王 輝，張肖寧

（1.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣東 廣州 510100；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640）

外摻劑改性高模量瀝青混合料高溫性能研究

王 輝1，張肖寧2

（1.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣東 廣州 510100；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640）

選用60℃、75℃車轍試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)來研究外摻劑高模量混合料的高溫穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加高模量外摻劑后混合料高溫性能得到了顯著提高；隨著溫度的增加，外摻劑對(duì)混合料高溫性能的提升幅度不斷增大。這說明越是在高溫環(huán)境下，高模量混合料抵抗車轍病害的能力越強(qiáng)。

車轍試驗(yàn)；動(dòng)態(tài)模量；高模量混合料；性能

0 引 言

外摻劑高模量瀝青混合料在國(guó)外防治瀝青路面車轍病害方面得到了廣泛應(yīng)用，但由于引入時(shí)間較晚，中國(guó)對(duì)高模量瀝青混合料的研究還比較滯后。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)高模量瀝青混合料高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)是動(dòng)穩(wěn)定度，而國(guó)內(nèi)外大量研究表明，車轍試驗(yàn)在評(píng)價(jià)混合料的高溫性能上存在著較大的局限性。因此，本文在車轍試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出以動(dòng)穩(wěn)定度為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并使用相對(duì)變形率作為輔助指標(biāo)，共同對(duì)高模量混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，在瀝青混合料的各種模量中，動(dòng)態(tài)模量（復(fù)合模量）｜E＊｜由于更接近于路面工作狀態(tài)，在受力時(shí)更能反映出混合料變形和變形恢復(fù)的情況而得到越來越多研究人員的重視［1］。本文對(duì)車轍試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證摻加PR系列添加劑混合料的高溫性能，為PR系列添加劑高模量混合料的應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 高模量混合料試驗(yàn)材料指標(biāo)

高模量外摻劑選用的是國(guó)產(chǎn)高模量外摻劑，具體指標(biāo)見表1。研究采用的瀝青主要有基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。試驗(yàn)AC－13C級(jí)配使用集料為廣東封開東威石場(chǎng)輝綠巖，AC－20型瀝青混合料所用集料為廣東新會(huì)石場(chǎng)花崗巖。

表1 高模量外摻劑技術(shù)指標(biāo)

礦粉采用佛山三水鴻昌石粉廠產(chǎn)石灰?guī)r礦粉。

2 高模量混合料設(shè)計(jì)

2.1 配合比設(shè)計(jì)

車轍大多發(fā)生在瀝青路面的中上面層，而目前高等級(jí)瀝青路面中上面層多采用的是密集配瀝青混合料AC－13C和AC－20，見表3、4。因這兩種級(jí)配在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，混合料的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)較為成熟，因此選取這兩種級(jí)配進(jìn)行混合料試驗(yàn)。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052—2000）中的相關(guān)規(guī)定，采用馬歇爾試驗(yàn)法確定不同外摻劑摻量下混合料的最佳瀝青用量。

2.2 確定外摻劑最佳用量

高模量瀝青混合料是從提高模量的角度提高混合料的高溫抗車轍能力。本文試驗(yàn)采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定不同類型級(jí)配摻加高模量瀝青混合料后的最佳瀝青用量；采用靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)確定外摻劑的最佳摻量。

為了驗(yàn)證高模量瀝青混合料的性能，本文制作了6種瀝青混合料，分別是 AC－13C、AC－20，以及添加0.4%、0.6%（占混合料的質(zhì)量百分比）外摻劑的AC－13C和AC－20。通過大量的馬歇爾試驗(yàn)最終確定這6種混合料的最佳瀝青用量（表5），瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表2 基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表3 AC－13C瀝青混合料礦料級(jí)配組成

表4 AC－20瀝青混合料礦料級(jí)配組成

表5 不同外摻劑摻量下瀝青混合料的最佳瀝青用量

2.2.1 靜態(tài)模量試驗(yàn)

靜態(tài)模量試驗(yàn)方法按瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)圓柱體法（T 0713－2000）的規(guī)定，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀上通過控制試件高度模式旋轉(zhuǎn)成型100mm×100mm圓柱體試件，在室溫條件下放置24h脫模。使用MTS 810材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率為1 mm·min－1，試驗(yàn)過程中使用MTS810自帶的環(huán)境保溫箱（溫度精確至0.1℃）保溫。

對(duì)于AC－13C和AC－20型級(jí)配，分別對(duì)添加0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%外摻劑時(shí)在最佳瀝青用量下進(jìn)行靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，添加高模量外摻劑對(duì)瀝青混合料回彈模量的提高有顯著效果，添加外摻劑后的混合料回彈模量都明顯增大。

對(duì)比圖1兩條曲線可看出：隨著外摻劑劑量的逐漸增加，瀝青混合料的回彈模量呈上升趨勢(shì)；當(dāng)外摻劑的摻量在0～0.2%時(shí)，增長(zhǎng)幅度最大；當(dāng)摻量大于0.6%時(shí)，回彈模量繼續(xù)變大，但是增長(zhǎng)的幅度相對(duì)減緩。

圖1 兩種級(jí)配在不同摻加劑摻量下的回彈模量變化曲線

2.2.2 劈裂試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的粘聚能力，通過對(duì)摻加不同摻量外加劑的試件進(jìn)行室內(nèi)劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，獲取外摻劑的最佳添量。在室溫（20℃±1℃）下，依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的瀝青混合料劈裂試驗(yàn)（T 0716—2011）進(jìn)行試驗(yàn)。采用馬歇爾擊實(shí)成型圓柱體試件，其標(biāo)準(zhǔn)尺寸為101.6 mm×63.5mm。

對(duì)于 AC－13C型級(jí)配，分別對(duì)添加0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%外摻劑在最佳瀝青用量下成型的試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種級(jí)配在不同摻加劑摻量下劈裂強(qiáng)度變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，高模量外摻劑能夠明顯提高瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度。當(dāng)摻加劑的摻量達(dá)到0.8%時(shí)，AC－13C和AC－20兩種混合料的劈裂強(qiáng)度相較于沒有添加外摻劑的混合料劈裂強(qiáng)度分別增加了1.6倍和1.4倍。隨著外摻劑加入劑量的增多，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度也隨之增大，但當(dāng)外摻劑摻量從0.6%增加到0.8%的時(shí)候，劈裂強(qiáng)度的增幅很小，甚至出現(xiàn)下降。這說明外摻劑的劑量并不是越多越好，當(dāng)摻量達(dá)到一定程度的時(shí)候，外摻劑的提升作用并不明顯。綜合考慮高模量瀝青混合料的性能要求，本文將高模量外摻劑的摻量定為0.6%。

3 高模量混合料高溫性能試驗(yàn)

3.1 車轍試驗(yàn)

本文在采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)高模量混合料高溫穩(wěn)定性能之外，同時(shí)選取相對(duì)變形率指標(biāo)來評(píng)價(jià)高模量混合料的高溫穩(wěn)定性能。國(guó)內(nèi)外不少研究者認(rèn)為，采用相對(duì)變形率能更好地反映瀝青混合料的高溫性能［2－5］。動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形率的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，車轍變形曲線如圖3所示。

表6 4種混合料動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形率試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同溫度與不同外摻劑混合料車轍變形曲線

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，摻加高模量外摻劑后，兩種級(jí)配混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形率都有了大幅度的提高，這反映出高模量瀝青混合料在抵抗車轍變形方面的優(yōu)勢(shì)［6］。從混合料變形曲線也可以發(fā)現(xiàn)，除了在開始?jí)好茏冃坞A段有一定程度的變形外，在10min以后，高模量瀝青混合料幾乎沒有變形；與此對(duì)應(yīng)的基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料在開始的壓密階段就有很大的變形，在10min后，變形繼續(xù)增大并呈不斷發(fā)展的趨勢(shì)。綜合兩種分析結(jié)果可以得知，高模量瀝青混合料的變形主要與壓實(shí)不足造成的壓密變形有關(guān)，而且這個(gè)變形相對(duì)于基質(zhì)瀝青和改性瀝青的變形來說很小，造成這種結(jié)果的原因應(yīng)該與高模量混合料拌和時(shí)要求較高的溫度（185℃）有關(guān)。同時(shí)，高模量外摻劑融化在集料中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，亦提高了混合料的整體穩(wěn)定性。

3.2 高模量混合料單軸壓縮試驗(yàn)

在瀝青混合料的各種模量中，動(dòng)態(tài)模量（復(fù)合模量）｜E＊｜由于更接近于路面工作狀態(tài)，成為各國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)體系傾向采用的設(shè)計(jì)參數(shù)。越來越多的的研究人員開始重視對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的研究。美國(guó)馬里蘭大學(xué)Witczak教授在不同的頻率及溫度下進(jìn)行無約束加載動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，結(jié)果表明：與試驗(yàn)路數(shù)據(jù)相比，瀝青路面的永久變形與無約束的E＊／sinφ有很高的相關(guān)性。Zhou及Scullion根據(jù)動(dòng)態(tài)模量｜E＊｜測(cè)試結(jié)果得出：動(dòng)態(tài)模量｜E＊｜增加，車轍減??；動(dòng)態(tài)模量｜E＊｜與E＊／sinφ高度相關(guān)。

因此，本文通過單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定4種混合料的動(dòng)態(tài)模量，以此來研究外摻劑高模量瀝青混合料的抗車轍路用性能。

試驗(yàn)采用美國(guó)進(jìn)口的MTS 810材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測(cè)試。用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）成型高150mm、直徑100mm的圓柱形試件，試驗(yàn)溫度分別為5℃、20℃、50℃，加載頻率為0.1～10Hz。兩種瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及相位角變化曲線如圖4～7所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，外摻劑高模量瀝青混合料在相同溫度、不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量均高于不摻加外摻劑的同種級(jí)配混合料。對(duì)于AC－13C和AC－20瀝青混合料，隨著溫度的升高，動(dòng)態(tài)模量提升比率升高，即溫度越高，高模量混合料的優(yōu)勢(shì)越明顯。對(duì)于AC－13C混合料，在20℃、10Hz時(shí)，高模量混合料相對(duì)于未摻加外摻劑的混合料的動(dòng)態(tài)模量提升比率為65%，而在50℃時(shí)，這個(gè)比率達(dá)到了205%；對(duì)于AC－20混合料，在20℃、10Hz時(shí)，高模量混合料相對(duì)于未摻加外摻劑的混合料的動(dòng)態(tài)模量提升比率為35%，當(dāng)溫度上升到50℃時(shí)，提升比率達(dá)到了275%。這表明外摻劑高模量混合料在溫度越高時(shí)，優(yōu)勢(shì)越明顯。由圖6、7可以發(fā)現(xiàn)，高模量混合料的相位角與普通混合料的相位角相差并不大，這說明高模量外摻劑的使用對(duì)瀝青混合料的粘彈特性并沒有顯著的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用車轍試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)研究高模量混合料的抗車轍能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，外摻劑高模量瀝青混合料作為一種有效抵抗車轍的手段，其高溫穩(wěn)定性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青。

（1）外摻劑雖可以大幅提高混合料抗車轍能力，但隨著外摻劑添加量的增大，其提升效果并不明顯；外摻劑的添加量存在一個(gè)最佳值（0.6%），超過這個(gè)值之后，高模量混合料的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)增長(zhǎng)幅度并不明顯。

（2）車轍試驗(yàn)表明，外摻劑高模量混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的6倍和3.5倍，且隨著溫度的升高，其高溫穩(wěn)定性能更明顯。相對(duì)變形率僅為其他兩種混合料的1／3。兩種指標(biāo)在評(píng)價(jià)結(jié)論上是一致的。這也表明使用這兩種指標(biāo)評(píng)價(jià)高模量混合料高溫穩(wěn)定性是合理的。

（3）動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果表明，高模量外摻劑能顯著提高混合料的動(dòng)態(tài)模量，最大提高幅度在2倍以上，這種提升能力在高溫時(shí)尤其顯著，說明高模量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能要優(yōu)于其他幾種瀝青混合料。

（4）車轍試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)表明，越是在高溫情況下，高模量混合料的高溫性能就越明顯，因此外摻劑高模量瀝青混合料更適用于高溫頻發(fā)、重載車輛較多的地區(qū)和路段。

［1］姚 苛.瀝青混合料動(dòng)態(tài)性能研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2007.

［2］王旭東，何兆益.瀝青砼動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形指標(biāo)的研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19（3）：44－46.

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［5］葉遇春.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2004，24（3）：87－90.

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Study on High Temperature Performance of High－modulus Additive Modified Asphalt Mixture

WANG Hui1，ZHANG Xiao－ning2
（1.Industrial Investment Co.Ltd.of Guangdong Communication，Guangzhou 510100，Guangdong，China；2.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

The rutting test and dynamic modulus test at 60℃and 75℃were done to study the high temperature performance of high－modulus additive modified asphalt mixture. The experimental results show that：the high temperature performance of the mixture was significantly improved after adding high－modulus additive；as the temperature rises，the high temperature performance improves a lot.It shows that at higher temperature，the ability of highmodulus mixture to resist rutting disease is stronger.

rutting test；dynamic modulus；high－modulus mixture；performance

U418.6

B

1000－033X（2013）11－0063－04

2013－03－13

交通部西部建設(shè)科技項(xiàng)目（200831822337）

王玉玲］