類高模量改性劑以及ZQ-2、ECB這兩種國產高模量改性劑。基質瀝青為中遠所生產70#瀝青。基質瀝青、硬質瀝青基本技術參數見表1，天然瀝青基本技術參數見下頁表2。礦料均為優質石灰巖，粗細集料及礦粉相關指標符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求。

1.2 配合比設計

根據廠家推薦以及參考現有文獻結論［3-7］，采用70#基質瀝青添加PR.P、ZQ-2、ECB高模量劑制備3種高模量瀝青，且為對比分析3種高模量劑的優劣，摻量統一設置為瀝青質量的10%。BRA和TLA瀝青分別與基質瀝青以7∶3的質量比制備高模量瀝青。有文獻［7］表明，我國高速公路瀝青路面永久變形主要集中在中下面層，因此選用AC-20作為混合料級配類型。AC-20合成級配見表3。對6種高模量瀝青混合料開展馬歇爾試驗，獲取其最佳油石比及馬歇爾體積指標參數，試驗結果見表4。后文中6種高模量瀝青混合料均在最佳油石比下所制得。

2 結果與討論

2.1 高溫性能試驗

對6種高模量瀝青混合料開展車轍試驗，試驗過程參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20-2011）（以下簡稱《試驗規程》）T0719-2011要求，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗輪壓為0.7 MPa，試驗溫度為60 ℃。試驗結果見圖1。

由圖1可知，PR.P高模量瀝青混合料的動穩定度最佳，達到12 000次/mm，而ECB和HMB-C高模量瀝青混合料動穩定度次之，但也＞10 000次/mm，與PR.P高模量瀝青混合料高溫性能的差距較小。國產高模量瀝青混合料以及天然瀝青制備的高模量瀝青混合料動穩定度相對較差，也在10 000次/mm左右。整體而言，6種高模量瀝青混合料高溫性能均為優異水平。

2.2 疲勞性能試驗

采用間接拉伸疲勞試驗評價6種高模量瀝青混合料的疲勞性能，試驗設備為澳大利亞生產的UTM-100多功能瀝青混合料測試系統。試件采用旋轉壓實法成型，旋轉壓實成型后試件尺寸為直徑150 mm、高度170 mm，然后采用鉆芯法獲取最終試件，最終試件尺寸為直徑100±2 mm、高度40±5 mm。試驗溫度為20 ℃±1 ℃，試驗前采用空氣浴的方式恒溫6 h，然后在試驗環境箱內以預定溫度條件下保溫4 h，共保溫10 h。加載應力比分別為0.3、0.4、0.5。根據文獻［3］研究成果，瀝青混合料施加應力與疲勞壽命次數的關系可表示為：

Nf=k1δn（1）

式中：Nf——瀝青混合料疲勞壽命次數；

k、n——為與材料和溫度相關的參數；

δ——應力（MPa）；

k——瀝青混合料的疲勞壽命水平，k值越高瀝青混合料疲勞壽命越好；

n——瀝青混合料疲勞特性對應力的敏感度，n值越小表明瀝青混合料疲勞壽命對應力的敏感性越小。

試驗結果見表5。由表5可知：根據疲勞壽命分析，6種高模量瀝青混合料的疲勞性能從高至低為ZQ-2＞ECB＞PR.P＞TLA＞BRA＞HMB-C。根據應力與疲勞壽命次數回歸方程分析，6種高模量瀝青混合料的應力與疲勞壽命回歸方程的判斷系數R2均＞0.997，表明高模量瀝青混合料的疲勞特性符合式（1）回歸方程。根據參數k分析，6種高模量瀝青混合料的疲勞性能從高至低為ECB＞ZQ-2＞PR.P＞TLA＞HMB-C＞BRA。根據參數n分析，6種高模量瀝青混合料的疲勞壽命對應力敏感性從大到小依次為TLA＞BRA＞HMB-C＞ZQ-2＞PR.P＞ECB。綜合以上分析結果，可知兩種國產高模量瀝青混合料疲勞性能略優于其他高模量瀝青混合料。

2.3 低溫性能試驗

采用低溫小梁彎曲試驗所獲取的破壞應變指標評價高模量瀝青混合料低溫性能。試驗過程參考《試驗規程》（T0715-2011）要求。試件采用輪碾法成型，試件尺寸為長250 mm、寬30 mm、高35 mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。試驗結果見圖2。

由圖2可知：6種高模量瀝青混合料中，ECB、ZQ-2高模量瀝青混合料低溫性能優于其余4種高模量瀝青混合料，PR.P低溫性能次之，天然瀝青和硬質瀝青低溫性能最差。ZQ-2、ECB、PR.P這3種高模量瀝青混合料的低溫性能水平差異較小，產生該現象的原因主要為這3種高模量劑主要成分均為聚烯烴材料，組成成分相似。

2.4 動態模量及主曲線

采用Superpave簡單性能試驗機測試6種高模量瀝青混合料動態模量，并在試驗結果基礎上擬合動態模量主曲線。瀝青混合料為典型粘彈性材料，在高頻荷載作用下力學響應等同于低溫狀態，在低頻荷載作用下的力學響應等同于高溫狀態。因此，可以通過測試不同溫度、不同加載頻率下的動態模量，基于時-溫等效原理將不同溫度下頻率-動態模量曲線平移到參考溫度下，形成動態模量主曲線［8］，以預測瀝青混合料在更寬頻率域（溫度域）下的力學響應特性。動態模量主曲線一般采用Sig moidal函數擬合，具體見式（2），其他溫度下頻率-動態模量與參考溫度下的曲線可通過位移因子平移得到，與位移因子相關的Sig moidal函數見式（3）。本文通過數值分析軟件Origin擬合參考溫度下的頻率-動態模量曲線，擬合得到α、β、γ、δ參數，然后將其他溫度下的動態模量-頻率關系代入式（3），獲得位移因子。在獲得位移因子后將其他溫度下的頻率-動態模量曲線平移到參考溫度下獲得最終的動態模量主曲線。

lgE=δ+α1+eβ+γlgfr（2）

式中：E——動態模量；

δ——最小動態模量的對數值；

δ+α——最大動態模量的對數值；

fr——縮減頻率；

β、γ——回歸參數。

lgE=δ+α1+eβ+γ（lgfr+ST）（3）

式中：ST——位移因子。

試件采用旋轉壓實法成型后鉆芯取得，試件尺寸為直徑100 mm、高度150 mm。為貼近高模量瀝青混合料在實際環境中的工作狀態，在試驗參數設置上主要考慮溫度、圍壓、應變水平。試驗參數參考相關文獻［7］：設置4個溫度水平，分別為15 ℃、30 ℃、45 ℃、60 ℃，上述溫度水平在高模量瀝青混合料的中溫和高溫區間，可有效表征高模量瀝青混合料的中溫性能和高溫性能；加載頻率設置6個水平，分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、5.0 Hz、10.0 Hz、20.0 Hz；采用正弦應變控制，應變水平為85～115 με，圍壓設置為138 kPa。不同高模量瀝青混合料動態模量測試結果見下頁圖3～6，以30 ℃為參考溫度，位移因子及主曲線Sigmoidal函數擬合參數見下頁表6，主曲線見下頁圖7。

由圖3～6可知：隨著試驗溫度提高，6種高模量瀝青混合料動態模量均快速下降，表明溫度是高模量瀝青混合料抵抗高溫變形能力下降的重要因素。隨著加載頻率增加，6種高模量瀝青混合料的動態模量均增加，因此在行車荷載較慢時不利于高模量瀝青混合料的抗變形能力。當試驗溫度較低時，PR.P、ECB、ZQ-2高模量瀝青混合料動態模量相對較小。這是因為在低溫時，瀝青混合料動態模量較小時有利于抗開裂性能，因此低溫下PR.P、ECB、ZQ-2動態模量較小，有利于其低溫性能，這一點與前文的瀝青混合料低溫小梁試驗結果具有一致性。當溫度逐漸提高時，PR.P、ZQ-2瀝青混合料的動態模量逐漸高于其余高模量瀝青混合料。這是因為在高溫時，瀝青混合料擁有較高的動態模量意味著有較強的抗剪切能力和抗變形能力。除了少數高模量瀝青混合料外，動態模量試驗結果與前文高低溫性能試驗結果具有一致性。

由圖7可知：從主曲線上看，高頻、低頻作用下高模量瀝青混合料動態模量大小與前文高低溫性能相關更為明顯，表明Sig moidal函數適用于擬合高模量瀝青混合料動態模量主曲線。在6種高模量瀝青混合料中，PR.P、ZQ-2高模量瀝青混合料較為優異，在低頻下動態模量較大，在高頻下動態模量較小，具有良好的高低溫性能，但PR.P高模量瀝青混合料主曲線變化更為平緩，對頻率、溫度的敏感性更低。因此，PR.P高模量瀝青混合料在6種高模量瀝青混合料中最優。

3 結語

文章對由HMB-C硬質瀝青、BRA巖瀝青、TLA湖瀝青以及PR.P、ZQ-2、ECB高模量瀝青所制備的6種高模量瀝青混合料開展高溫性能、疲勞性能、低溫性能以及動態模量試驗，全面對比6種高模量瀝青混合料的各項性能，得出如下結論：

（1）PR.P高模量瀝青混合料動穩定度高于其余5種高模量瀝青混合料，具有優異的高溫性能，HMB-C高模量瀝青混合料動穩定度次之。總體上看6種高模量瀝青混合料動穩定度差異較小，且均為優異水平。

（2）PR.P高模量瀝青混合料疲勞性能和低溫性能相比ZQ-2、EC-B高模量瀝青混合料差，但優于天然瀝青、硬質瀝青所制備的高模量瀝青混合料。天然瀝青、硬質瀝青高模量瀝青混合料在工程實踐中使用時應當關注其低溫性能和疲勞性能。

（3）采用動態模量評價6種高模量瀝青混合料的高低溫性能發現，6種高模量瀝青混合料的高低溫性能與車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗結果具有一致性。PR.P高模量瀝青混合料相比其余高模量瀝青混合料曲線變化平緩，具有較低的頻率-溫度敏感性，在6種高模量瀝青混合料中動態模量性能表現最優。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-01