程 梅

(無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無錫 214000)

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高模量瀝青混凝土抗裂性能及改善措施研究

程 梅

(無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無錫 214000)

為了研究高模量瀝青及其混合料的低溫抗裂性能，提出高模量瀝青混合料低溫抗裂性和抗疲勞性能的改善措施，采用低溫彎曲、約束試件溫度應(yīng)力和三分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)從不同角度揭示了3類技術(shù)途徑的高模量瀝青混合料低溫抗裂性和抗疲勞開裂性能，通過抗裂性能試驗(yàn)分析了木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、橡膠粉、SBR、硅藻土5種添加劑對(duì)高模量瀝青混合料抗裂性能的改善作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用低標(biāo)號(hào)瀝青、BRA巖瀝青和添加高模量劑后瀝青混凝土的低溫抗裂性下降，摻加高模量劑和BRA可改善瀝青混合料的抗疲勞開裂性能，低溫抗裂性不足是制約高模量瀝青混凝土大范圍推廣應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸，摻加5種添加劑后高模量瀝青混合料低溫抗裂性能均有一定程度提高，抗疲勞性能顯著增大，玄武巖和木質(zhì)素纖維對(duì)高模量瀝青混合料低溫性能和抗疲勞性能貢獻(xiàn)最大，而橡膠改性瀝青效果最差，經(jīng)實(shí)體工程驗(yàn)證，建議優(yōu)先選擇礦物纖維來改善高高模量瀝青混凝土的抗裂性能。

道路工程； 高模量劑； 高模量瀝青混合料； 低溫抗裂性； 抗疲勞耐久性

0 引言

高模量瀝青混合料的理念來源于法國和美國永久性路面中的承重層高模量瀝青混合料，其目的是改善瀝青路面的抗車轍和抗疲勞性能，同時(shí)減薄瀝青路面厚度，提高耐久性。隨著高模量瀝青混合料在國省干線交叉口車轍處治和山區(qū)高速公路長大縱坡等一系列公路建設(shè)工程的成功運(yùn)用，高模量混合料提高路面結(jié)構(gòu)的坑車轍性能均體現(xiàn)了較好的使用效果，高模量瀝青混合料的抗車轍性能得到了業(yè)內(nèi)一致認(rèn)可[1-5]。國內(nèi)獲得高模量瀝青混合料的技術(shù)途徑主要有3類： ①低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青； ②石油瀝青摻配天然瀝青或抗車轍劑以及將橡膠粉與聚合物改性劑復(fù)配，如摻加BRA巖瀝青，TLA湖瀝青，TLA與橡膠粉復(fù)配等； ③添加高模量劑，如法國PR.S，PR.M和國產(chǎn)高模量劑等。目前，關(guān)于高模量瀝青及其混合料的研究主要集中在高模量劑研發(fā)，高模量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能的改善，高模量瀝青混合料的適用性和作用機(jī)理，以及高模量瀝青混合料的工廠化生產(chǎn)參數(shù)等問題上，而對(duì)高模量瀝青及其混合料低溫性能研究較少，對(duì)高溫重載作用下高模量瀝青混合料高溫性能的關(guān)注遠(yuǎn)超過了低溫性能。工程實(shí)踐證明，低溫開裂是高模量瀝青混凝土路面早期的主要破壞形式之一，低溫抗裂性不足是制約高模量瀝青混合料在季節(jié)性冰凍地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用主要因素，但目前對(duì)高模量瀝青混合料低溫抗裂性缺乏系統(tǒng)研究，還沒有形成系統(tǒng)、合理的評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-9]。此外，由于高模量整體模量較高，抗變形能力較弱，其低溫抗裂性能并不明確，加之國內(nèi)高模量劑質(zhì)量良莠不齊，高模量瀝青混凝土的抗裂性能值得引起更多關(guān)注。為此，本文選用國內(nèi)最常用的四種高模量改性劑，采用BBR、0 ℃蠕變、低溫彎曲、約束試件溫度應(yīng)力和控制應(yīng)變疲勞試驗(yàn)從不同角度揭示了高模量瀝青混凝土低溫抗裂性和抗疲勞開裂性能，分析了這幾種評(píng)價(jià)方法的適用性，進(jìn)而通過抗裂性能試驗(yàn)分析了纖維、橡膠粉、SBR、硅藻土多種改性劑對(duì)高模量瀝青混合料抗裂性能的改善作用，研究成果對(duì)高模量混合料工程實(shí)踐和推廣提供借鑒。

1 瀝青低溫抗裂性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)中石化AH-70#中交道路石油瀝青，30#硬質(zhì)高模量瀝青，對(duì)照組采用shell成品SBS改性瀝青，瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。另外選用法國PR.S，PR.M高模量劑，為了組內(nèi)對(duì)比不同高模量瀝青抗裂性能優(yōu)劣，采用BRA巖瀝青和國產(chǎn)高模量劑，參考既有研究成果，BRA摻量確定為70#瀝青質(zhì)量的20%，PR.S和PR.M高模量劑摻量為瀝青質(zhì)量的10%、12%，國產(chǎn)高模量劑HMN摻量為瀝青質(zhì)量的8%。瀝青的針入度體系指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 高模量瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果Table1 Highmodulusasphaltconventionalperformancetestresults試驗(yàn)指標(biāo)改性瀝青種類30#70#20%BRA10%PR.S10%PR.MHNMSBS25℃針入度/(0.1mm)32.276.336.127.431.537.567.215℃延度/cm3.8>10012.94.45.32.9>100軟化點(diǎn)/℃71.349.374.469.471.281.477.3針入度指數(shù)1.13-0.751.641.351.471.230.34

1.2 高模量瀝青制備及性能試驗(yàn)

采用室內(nèi)Fluke-FA25高速剪切機(jī)以70#基質(zhì)瀝青作為基礎(chǔ)瀝青生產(chǎn)高模量瀝青，生產(chǎn)工藝流程主要包括：將基質(zhì)瀝青加熱至165～170 ℃，分別加入預(yù)定質(zhì)量的BRA、PR.S、PR.M和國產(chǎn)高模量劑，邊加入改性劑邊勻速攪拌，以便BRA和高模量劑能在短時(shí)間內(nèi)混合均勻避免造成局部溫度過低而影響溶脹效率，待改性劑全部摻加完成后，保持試驗(yàn)溫度170 ℃，5 500 rad/min連續(xù)剪切30 min后高模量瀝青制備完成。

我國現(xiàn)行公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范采用低溫延度評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫抗裂性能。研究室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于BRA巖瀝青中所含的灰分并不能被瀝青溶解，灰分大量聚集處于一種不均勻狀態(tài)，沉淀于針入度試件底部，BRA巖瀝青改性瀝青中大量礦物質(zhì)存在，在用濕法工藝進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)改性瀝青穩(wěn)定性差，離析問題嚴(yán)重。此外，摻加高模量劑后瀝青的脆性增大，低溫延度普遍較低，并不能明顯區(qū)分各種高模量劑的抗裂性能優(yōu)劣，因此，低溫延度試驗(yàn)并不能真實(shí)地衡量BRA巖瀝青和高模量劑對(duì)瀝青低溫性能的改性效果。按照SHRP提出的基于路用性能的PG分級(jí)，采用BBR試驗(yàn)研究BRA和高模量劑改性瀝青的低溫性能，試驗(yàn)方法參照AASHTO T315相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，BBR試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 BBR試驗(yàn)結(jié)果Table2 BBRtestresults瀝青類型-6℃-12℃-18℃-24℃S/MPamS/MPamS/MPamS/MPam30#109.40.3842450.2264310.203——AH-70#62.50.4121970.3393710.261——20%BRA132.40.3342940.2624070.215——8%PR.S97.50.3682670.3173450.243——10%PR.M87.70.3942350.3073340.218——HNM102.40.3452810.2943840.229——SBS41.20.4851180.3872440.3262920.303

BBR試驗(yàn)結(jié)果表明：以同時(shí)滿足彎曲勁度模量小于300 MPa，蠕變斜率大于0.3作為判別標(biāo)準(zhǔn)，勁度模量越大，蠕變斜率越小瀝青的應(yīng)力松弛性能越弱，低溫抗裂性能越差，確定表2各改性瀝青的低溫分級(jí)性能由好到劣依次是SBS>AH-70#>10%PR.S>10%PR.M>30#>20%BRA，可見摻加四種高模量劑均對(duì)瀝青的低溫性能有不利影響。分析高模量劑對(duì)瀝青低溫性能的影響機(jī)理，將BRA巖瀝青加入70#瀝青中，由于灰分具有很強(qiáng)的吸附性，使得基質(zhì)瀝青的膠束破裂，膠體結(jié)構(gòu)被打散，高溫作用下巖瀝青與基質(zhì)瀝青重新填充、飽和，形成一種全新的膠體結(jié)構(gòu)，瀝青結(jié)構(gòu)由溶膠型轉(zhuǎn)變?yōu)槟z型，勁度增大，抗變形能力減弱，低溫性能降低，而PR.S和PR.M等高模量劑一般難溶于瀝青，加入高模量劑后改變了瀝青的流變特性。

2 高模量瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

根據(jù)0～3 mm(石灰?guī)r)、3～5 mm(石灰?guī)r)、5～10 mm(玄武巖)、10～20 mm(玄武巖)4檔集料篩分試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)采用AC-16C型級(jí)配，以混合料合成級(jí)配最接近現(xiàn)行施工規(guī)范工程級(jí)配范圍中值為原則，確定的合成級(jí)配見表3。

表3 AC-16C礦料合成級(jí)配Table3 AC-16Cgradation級(jí)配以下篩孔尺寸(mm)通過百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075規(guī)范要求10090～10076～9260～8034～6220～4813～369～267～185～144～8合成級(jí)配10095.185.468.749.134.224.915.611.68.86.4

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，采用馬歇爾法進(jìn)行高模量瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。BRA、PR.M、PR.S，HNM共4種高模量劑以干法工藝添加，由于高模量劑對(duì)瀝青混合料增粘、改性作用主要發(fā)生在混合料拌合過程中，集料的加熱溫度、混合料拌合溫度以及混合料拌合時(shí)間對(duì)高模量劑改性效果的發(fā)揮起著決定性作用[10，11]，通過方差分析研究混合料拌合溫度和攪拌時(shí)間對(duì)高模量瀝青混合料高溫性能的影響最終確定集料加熱溫度為195～200 ℃，基質(zhì)瀝青加熱溫度為165～170 ℃。4種高模量劑與集料的干拌時(shí)間為90 s，混合料拌合時(shí)先將預(yù)定質(zhì)量的PMR改性劑和集料一起干拌90 s，使其在礦料中充分融化、分散均勻，最后再加入70#基質(zhì)瀝青，拌合60 s，最后加入礦粉，拌合60 s，總拌合時(shí)間為3.5 min。不同改性瀝青混合料在最佳瀝青用量下的體積參數(shù)及動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table4 Marshalltestresults瀝青結(jié)合料類型OAC/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm模量/MPa30#4.344.014.1869.7611.152.1514643AH-70#4.564.014.3768.3510.272.76798720%BRA4.904.014.4769.7812.172.24166988%PR.S4.744.014.6268.5512.372.191578410%PR.M4.864.014.5667.9312.952.1115069HNM4.894.014.7868.4712.342.3316908SBS4.724.014.6969.1212.582.0910945

表4試驗(yàn)結(jié)果表明：馬歇爾法確定的最佳瀝青用量條件下的高模量瀝青混合料各項(xiàng)體積指標(biāo)和力學(xué)性能均滿足規(guī)范要求，其中30#、8%PR.S、10%PR.M、HNM、20%BRA共4種高模量瀝青混合料的模量滿足大于14 000 MPa的要求。

3 高模量瀝青混合料低溫抗裂性

3.1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)方案

目前關(guān)于瀝青混合料抗裂性評(píng)價(jià)方法有低溫彎曲蠕變試驗(yàn)、約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)、收縮系數(shù)試驗(yàn)、低溫SCB試驗(yàn)、低溫等應(yīng)變加載破壞試驗(yàn)(壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn))、低溫三分點(diǎn)J積分試驗(yàn)等。研究表明，抗裂強(qiáng)度、抗變形能力(收縮性能)和低溫應(yīng)力松弛能力是影響瀝青混凝土的抗裂性能的3個(gè)重要參數(shù)[13，14]?？估瓘?qiáng)度和抗變形能力越強(qiáng)，混合料破壞時(shí)需要的能量越大，所能承受極端最低氣溫越低，低溫應(yīng)力松弛能力越強(qiáng)，低溫環(huán)境溫度產(chǎn)生的荷載應(yīng)力能夠得到及時(shí)釋放，抵抗低溫疲勞作用的能力越強(qiáng)。大量研究成果表明，低溫彎曲試驗(yàn)與瀝青路面開裂時(shí)的能量積累、能量釋放過程比較吻合，現(xiàn)場芯樣驗(yàn)證采用低溫蠕變試驗(yàn)作為瀝青混合料的低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)是可靠的，且該法試驗(yàn)簡單，能適應(yīng)不同品種瀝青混合料。瀝青混合料具有儲(chǔ)存能量的能力，儲(chǔ)存能量越大其抵抗低溫破壞的能量越強(qiáng)，評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性應(yīng)以能力為基準(zhǔn)，J積分理論可以定量描述車輛荷載和低溫環(huán)境溫度作用下瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變場強(qiáng)度，約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)(凍斷試驗(yàn))能模擬環(huán)境溫度變化，試件受力明確，可用來預(yù)估瀝青混合料能夠承受的極端最低氣溫。

3.2 低溫彎曲試驗(yàn)

低溫開裂是瀝青混凝土路面主要的破壞形式之一，嚴(yán)重影響了道路的使用壽命。按照現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范要求采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的低溫抗裂性，《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求成型車轍板，切割為30 mm×35 mm×250 mm的小梁試件，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試驗(yàn)時(shí)采用單點(diǎn)加載方式，支點(diǎn)間距200 mm，加載速率為50 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變，以破壞應(yīng)變和破壞應(yīng)能指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能。

(1)

(2)

低溫試驗(yàn)結(jié)果(見表5)表明：相比AH-70基質(zhì)瀝青混合料，使用低標(biāo)號(hào)瀝青和高模量改性劑后瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度增大，最大彎拉應(yīng)變減小，破壞應(yīng)變能減小，可見低標(biāo)號(hào)瀝青和高模量劑會(huì)對(duì)瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生不利影響，這與BBR試驗(yàn)結(jié)果相吻合，高模量劑類添加劑對(duì)瀝青混合料低溫性能的不利影響主要與添加高模量劑后瀝青混合料勁度模量增大，釋放荷載應(yīng)力的能力減弱等因素有關(guān)。以彎曲應(yīng)變和單位體積破壞應(yīng)變能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，7種瀝青混合料的低溫抗裂性能由優(yōu)到劣依次是SBS≥AH-70#>20%BRA>10%PR.M>8%PR.S>HNM>30#，20%BRA、10%PR.M、8%PR.S和HNM4這4種高模量瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均小于2 800 με，不滿足現(xiàn)行施工規(guī)范JTG F40-2004冬嚴(yán)寒區(qū)彎拉應(yīng)變技術(shù)指標(biāo)要求，按照現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范要求低溫抗裂性不足是制約高模量瀝青混合料在冬嚴(yán)寒區(qū)推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

表5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table5 Lowtemperaturebendingtestresults混合料類型抗彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa單位破壞應(yīng)變能/(kJ·m-3)30#9.891905.645189.8620.45AH-70#7.792535.873071.9225.6820%BRA10.672473.474313.7823.148%PR.S11.372205.425155.4821.4610%PR.M11.772267.035191.8122.14HNM11.582164.755349.3521.34SBS11.343879.872922.7833.15

3.3 約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)

約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)(凍斷試驗(yàn))是在固定小梁試件兩端距離不變的條件下，在環(huán)境箱內(nèi)以一定的降溫速率模擬瀝青路面溫度的變化，直至試件斷裂，以試件斷裂時(shí)的極限最低溫度、溫度-應(yīng)力曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度和凍斷溫度等指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，溫度應(yīng)力曲線如圖1所示。凍斷試驗(yàn)按照SHRP試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)成型車轍板，切割尺寸為240 mm×40 mm×40 mm小梁試件，降溫速率為20 ℃/h，凍斷試驗(yàn)試件溫度應(yīng)力曲線如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果見圖2及表6。

表6約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果表明：與低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果相類似，摻加高模量劑后瀝青混合料的凍斷應(yīng)力降低，斷裂溫度升高，轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度升高。溫度應(yīng)力曲線斜率增大，凍斷應(yīng)力越大，試件破壞時(shí)需要的力越大，其低溫抗裂性越好，而斷裂溫度和轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度越低，瀝青混合料的低溫抗裂性越好，溫度應(yīng)力曲線斜率越大，瀝青混合料低溫應(yīng)力松弛越快，短時(shí)間內(nèi)釋放的溫度應(yīng)力越大，混合料低溫抗裂性越差。由此可知，使用低標(biāo)號(hào)瀝青和摻加BRA、高模量劑后瀝青混合料的抵抗低溫抗裂性能越差，且低溫應(yīng)力釋放能力越差，這與低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果相一致。以凍斷試驗(yàn)的凍斷強(qiáng)度、轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度、溫度應(yīng)力曲線斜率綜合評(píng)定高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能，SBS>AH-70#>20%BRA>10%PR.M>8%PR.S>HNM>30#。

圖1 凍斷試驗(yàn)溫度應(yīng)力曲線Figure 1 Freeze-off test temperature stress curve

圖2 高模量瀝青混合料凍斷試驗(yàn)溫度應(yīng)力曲線Figure 2 Freeze-off test temperature stress curve of high module asphalt mixture

表6 凍斷試驗(yàn)結(jié)果Table6 Freeze-offtestresults混合料類型凍斷強(qiáng)度/kN轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度/℃溫度應(yīng)力曲線斜率/(MPa/℃)30#452.62-11.60.15033AH-70#683.34-16.30.2247620%BRA576.13-14.10.191978%PR.S589.05-13.70.1956510%PR.M604.23-13.40.19933HNM589.34-14.80.19333SBS1164.57-26.50.27567

4 高模量瀝青混合料抗裂性改善措施

從本文低溫彎曲和凍斷試驗(yàn)結(jié)果來看，摻加BRA、使用低標(biāo)號(hào)瀝青、高模量劑后混合料低溫抗裂性降低，低溫抗裂性不足是制約高模量瀝青混合料大面積推廣應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸，本文將通過摻加添加劑來改善高模量瀝青混合料的低溫性能，參考已有研究成果，試驗(yàn)選用的添加劑有木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、橡膠粉、硅藻土、SBR改性劑。選用的這5種改性劑其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，經(jīng)室內(nèi)初步研究，并結(jié)合已有研究成果，5種添加劑的摻量分別為木質(zhì)素纖維3‰(占集料質(zhì)量的百分比)、玄武巖纖維3‰(占集料質(zhì)量的百分比)、橡膠粉18%(占瀝青質(zhì)量百分比)、硅藻土13%(占瀝青質(zhì)量的百分比)、SBR改性劑4%(占瀝青質(zhì)量的百分比)。采用馬歇爾法確定摻加添加劑后PR.M高模量瀝青混合料的最佳瀝青，最佳瀝青用量試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 改性劑摻量及復(fù)合改性混合料最佳瀝青用量Table7 Modifierdosageandcompoundmodificationthebestdosageofasphalt混合料類型添加劑類型摻加方式最佳摻配比例/%最佳瀝青用量/%PR.M高模量AC-16C無——4.86木質(zhì)素纖維干法0.35.15玄武巖纖維干法0.35.06橡膠粉干法185.52硅藻土干法135.07SBR改性劑濕法44.91

4.1 摻添加劑的高模量瀝青混合料低溫抗裂性

采用低溫彎曲和凍斷試驗(yàn)評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的低溫抗裂性，低溫彎曲試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行，凍斷試驗(yàn)按照SHRP試驗(yàn)方法進(jìn)行，摻加不同種類添加劑后高模量瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果見表8和表9。

低溫彎曲和凍斷試驗(yàn)結(jié)果表明：摻加添加劑后高模量瀝青混合料低溫性能顯著提高，5種添加劑高模量瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變由大到小依次是：3‰玄武巖纖維>4%SBR改性劑>3‰木質(zhì)素纖維>13%硅藻土>18%橡膠粉，凍斷溫度、轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度和溫度應(yīng)力曲線斜率試驗(yàn)結(jié)果由優(yōu)到劣也有類似變化趨勢。其中摻加木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和SBR改性劑后高模量瀝青混合料彎拉強(qiáng)度大于3 000 με，滿足規(guī)范所有氣候分區(qū)內(nèi)低溫抗裂性要求，摻加硅藻土后彎拉強(qiáng)度大于2 800 με，滿足冬寒區(qū)抗裂性要求，而橡膠粉對(duì)高模量混合料低溫性能的改善效果稍差。因此，為了改善高模量瀝青混合料的低溫技術(shù)缺陷，需通過摻加添加劑以改善其低溫抗裂性，纖維對(duì)高模量瀝青混合料低溫抗裂性改善效果最好，而橡膠粉改善效果最差。

表8 不同添加劑高模量瀝青混合料凍斷試驗(yàn)結(jié)果Table8 Freeze-offtestresultsofhighmoduleasphaltmix-turewithdifferentadditives添加劑類型凍斷強(qiáng)度/kN凍斷溫度/℃轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度/℃溫度應(yīng)力曲線斜率/(MPa·℃-1)無604.23-18.2-13.40.1993木質(zhì)素纖維1012.60-29.7-17.20.2665玄武巖纖維1147.82-34.8-22.40.3312橡膠粉796.97-21.7-15.90.1879硅藻土894.63-26.3-16.20.2298SBR改性劑1088.6532.5-21.10.3287

表9 不同添加劑高模量瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table9 Lowtemperaturebendingtestresultswithdiffer-entadditives添加劑類型抗彎拉強(qiáng)度/MPa彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa單位破壞應(yīng)變能/(kJ·m-3)無11.772267.035191.8122.144木質(zhì)素纖維13.673041.123837.4028.768玄武巖纖維13.143385.593585.7930.694橡膠粉12.152696.374135.1927.647硅藻土12.912878.124138.1230.565SBR改性劑12.893219.983692.5732.757

4.2 摻添加劑的高模量瀝青混合料抗疲勞性能

瀝青路面抗裂性不足主要表現(xiàn)在低溫開裂和疲勞開裂，高模量瀝青混合料通常作為高速公路的中下面層和柔性基層使用，隨著高模量瀝青混合料在國省干線、高速公路等重載交通道路大面積推廣應(yīng)用，高模量瀝青混合料的抗疲勞開裂能力需引起足夠的重視。通常采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)和小梁彎曲疲勞試驗(yàn)研究瀝青混合料的抗疲勞性能，加載方式以控制應(yīng)力加載為主，這種加載方式疲勞壽命往往不超過幾十萬次，數(shù)據(jù)離散性大，且與路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況相差較大。研究表明，在應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)過程中，瀝青混合料的受力狀態(tài)更接近瀝青路面的實(shí)際情況，而瀝青層底拉應(yīng)變也是計(jì)算路面結(jié)構(gòu)厚度的重要控制指標(biāo)之一。本文采用四分點(diǎn)控制應(yīng)變疲勞試驗(yàn)研究高模量瀝青混合料的抗疲勞耐久性。試件尺寸為400 mm×50 mm×63 mm，試驗(yàn)溫度為15 ℃，采用控制應(yīng)變加載模式，應(yīng)變水平為100、200、300、400 με，疲勞試驗(yàn)在UTM液壓疲勞機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表10，疲勞試驗(yàn)擬合方程見圖3。

表10 不同添加劑高模量瀝青混合料疲勞試驗(yàn)擬合方程Table10 Fatiguetestfittingequationofhothighmodulemixtureswithdifferentadditives添加劑類型疲勞試驗(yàn)擬合方程:Nf=k(1ε)nKn相關(guān)系數(shù)R2無4.281×1062.1780.978木質(zhì)素纖維4.884×1062.0170.997玄武巖纖維4.903×1061.9930.968橡膠粉4.551×1062.0480.989硅藻土4.809×1062.0750.986SBR改性劑4.762×1062.0240.979

圖3 不同添加高模量瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Figure 3 Fatigue test results of high module mixtures with different additives

表10和圖3試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入添加劑對(duì)高模量瀝青混合料疲勞壽命有很大的提升，摻加6種添加劑后高模量瀝青混合料疲勞壽命均顯著提高，尤其是摻加木質(zhì)素和玄武巖纖維后疲勞壽命增加幅度更加明顯。相同應(yīng)變水平下，疲勞壽命由大到小依次是：玄武巖纖維>木質(zhì)素纖維>SBR改性劑>橡膠粉>硅藻土。

5 實(shí)體工程運(yùn)用

本課題結(jié)合2013年陜西省國省干線大中修工程，鋪筑了4 km木質(zhì)素纖維+0.6%PR.M改性瀝青AC-16C、玄武巖纖維+0.6%PR.M改性瀝青AC-16C、橡膠粉+0.6%PR.M改性瀝青AC-16C、硅藻土+0.6%PR.M改性瀝青AC-16C高模量瀝青混合料，厚度為4 cm，每種改性劑試驗(yàn)路段長度為1 km，對(duì)比組采用4 cm厚0.6%PR.M改性瀝青AC-16C。工程實(shí)踐證明，采用PR.M和纖維、橡膠粉、硅藻土復(fù)合改性瀝青混合料的生產(chǎn)不需要對(duì)傳統(tǒng)的拌合樓進(jìn)行改造，現(xiàn)場檢測壓實(shí)度、平整度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，通過長達(dá)近3 a的試驗(yàn)路檢測，PR.M高模量改性瀝青混合料路段有少量橫向裂縫，摻加木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、硅藻土路段目前沒有明顯的車轍和開裂病害，路面使用狀況良好，可見摻加添加劑后復(fù)合改性瀝青混凝土延長了道路的使用壽命，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。

6 結(jié)論

① 基于低溫彎曲和受限試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)研究了添加BRA、高模量改性劑、低標(biāo)號(hào)瀝青3類技術(shù)途徑的高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能，受限試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性小，試件受力明確，可用于評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的低溫抗裂性。三分點(diǎn)控制應(yīng)變疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，與高模量瀝青混凝土路面實(shí)際受力環(huán)境較為接近，可用于評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的抗疲勞性能。

② BBR和高模量瀝青混凝土低溫性能試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加高模量劑后瀝青混凝土的低溫抗裂性下降，低應(yīng)變水平下的抗疲勞開裂性能略有提高，低溫抗裂性不足是制約冬嚴(yán)寒和寒冷區(qū)高模量瀝青混凝土大范圍推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，工程實(shí)踐中需要添加添加劑以改善高模量瀝青混合料低溫抗裂性。

③ 添加木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、橡膠粉、硅藻土、SBR改性劑均能改善高模量瀝青混合料的低溫抗裂性，提高混合料的抗疲勞耐久性，其中玄武巖、木質(zhì)素纖維對(duì)高模量瀝青混合料低溫開裂和抗疲勞性能改善效果最好，而BRA巖瀝青的改善效果最差，建議優(yōu)先采用玄武巖纖維來改善高模量瀝青混凝土的抗裂性能。

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Study on Crack Resistance and Treatment Measure of High Modulus Asphalt Mixture

CHENG Mei

(Wuxi Vocational and Technical School， Wuxi， Jiangsu 214000， China)

in order to study the low temperature crack resistance high modulus asphalt and its mixture，high modulus asphalt mixture is put forward to improve the performance of the low temperature crack resistance and fatigue resistance，low temperature bending，constraints，temperature stress and three point loading fatigue test specimens from different angles to reveal the three kinds of technological ways of high modulus asphalt mixture at low temperature crack resistance and the influence of the fatigue cracking resistance，through the analysis of the crack resistance test the lignin fibers，basalt fibers，rubber powder，SBR，diatomite，5 kinds of additives on the properties of high modulus asphalt mixture crack.Experimental results show that the low grade，BRA rock asphalt and asphalt adding high modulus agent after low temperature crack resistance of asphalt concrete，mixing higher modulus and BRA can improve the fatigue cracking resistance of asphalt mixture，the shortage of the low temperature crack resistance is high modulus asphalt concrete widespread popularization and application of main technical bottlenecks，adding high modulus asphalt mixture after five kinds of additives are to a certain extent to improve the low temperature crack resistance，fatigue resistance increases significantly，basalt and lignin fibers of high modulus asphalt mixture the largest contribution to the low temperature performance and fatigue resistance performance，and the effect of rubber modified asphalt，the worst advice preferred mineral fibre to improve anti-cracking performance of high modulus asphalt concrete.

road engineering； high modulus additive； high modulus asphalt mixture； low temperature crack resistance； fatigue durability

2016 — 05 — 05

國家自然基金項(xiàng)目(51378068)；交通運(yùn)輸部聯(lián)合科技攻關(guān)項(xiàng)目(2013Y353342540)

程 梅(1980 — )，女，江蘇無錫人，工程碩士，講師，主要從事道路橋梁研究與教學(xué)工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0046 — 06