改性沥青混合料路用性能的对比研究

李松+田悦

摘要：高模量沥青混合料作为一种新型路面材料，具有优良的抗车辙性能。为了研究掺加不同改性剂高模量沥青混合料综合性能，以AC-25C高模量沥青混合料为研究对象，通过对70#普通、SBS和RA 三种沥青混合料的高温性能、变形性能、水稳定性和低温性能等试验研究，对比试验和分析了不同改性剂下高模量沥青混合料的路用性能，从而比较出掺加改性剂的高模量沥青混合料的优越性。

Abstract： High modulus asphalt mixture has a good anti-rutting performance as a new type of pavement material. In order to study the comprehensive properties of high modulus asphalt mixture with different modifiers， AC-25C high modulus asphalt mixture is used as the study object， and the pavement performance of high modulus asphalt mixture with different modifiers is analyzed through the test study of the high temperature performance， deformation performance， water stability and low temperature performance of three kind of asphalt mixtures of 70 # ordinary， SBS and RA， then the superior of high modulus asphalt mixture with modifiers is shown through comparison.

关键词：高模量；AC-25C；沥青混合料；路用性能；改性剂

Key words： high modulus；AC-25C；asphalt mixture；pavement performance；modifier

中图分类号：TU528.42 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）20-0074-02

0 引言

沥青混合料是道路交通工程中不可缺少的施工材料。沥青公路在运营期间，路面长期承受行车荷载，加之雨雪等恶劣气候的影响，若不定期养护，公路的性能和寿命都将大受影响。具体来说，沥青混合料的性能主要包括水稳性、耐久性、抗疲劳性能、低温抗裂性能以及高温稳定性能等等。近些年，国内出现了一种新型路用材料——HMAC。目前我国道路工程领域对这种材料的性能及各项指标都不了解，不确定性的因素过多，所以某些地质条件复杂、气候多变、车流量较大的道路施工项目基本不会考虑使用这种新型材料。因此，当前亟需针对HMAC的路用性能进行深入研究。沥青改性是一个物理共混过程，改性剂与沥青的充分混溶是改善沥青性能的基本前提。选择HMAC-25C型沥青混合料为研究对象，分别对70#普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料、RA沥青混合料路用性能进行对比研究。根据国家交通运输部公路科学研究院规定，用于高速公路中RA混合料掺量为0.4%。RA为RESIN ALLOY（树脂合金）的缩写。树脂合金是指不同种类的高聚物，通过物理或化学方法共混，以形成具有所需性能的高分子混合物新材料。

1 高温性能试验

1.1 车辙试验 沥青公路在长时间高温炙烤下稳定性会逐渐下降，路面极易出现车辙，进而会降低路面结构的整体强度，影响路面行车的抗滑性、安全性和舒适度。我们可将这种现象视为路面在反复的行车荷载的作用下，竖直方向的永久变形不断累积（这种变形在夏季比较常见），因此良好的抗高温变形性能是使用这种材料的前提。

在开展车辙试验前，先结合技术规范和试验要求设定试验温度和轮压参数。试验温度应应该与夏季高温条件下的路面温度一致。本试验采用的试验温度和轮压参数有两套：60℃，0.7MPa和70℃，1.0MPa。按照试验要求，应该在试验开始后45～60min内对动稳定度进行计算分析。沥青混合料试件的动稳定度按式（1）计算。

DS=×C1×C2 （1）

式中：DS——沥青混合料试件的动稳定度，次·mm-1；N——试验輪往返碾压次数，取42次/min；C1——试验机类型修正系数，其值为1.0；C2——试件系数，本文中车辙板的尺寸为300×300×50mm，其值为1.0；d2——试件对应于时刻t2的变形量，mm；d1——试件对应于时刻t1的变形量，mm。

不同改性剂下高模量沥青混凝土车辙试验结果见表1。

车辙试验结果表明：在基质沥青的基础上掺加各种改性剂后，改性沥青混合料的动稳定度均有大幅度的提升。60℃，0.7MPa下，RA的动稳定度提高最多，后为SBS。

1.2 SPT动态蠕变模量试验 在沥青混合料的各种模量中，动态模量|E*|与路面的运营状态比较一致，因此各国均参照该参数对沥青路面体系进行设计。动态模量|E*|，即复合模量（E*）的绝对值，其定义为正弦应力的振幅（在任意给定的时间和加载频率相位角）与正弦应变的振幅（在任意给定的时间和加载频率相位角）之比。其数学定义为最大压应力（应力曲线峰值）与最大可恢复轴向应变（可恢复应变曲线的峰值）的比值，数学表达式为：

|E*|= （2）

式中：|E*|-动态模量；σ0-应力峰值；ε0-应变峰值。

由试验结果得出：动态模量受温度和荷载作用频率的影响很大。各种沥青混合料随着温度的增加和荷载作用频率的降低，动态模量逐渐减小。这说明了温度的升高伴随着应变也迅速增加，从而加大了车辙的产生。随着温度的增加或荷载作用频率的减少，沥青混合料的粘性性质增加，材料表现出粘弹性的性质。endprint

2 变形性能试验

对Φ63.5mm的标准马歇尔试件，试验仪最大荷载不小于25kN，读数准确度100N，加载速率应能保持50±5mm/min。试验步骤参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）。最佳油石比下的沥青混合料马歇尔试验结果见表2。

从表3中马歇尔试验结果得出，各种沥青掺配比例的试验结果均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ F40-2004）热拌沥青混合料马歇尔试验技术标准。添加改性剂SBS、RA的高模量沥青混合料的马歇尔稳定度明显高于70#普通沥青混合料，较高的马歇尔稳定度，一定程度说明添加改性剂后的沥青混合料的路用性能的优越性。

3 水稳定性试验

水稳定性评定试验，是在沥青试件浸水前和浸水后针对其力学性能的变化情况进行分析和对比，并根据对比结果确定剥落的间接量度。在饱水条件下，如果试件强度降低，说明该试件具有良好的水稳定性。按《公路沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）的标准规定，对四种沥青混合料采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂强度试验来评价其水稳性。

3.1 浸水马歇尔试验 浸水马歇尔试验与标准马歇尔试验不同之处在于，沥青混合料试件在达到规定温度恒温水槽中的保温时间为48h，其余部分与标准马歇尔试验没有任何差异。试件的浸水残留稳定度按式（3）计算。

MS0=×100 （3）

式中：MS0-试件的浸水残留稳定度，%；MS1-试件浸水48h后的稳定度，kN；MS-试件浸水30-40min的稳定度，kN。

由表4中试验结果可以看出：掺加各种沥青改性剂的沥青混合料残留稳定度均有明显的提升， RA的沥青混合料的残留稳定度最大，其抗车辙性能得到改善。

3.2 冻融劈裂试验 在特定环境中，可采用冻融劈裂试验对沥青混合料试件进行冻融循环，并在试验中准确测量试件遭受水损害前和遭受水损坏后强度的变化趋势，根据强度测量结果对该试件的水稳定性进行综合评定。依据本规程T0702方法制备圆柱体沥青混合料试件（试件直径为101.6±0.25mm，63.5±1.3mm），然后采用马歇尔击实仪对试件进行双面击实各50次，试验温度为25℃，加载速率为50mm/min。集料公称最大粒径为26.5mm。

由表5中试验结果可以看出：掺加各种沥青改性剂的沥青混合料冻融劈裂強度比均有明显的提升，RA的沥青混合料的冻融劈裂强度比最大，水稳定性最好。

4 低温性能试验

实际施工中导致沥青混凝土路面低温开裂的因素往往不止一个，但沥青混凝土的用量和性能必定是其中最主要的两个因素。美国SHRP的一项研究表明，沥青性能对低温问题的影响程度高达80%。针对沥青混合料的低温弯曲试验，实际是按照按设计要求选定小梁试件，对其跨中部位持续施加荷载，当试件最终断裂，再将此时的最大荷载代入数学公式计算出试件的抗弯强度，并将跨中挠度代入数学公式通过运算得到试件的破坏弯拉应变，最后根据抗弯强度和破坏弯拉应变的比值得到试件在遭受断裂破坏时的弯曲劲度模量。实际操作中，技术员需要参考技术规范和试验条件合理设定试验温度及加载速率。当试验温度设定为-10±0.5℃，加载速率为50mm/min时，可根据试验结果对沥青混合料低温拉伸性能进行评定。适用于由轮碾成型后切制的长250±2.0mm，宽30±2.0mm，高35±2.0mm的棱柱体小梁，其跨径为200±0.5mm。一块300mm×300mm×50mm的板块最多可切制8根试件。从试验结果得出：在低温小梁试验中，70#普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量的指标适用性更强，具有较好的低温抗裂性。在基质沥青混合料中掺加RA改性剂后，其低温抗裂性能明显下降，但劲度模量接近于70#普通沥青混合料。

5 结论

①通过车辙试验、SPT动态模量试验较好地评价了70#普通沥青、SBS成品改性沥青、RA三类改性沥青混合料的高温抗车辙能力。②通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验较好地评价了70#普通沥青、SBS成品改性沥青、RA三类改性沥青混合料的水稳定性。与普通沥青材料的残留稳定度比和冻融劈裂强度相比，掺有改性剂的沥青材料对工程的适应性更强。③通过低温小梁弯曲试验较好地评价了70#普通沥青、SBS成品改性沥青、RA三类改性沥青混合料的低温抗裂性能。

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