低标号沥青耐久性高模量沥青混合料组成设计与路用性能研究

陆燕燕

(启东交通投资集团有限公司，江苏启东 226200)

0 引言

目前，我国沥青路面中使用较多的石油沥青是70号沥青，其本身针入度较高，软化点较低，高温性能并不理想，随着全球变暖，环境温度的升高，以及日益增加的交通荷载，沥青路面的病害状况日益加剧。为了提高沥青混合料的抗高温变形能力，宜选择粘度较大、劲度较高的沥青胶结料［1，2］。

由于低标号沥青针入度较低、软化点较高，具有较好的高温稳定性，在国外尤其是欧洲已有较成功的应用经验［3-5］。而国内关于硬质沥青耐久性高模量混合料中的研究和应用目前还处于起步阶段，许多技术问题值得进一步研究。本文采用低标号硬质沥青作为胶结料，进行耐久性高模量混合料相关技术研究，重点对其组成设计及路用性能展开研究。其研究成果可为我国耐久性高模量沥青混合料的设计及应用提供技术支撑和参考。

1 原材料

本研究的集料采用江苏镇江茅迪的石灰岩，矿粉为磨细石灰岩矿粉。沥青则采用中石化生产的氧化30号沥青和溶剂脱30号沥青，两种沥青的主要技术指标检测结果如表1所示。

表1 30号低标号沥青主要技术指标检测结果

2 耐久性高模量沥青混合料配合比设计研究

2.1 矿料级配设计

耐久性高模量沥青混合料的配合比设计根据法国高模量沥青混合料设计指南的要求进行，矿料级配设计结果如表2所示。

表2 耐久性高模量沥青混合料矿料级配设计结果

2.2 最佳油石比确定

耐久性高模量沥青混合料的沥青胶结料用量采用丰度系数K控制，要求丰度系数K＞3.4，K根据式(1)计算:

其中，TLext为油石比，%。

其中，G为粒径大于6.3 mm的集料占总的集料的百分率，%;S为粒径在0.25 mm～6.3 mm之间的集料占总集料的百分率，%;s为粒径在0.063 mm～0.25 mm之间的集料占总集料的百分率，%;f为粒径小于0.063 mm的集料占总的集料的百分率，%。

其中，ρG为集料的有效密度，g/cm3。

根据表2中的设计级配确定式(1)～式(3)中的各参数，如表3所示。经计算，当油石比采用5.6%时，丰度系数K=3.52＞3.4，即该油石比可以满足丰度系数 K 的要求，故本研究采用5.6%的油石比来成型混合料。

表3 根据集料计算得到的系数表 %

3 耐久性高模量沥青混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性

本文采用国内车辙试验和法国车辙试验对耐久性高模量沥青混合料的高温稳定性进行研究，国内高温车辙试验按JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中T0719—2011的方法进行，试验温度为 60℃，轮压为0.7 MPa［6］。法国车辙试验按照法国标准 NF P98－252 的方法进行，试件尺寸长500 mm，宽180 mm，高100 mm。试验温度为60℃，试件在车辙仪中放置12 h～16 h后开始车辙试验。当试件经受指定的荷载循环次数300次、1 000次、3 000次、10 000次、30 000次后，停止设备的运转，测定15 个点的车辙深度［7］。

3.1.1 国内车辙试验

通过对氧化30号沥青和溶剂脱30号沥青耐久性高模量混合料按国内车辙的试验标准进行试验，试验结果见图1。

图1 不同耐久性高模量混合料国内车辙试验结果

从图1的试验结果来看，两种耐久性高模量沥青混合料的动稳定度均满足国内技术规范要求(≥1 000次/mm)，表明氧化30号沥青混合料和溶剂脱30号沥青混合料均具有良好的高温稳定性。从两种耐久性高模量沥青混合料的动稳定度对比结果来看，氧化30号沥青混合料的高温稳定性要明显优于溶剂脱30号沥青混合料，前者的动稳定度大约是后者的3倍。

3.1.2 法国车辙试验

根据法国车辙试验按照法国标准NF P98－252的方法对氧化30号沥青混合料和溶剂脱30号沥青混合料进行法国车辙试验，试验结果如图2所示。

图2 不同耐久性高模量混合料法国车辙试验结果

从图2的试验结果可以看出，随着荷载循环次数的增加，氧化30号沥青混合料的车辙率增长幅度要低于溶剂脱30号沥青混合料，且在不同的荷载循环次数下，氧化30号沥青混合料的车辙率也要明显低于后者，这表明氧化30号沥青混合料的高温稳定性要优于溶剂脱30号沥青混合料，这与国内车辙试验得出的结论一致。此外，试验轮运行30 000次下，两种耐久性高模量沥青混合料的车辙率均低于法国技术规范要求的7.5%，这表明两种耐久性高模量沥青混合料均具有良好的高温稳定性。

3.2 低温弯曲性能

采用－10℃的小梁弯曲试验对氧化30号沥青混合料和溶剂脱30号沥青混合料的低温弯曲性能进行研究，试验结果如图3所示。

从图3的试验结果来看，氧化30号沥青混合料和溶剂脱30号沥青混合料的低温弯拉应变满足技术规范要求的2 000με，表明两种耐久性高模量沥青混合料均具有良好的低温弯曲性能。此外，氧化30号沥青混合料的低温弯曲性能要优于溶剂脱30号沥青混合料。

图3 不同耐久性高模量混合料低温小梁弯曲试验结果

3.3 抗水损害性能

采用冻融劈裂试验对氧化30号沥青和溶剂脱30号沥青耐久性高模量混合料进行抗水损害性能的评价，试验结果如图4所示。

图4 不同耐久性高模量混合料冻融劈裂试验结果

从图4的试验结果来看，两种耐久性高模量沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比均在90%以上，远高于国内规范要求的不小于75%，表明这两种耐久性高模量沥青混合料均具有良好的水稳定性。

3.4 抗疲劳性能

采用四点弯曲疲劳试验对氧化30号沥青和溶剂脱30号沥青耐久性高模量混合料的抗疲劳性能进行研究，在125με应变水平下的疲劳试验结果如图5所示。

图5 不同耐久性高模量沥青混合料疲劳试验结果

从图5的试验结果来看，氧化30号沥青混合料的疲劳寿命较低，抗疲劳性能较差，而溶剂脱30号沥青混合料的疲劳寿命要远高于氧化30号沥青混合料的疲劳寿命，表现出了良好的抗疲劳性能。

4 结语

1)高温稳定性方面，从国内车辙试验的数据来看，氧化30号沥青混合料和溶剂脱30号沥青混合料的动稳定度分别为12 964次/mm和4 239次/mm;从法国车辙试验的数据来看，随着荷载循环次数的增加，氧化30号沥青混合料的车辙增长率要低于溶剂脱30号沥青混合料的车辙增长率，在30 000次的试验轮运行次数下，二者的车辙率均低于7.5%。综合来看，两种耐久性高模量沥青混合料均具有良好的高温稳定性，氧化30号沥青混合料的高温稳定性要优于溶剂脱30号沥青混合料。2)低温性能方面，氧化30号沥青混合料和溶剂脱30号沥青混合料的低温弯拉应变分别为4 438.7με和3 721.3με，均满足国内技术规范的要求，且氧化30号沥青混合料的低温弯曲性能要优于溶剂脱30号沥青混合料。3)抗水损害性能方面，氧化30号沥青混合料和溶剂脱30号沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比分别为91.9%和94.7%，两种耐久性高模量沥青混合料均具有良好的抗水损害性能。4)抗疲劳性能方面，在125 με应变水平下，氧化30号沥青混合料的疲劳寿命为17 664次，抗疲劳性能较差，而溶剂脱30号沥青混合料的疲劳寿命为1 236 980次，具有良好的抗疲劳性能。