2016, Vol. 33扩展功能
文章信息
- 黄新颜, 沙爱民, 邹晓龙, 蒋玮
- HUANG Xin-yan, SHA Ai-min, ZOU Xiao-long, JIANG Wei
- 高模量沥青混合料的性能及适用场合
- Performance of High Modulus Asphalt Mixture and Applicable Situation
- 公路交通科技, 2016, 33(12): 35-41
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2016, 33(12): 35-41
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.006
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文章历史
- 收稿日期: 2016-07-11
2. 广西交通投资集团有限公司, 广西 南宁 530022
2. Guangxi Communications Investment Group Co., Ltd., Nanning Guangxi 530022, China
早在20世纪60年代，法国就开始使用硬沥青，并就利用硬沥青开发了高模量沥青混合料,20世纪70年代中期开始使用煤沥青和聚氯乙烯制成高模量沥青混合料。1980年之后高模量沥青混合料得到较快发展[1-4]。高模量沥青混合料目前已经在欧洲多国、巴西、南非和我国得到应用研究[1, 5-7]。国际上主要通过两种方式来提高沥青混合料的劲度模量，一种是降低沥青混合料中沥青的标号，采用黏度较大的沥青；另一种是在沥青混合料中加入外掺改性剂[3, 8]。
在采用硬质沥青制取高模量沥青混合料研究方面，法国较早地展开了研究[9-10]。Corte[1]研究表明采用硬质沥青制取的高模量沥青混合料抗车辙性能优于SBS沥青混合料，用于沥青混合料基层时，可以减少基层厚度30%左右。Serfass[3]的研究报告显示硬质沥青高模量可增加沥青含量，有助于改善水敏感性。曹江[11]采用中石化提供的MMN50#和中海油提供的中海50#沥青制取高模量沥青混合料，认为50#沥青制取的高模量沥青混合料适用于-9 ℃以上的地区。梁春雨[12]对30#沥青混合料的路用性能和压实特性进行了研究，并针对性地提出了混合料的配合比。刘朝晖[13]通过将30#沥青与70#沥青及SBS改性沥青混合料进行了对比研究，认为其适用于夏季炎热地区、重轴载道路和长大纵坡路段的高等级公路沥青路面建设。沙爱民[14]采用国内常规指标和SHRP指标分别分析了国产两种50#道路硬质沥青结合料的性能，运用回弹模量、车辙动稳定度、高温蠕变劲度模量等指标评价了沥青混合料的路用性能，研究结果表明国产硬质沥青混合料具有较高的回弹模量和劈裂强度。
在采用聚合物改性剂制取高模量沥青混合料的研究方面，Lee[15]采用高沸点石油和SBS改性剂添加到传统70#沥青中制取高模量沥青混合料，用于长寿命路面基层。试验路段调查结果表明其层底拉应力小于传统沥青混合料。沙爱民[16]采用PRM改性剂制取高模量沥青混合料，从级配类型、成型方法、沥青用量的确定和验证试验等方面对高模量沥青混凝土材料的组成设计进行了研究，并经过室内试验进行了验证。杨海[17]将PRM高模量沥青混合料与添加聚酯纤维的沥青混合料作对比研究，分析了高模量沥青混合料的综合路用性能，认为PRM添加剂可以大幅度改善沥青混合料的动态模量、高温性能、抗水损害性能和低温抗裂性能。
然而，研究均未将硬质沥青和聚合物改性剂两种途径制取的高模量沥青混合料进行系统的对比研究。本文将通过这两种途径制取的高模量沥青混合料，对其高温性能、水稳性能、低温性能及模量特性进行研究。结合试验结果和我国气候区划，提出高模量沥青混合料的适用场合，为高模量沥青混合料在我国的推广应用提供理论依据和技术支持。
1 试验材料与试验方案 1.1 试验材料 1.1.1 沥青与改性剂本文中高模量改性剂PRM和PRS由法国路面材料实业公司(PR IDUSTRIE)生产。50#沥青和70#沥青均为中国石化“东海”牌A级沥青，其性能指标分别如表 1和表 2所示。度量指标参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中对道路石油沥青的技术要求，实际度量指标经过室内试验测得，试验方法参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的各项试验方法及要求。
| 项目 | 性能指标 | 试验结果 |
| 针入度(25 ℃，100 g，5 s)/(0.1 mm) | 40~60 | 57 |
| 针入度指数 | -1.5~1.0 | -0.9 |
| 软化点(环球法)/℃ | ≥49 | 49.8 |
| 60 ℃动力黏度/(Pa·s) | ≥200 | 258 |
| 15 ℃延度/cm | ≥80 | ＞160 |
| 18 ℃密度/(g·cm-3) | 实测 | 1.038 |
| 项目 | 性能指标 | 试验结果 |
| 针入度(25 ℃，100 g，5 s)/(0.1 mm) | 60~80 | 68 |
| 针入度指数 | -1.5~1.0 | -0.9 |
| 软化点(环球法)/℃ | ≥48 | 48.6 |
| 60 ℃动力黏度/(Pa·s) | ≥180 | 198 |
| 15 ℃延度/cm | ≥100 | ＞150 |
| 18 ℃密度/(g·cm-3) | 实测 | 1.033 |
1.1.2 集料与级配
试验中所采用的集料均为石灰岩加工所得。对石料的技术指标进行了检测，试验方法采用《公路工程集料试验规范》(JTJ E42—2005)，其技术指标如表 3所示。采用典型的AC-20级配作为研究级配，各筛孔通过率如表 4所示。
| 技术指标 | 技术要求 | 试验结果 |
| 石料压碎值/% | ≤28 | 22.2 |
| 洛杉矶磨耗损失/% | ≤30 | 17 |
| 沥青的黏附性 | ≥4级 | 5级 |
| 针片状颗粒含量/% | ≤15 | 7.0 |
| 吸水率/% | ≤2.0 | 0.5 |
| 混合料 | 不同孔径(mm)下筛孔的通过率/% | |||||||||||
| 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
| 级配下限 | 100 | 90 | 78 | 62 | 50 | 26 | 16 | 12 | 8 | 5 | 4 | 3 |
| 级配上限 | 100 | 100 | 92 | 80 | 72 | 56 | 44 | 33 | 24 | 17 | 13 | 7 |
| AC-20级配 | 100 | 97.5 | 88.5 | 78.2 | 61.6 | 35.6 | 27 | 18.6 | 14.4 | 10.7 | 7.6 | 5.3 |
1.1.3 混合料制取
试验中分别通过50#硬质沥青、PRM和PRS改性剂制取高模量沥青混合料。其中PRM和PRS高模量沥青混合料采用70#沥青作为基质沥青，PRM和PRS掺量按照混合料质量的0.4%进行添加。根据《公路沥青路面施工技术规范》中规定的50#沥青和70#沥青热拌沥青混合料的施工温度表来确定各沥青的加热温度及沥青混合料的拌和温度和成型温度。根据改性剂使用说明，添加PRM和PRS的沥青混合料拌和温度和成型温度需适当提高。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青混合料的试件制作方法制作试件。
以下分别简单介绍两类高模量沥青混合料的成型方式。
(1) 50#沥青混合料试件成型
① 将集料加入试验室沥青混合料拌和器中，加热至180 ℃；
② 集料在165~170 ℃时加入沥青进行湿拌，加入矿粉后拌和均匀；
③ 在温度为(150±3)℃时成型试件。
(2) 70#加改性剂沥青混合料试件成型
① 将集料加入试验室沥青混合料拌和器中，加热至180 ℃；
② 加入一定掺量的PRM或PRS改性剂(按沥青混合料总质量的百分比掺入，下同)，在175～180 ℃ 时与集料干拌15 s；
③ 集料在170~175 ℃时加入沥青进行湿拌，加入矿粉后拌和均匀；
④ 在温度为(170±3)℃时成型试件。
通过马歇尔配合比设计方法确定最佳油石比。50#，70#+PRS，70#+PRM沥青混合料的最佳油石比分别为4.85%，4.66%，4.7%。
1.2 试验方案将通过上述两途径制取的高模量沥青混合料50#，70#+PRMS，70#+PRM沥青混合料，通过45，60，70 ℃车辙试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验以及静、动态模量试验，对混合料的高温性能、水稳性能、低温性能及模量特性进行研究。结合试验结果和我国气候区划，提出高模量沥青混合料的适用场合。
2 性能评价 2.1 高温性能选取60 ℃车辙试验检测混合料的高温性能。根据我国现行规范，针对高温地区气候条件，车辙试验温度可适当提高。因此，针对我国部分高温地区，特增加75 ℃车辙试验。同时为了得到不同温度下沥青混合料的高温车辙试验规律，特增加45 ℃车辙试验。试验自动记录车辙深度，并计算动稳定度和相对变形率作为评价沥青混合料高温性能的指标。其中相对变形率以60 min时的车辙变形量除以车辙板总厚度计算得到。
试验过程中发现50#沥青混合料的车辙变形量较大，而70#+PRS和70#+PRM沥青混合料的变形量非常微小。对比3种沥青混合料的相对变形率可以看出，50#沥青混合料的相对变形率也显著大于后两者(图 1)。
|
| 图 1 三种沥青混合料相对变形率对比 Fig. 1 Comparison of relative deformation rates of 3 asphalt mixtures |
| |
分析不同温度结果发现，3种沥青混合料的动稳定度均随温度的升高减小，尤其从60 ℃到75 ℃，动稳定度显著减小。说明温度对混合料的动稳定度影响明显。但通过计算发现，温度从45 ℃增加到75 ℃时，50#沥青混合料、70#+PRS沥青混合料和70#+PRM沥青混合料的动稳定度降幅分别为91.5%，81.6%，91.5%，说明温度对70#+PRS混合料影响最小，而50#和70#+PRM沥青混合料对温度的敏感性相当。需要说明的是即使在75 ℃高温的情况下，70#+PRS沥青混合料依然满足规范要求夏季炎热区动稳定度2 800次/mm的要求(图 2)。
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| 图 2 同一种沥青混合料在3种温度下的动稳定度对比图 Fig. 2 Comparison of dynamic stability of same type of asphalt mixture at 3 temperatures |
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但在相同温度下，动稳定度大小排列均为70#+PRS混合料＞70#+PRM混合料＞50#沥青混合料。相对于50#沥青混合料，70#+PRS和70#+PRM沥青混合料的动稳定度增幅明显。以60 ℃为例，70#+PRS和70#+PRM沥青混合料动稳定度的增幅分别为1 350%和867%。PRS添加剂对提高沥青混合料的动稳定度作用比PRM添加剂明显(图 3)。
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| 图 3 三种沥青混合料在同一温度下的动稳定度对比图 Fig. 3 Comparison of dynamic stability of 3 asphalt mixtures at same temperature |
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2.2 水稳性能
选取冻融劈裂试验来评价高模量沥青混合料的水稳定性。3种混合料冻融组和未冻融组每组试件各4个。试验结果如表 5所示。
| 混合料类型 | 试验条件 | 劈裂抗拉强度均值/MPa | 冻融劈裂强度比/% |
| 50# | 冻融 | 0.77 | 83.15 |
| 未冻融 | 0.92 | ||
| 70#+PRS | 冻融 | 0.81 | 83.21 |
| 未冻融 | 0.98 | ||
| 70#+PRM | 冻融 | 0.77 | 82.46 |
| 未冻融 | 0.93 |
从试验结果可以看出，不论是冻融试件还是未冻融试件，50#沥青混合料的试验荷载和劈裂强度均显著小于70#+PRS和70#+PRM沥青混合料，说明50#沥青混合料的力学强度比二者小。从冻融劈裂强度比看，三者分别为83.15%，83.21%，82.46%。且三者数值不相上下，表明3种混合料的水敏感性相当。3种沥青混合料的冻融劈裂比均大于规范技术标准(不小于75%)，反映出3种混合料都具有良好的水稳定性。
2.3 低温性能本文在-10 ℃的条件下对3种沥青混合料的小梁试件进行低温弯曲破坏试验。试验加载设备为西安力创PLN-100电液伺服疲劳试验机，采用设备自带环境箱控温。试件尺寸为30 mm(宽)×35 mm(高)×250 mm(长)棱柱体小梁试件。加载跨径为200 mm。加载方式为中点加载，加载速率为50 mm/min，试验结果如表 6所示。
| 沥青混合料类型 | 抗弯拉强度/MPa | 最大弯拉应变/με | 弯曲劲度模量/MPa |
| 50# | 10.121 | 2 653 | 4 126.022 |
| 70#+PRS | 10.654 | 2 510 | 4 226.812 |
| 70#+PRM | 10.436 | 2 469 | 4 244.977 |
从试验结果可以看出，3种沥青混合料的抗弯拉强度相差不大，差别在2%之内。冻融劈裂试验中劈裂强度为间接抗拉强度，而弯拉强度与劈裂强度大小规律相差较大。原因主要是在低温条件下，沥青结合料变硬变脆，使得三者差别变小。3种沥青混合料的最大弯拉应变和弯曲劲度模量也相差不大。最大弯拉应变排列依次为70#+PRS＜70#+PRM＜50#。弯曲劲度模量排列依次为70#+PRM＞70#+PRS＞50#。
2.4 模量特性为了研究3种高模量沥青混合料的模量特性，分别进行了静态回弹模量试验和动态模量试验。静态回弹模量试验试件为静压成形Φ100 mm×100 mm圆柱体试件；试验温度为20 ℃；加载速率为2 mm/min。动态模量试验试件为静压成型Φ100 mm×150 mm 圆柱体试件；选取3个试验温度：10，30，50 ℃，加载频率为0.1～25 Hz；加载设备为UTM万能材料试验机。静态模量试验结果如表 7所示。动态模量试验结果如表 8所示。
| 混合料类型 | 抗压强度/MPa | 回弹模量/MPa |
| 50# | 10.24 | 2 654.8 |
| 70#+PRS | 9.81 | 2 594.2 |
| 70#+PRM | 8.77 | 2 438.1 |
| 混合料类型 | 温度/℃ | 动态模量/MPa | |||||
| 25 Hz | 10 Hz | 5 Hz | 1 Hz | 0.5 Hz | 0.1 Hz | ||
| 50# | 10 | 20 486 | 18 474 | 16 831 | 12 952 | 11 176 | 7 408 |
| 30 | 6 618 | 5 055 | 3 947 | 1 932 | 1 375 | 734 | |
| 50 | 2 2001 | 1 546 | 1 221 | 845 | 768 | 667 | |
| 70#+PRS | 10 | 20 022 | 17 855 | 16 105 | 12 315 | 10 727 | 7 244 |
| 30 | 6 693 | 4 941 | 3 794 | 1 778 | 1 298 | 622 | |
| 50 | 2 147 | 1 549 | 1 213 | 806 | 730 | 612 | |
| 70#+PRM | 10 | 21 324 | 19 674 | 18 094 | 14 727 | 12 641 | 9 263 |
| 30 | 7 562 | 5 839 | 5 492 | 2 574 | 2 020 | 1 251 | |
| 50 | 3 521 | 2 846 | 2 268 | 2 065 | 1 953 | 1 492 | |
从表 7可以看出，抗压强度和回弹模量的大小顺序均为70#+PRM＜70#+PRS＜50#，说明50#的静态回弹模量优势明显。
从表 8可以看出，3种混合料的动态模量均随频率的增加而增加，随温度的增加而降低。温度从10 ℃ 升高到30 ℃时，动态模量降幅明显，从30 ℃升高到50 ℃时降幅较小。在动态模量试验中，10 Hz 的加载频率相当于车速72~80 km/h，而1 Hz加载频率相当于车速10~20 km/h。因此选取30 ℃时10 Hz和1 Hz的动态模量进行分析。10 Hz和1 Hz动态模量的大小顺序均为70#+PRS＜50#＜70#+PRM。由此可见，动、静载模量大小顺序差异明显。50#和70#+PRM沥青混合料的10 Hz 和1 Hz动态模量均较大，说明在车辆正常车速和长大上坡低速行驶情况下，50#和70#+PRM沥青混合料均有较好的承载能力。
3 适用场合分析 3.1 混合料性能及费用对比50#，70#+PRS，70#+PRM沥青混合料的60 ℃动稳定度分别为2 103.1，31 800.03，21 200.02 次/mm。根据《公路沥青路面施工技术规范》中对沥青混合料车辙试验动稳定度的要求，3种混合料均满足夏季炎热区改性沥青混合料不小于2 800次/mm和普通沥青不小于1 000次/mm的要求。若将50#沥青混合料按照改性沥青混合料的标准要求，仍然可以满足2-1和3-2区的要求(分别为2 000次/mm和 1 800次/mm)。
根据规范对冻融劈裂试验的要求，潮湿区的改性沥青混合料的冻融劈裂强度比应不小于80%。因此，50#，70#+PRS，70#+PRM沥青混合料的冻融劈裂强度比分别为83.15%，83.21%，82.46%，均满足潮湿区的要求。
50#，70#+PRS，70#+PRM沥青混合料的最大弯拉应变分别为2 653，2 510，2 469 με。根据规范对低温弯曲试验破坏应变的要求，若将50#沥青混合料按照普通沥青混合料指标要求，则可满足严寒区要求(2 600 με)；若按照改性沥青混合料标准要求，则可满足冬温区要求(2 500 με)。70#+PRS沥青混合料可满足冬温区要求，而70#+PRM沥青混合料则略低于冬温区要求。
另外，从模量特性方面看，50#沥青混合料的静态模量最大。PRM沥青混合料10 Hz和1 Hz的动态模量最大。从经济效益角度分析，3种高模量沥青混合料中，50#沥青价格相对便宜，不增加额外工序和费用，与高温地区常用的70#和90#沥青价格没有显著差异。PRM改性剂价格为13 000元/t，PRS改性剂价格为15 000元/t。对于传统基质沥青混合料，两者均增加了改性剂成本费用，同时增加了混合料拌和过程中的干拌，费用相对较高。但是与SBS沥青混合料相比减少了沥青改性工序，对混合料总体造价而言，PRM和PRS沥青混合料略低。
将规范要求值作为参照，将3种混合料性能分为“优、良、中、差”4个等级。模量特性和费用则参照普通70#沥青混合料进行对比。对3种沥青混合料的路用性能及费用情况总结如表 9所示。
| 混合料类型 | 高温稳定性 | 低温抗裂性 | 水稳定性 | 模量特性 | 费用 |
| 50#沥青混合料 | 良 | 中 | 优 | 优 | 低 |
| 70#+PRS沥青混合料 | 优 | 中 | 优 | 优 | 较高 |
| 70#+PRM沥青混合料 | 优 | 差 | 优 | 优 | 较高 |
3.2 适用场合 3.2.1 50#沥青混合料
50#沥青混合料高温、水稳、模量性能均属“优”或“良”，低温性能属“中”。但按照改性沥青标准要求，不推荐在冬严寒区使用。综合各方面路用性能，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的沥青路面使用性能气候分区要求，50#沥青混合料的适用场合为：2-2-1夏热冬寒潮湿地区，2-2-2夏热冬寒湿润地区，2-3-1夏热冬冷潮湿地区，2-3-2夏热冬冷湿润地区，2-3-3夏热冬冷半干地区，2-4-1夏热冬温潮湿地区，2-4-2夏热冬温湿润地区，2-4-3夏热冬温半干地区，3-2-1夏凉冬寒潮湿地区，3-2-2夏凉冬寒湿润地区。由于其模量较大，也可在重载、长大上坡路段使用。
3.2.2 70#+PRM沥青混合料70#+PRM沥青混合料的高温、水稳性能均属“优”，低温性能属“差”。综合各方面路用性能，70#+PRM沥青混合料的适用场合为夏季炎热冬季气温较高地区。70#+PRM沥青混合料具有较高的回弹模量和动态模量，因此也适用于重载、长大上坡等特殊路段。
3.2.3 70#+PRS沥青混合料70#+PRS沥青混合料高温、水稳性能均属“优”，低温性能属“中”，不推荐在冬季气温较低地区使用。综合各方面的路用性能，70#+PRS沥青混合料的适用场合为：1-4-1 夏炎热冬温潮湿地区，1-4-2 夏炎热冬温湿润地区，2-4-1夏热冬温潮湿地区，2-4-2夏热冬温湿润地区。70#+PRS沥青混合料适用范围很广，但鉴于添加改性剂会增加成本，因此气候条件不太恶劣地区的重载路面可以考虑选用50#高模量沥青混合料。
4 结论本文通过硬质沥青和聚合物改性两种途径制取高模量沥青混合料，对其高温性能、水稳性能、低温性能及模量特性进行了研究。结合试验结果和我国气候区划，提出了高模量沥青混合料的适用场合。可以得出以下结论：
(1) 温度从45 ℃增加到75 ℃时，50#，70#+PRS，70#+PRM沥青混合料的动稳定度降幅分别为91.5%，81.6%，91.5%。说明温度对70#+PRS混合料的高温性能影响最小。
(2) 50#，70#+PRS，70#+PRM沥青混合料的水稳定性良好，三者相差不大。50#沥青混合料的低温性能相对较好，70#+PRS和70#+PRM沥青混合料的低温性能较差。
(3) 50#沥青混合料的静载模量最大。70#+PRM沥青混合料的10 Hz和1 Hz动态模量最大，说明在车辆正常车速和低速行驶情况下70#+PRM沥青混合料均有较好的承载能力。
(4) 50#沥青混合料适用于夏热、冬冷地区，70#+PRM沥青混合料适用于冬季气温较高地区和重载、长大上坡等特殊路段，70#+PRS沥青混合料适用于夏炎热、冬温地区。
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