程金梁，江磊，龔明輝，洪錦祥

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引 言

高模量瀝青混凝土具有高動(dòng)態(tài)模量、優(yōu)異的抗車轍和抗剪強(qiáng)度以及可減薄路面厚度等特點(diǎn)，近年來得到廣泛的關(guān)注[1-3]，已大量應(yīng)用在長(zhǎng)大縱坡、交叉口等重載路段。特別是在長(zhǎng)壽命路面[4]研究背景下，高模量瀝青混凝土可作為長(zhǎng)壽命路面的典型結(jié)構(gòu)形式，具有廣闊的發(fā)展空間。

高模量瀝青路面技術(shù)最早由法國(guó)引入，主要是指動(dòng)態(tài)模量（15 ℃，10 Hz）≥14 000 MPa 的瀝青混凝土。隨后遼寧省于2009 年提出了國(guó)內(nèi)高模量瀝青混合料的施工技術(shù)規(guī)范，根據(jù)國(guó)內(nèi)氣候特點(diǎn)增加了動(dòng)態(tài)模量（45 ℃，10 Hz）大于2000 MPa的要求。近年來，高模量技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多[5]，但多關(guān)注混合料的動(dòng)態(tài)模量，對(duì)重載特殊應(yīng)用場(chǎng)景的抗車轍性能[6]關(guān)注不多，此外，高模量瀝青混合料的抗疲勞性能較差。蘇交科在消化吸收國(guó)內(nèi)外高模量瀝青技術(shù)的基礎(chǔ)上，負(fù)責(zé)起草了GB/T 36143—2018《道路用高模量抗疲勞瀝青混合料》及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CHTS 10004—2018《公路高模量瀝青路面施工技術(shù)指南》，通過連續(xù)級(jí)配、高油石比、低空隙率和高模量膠結(jié)料等技術(shù)途徑可實(shí)現(xiàn)混合料高模量和高疲勞性能的兼顧，能夠有效延長(zhǎng)路面服役壽命。

高模量路面技術(shù)中使用的高模量瀝青膠結(jié)料主要有以下3 類：直接采用濕法的低標(biāo)號(hào)瀝青或高模量瀝青[7]；采用直投式硬質(zhì)瀝青母?；蛴操|(zhì)瀝青高模量劑；采用直投式高模量瀝青改性劑[8]。低標(biāo)號(hào)瀝青、高模量瀝青適用于大規(guī)模工程，此外對(duì)混合料高溫性能提升有限。直投硬質(zhì)瀝青類膠結(jié)材料使用摻量高，為混合料的1%~1.2%，必須采用投料機(jī)加料且在加料過程中存在易結(jié)團(tuán)的風(fēng)險(xiǎn)。直投高模量瀝青改性劑作為聚合物類材料摻量適中、使用方便，可有效提高混合料動(dòng)態(tài)模量和高溫抗車轍性能。

目前，關(guān)于高模量瀝青混合料的應(yīng)用技術(shù)研究較多，但同時(shí)兼顧高模量、抗疲勞和高抗車轍的研究相對(duì)較少。本文以3種不同類型的直投高模量瀝青改性劑為研究對(duì)象，研究不同直投高模量瀝青改性劑種類、摻量對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量和其他應(yīng)用性能的影響規(guī)律，探究高模量混合料生產(chǎn)制備過程中影響性能的關(guān)鍵因素，為高模量抗疲勞瀝青路面的應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

70#基質(zhì)瀝青：韓國(guó)SK 集團(tuán)生產(chǎn)，基本技術(shù)性能見表1。3種直投高模量瀝青改性劑：自制，根據(jù)產(chǎn)品組成分別定義為聚合物類、聚合物/瀝青復(fù)合類和多元復(fù)合類高模量劑，物性參數(shù)見表2，3 種改性劑制備的高模量瀝青混合料最佳油石比分別為5.4%、5.3%和5.3%。聚合物類高模量劑主要通過聚烯烴材料與增彈等組分熔融共混造粒制備而成；聚合物/瀝青復(fù)合類高模量劑是在聚合物類高模量劑基礎(chǔ)上引入特種低標(biāo)號(hào)瀝青熔融共混造粒制備而成；多元復(fù)合類高模量劑是通過聚合物、特種瀝青和增塑流動(dòng)等助劑多元熔融共混造粒制備而成。玄武巖集料和石灰石礦粉，南京天印市政工程材料有限公司生產(chǎn)，技術(shù)性能均符合JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

表1 70#基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)性能

表2 3 種高模量改性劑物性參數(shù)

1.2 高模量瀝青混合料級(jí)配

采用GB/T 36143—2018 中推薦的級(jí)配，混合料級(jí)配見表3。

表3 高模量瀝青混合料級(jí)配

1.3 高模量瀝青混合料制備

將提前加熱的集料加入拌和鍋，在185 ℃投入直投高模量瀝青改性劑與集料干拌90 s，然后加入計(jì)算量的70#瀝青拌和90 s，最后加入礦粉拌和90 s 制備高模量瀝青混合料。按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》及GB/T 36143—2018 進(jìn)行混合料的成型。

1.4 性能測(cè)試方法

按照J(rèn)TGE20—2011 中T0705、T0738、T0719、T0729、T0715、T0739 分別對(duì)混合料試件空隙率、動(dòng)態(tài)模量、動(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、低溫應(yīng)變、四點(diǎn)彎曲疲勞壽命進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性劑摻量對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

控制瀝青混合料的空隙率在3%左右，研究直投高模量瀝青改性劑摻量對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響規(guī)律，結(jié)果見表4。

表4 改性劑摻量對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

由表4 可知，對(duì)于3 種不同的直投高模量瀝青改性劑，混合料45、20 ℃動(dòng)態(tài)模量整體隨摻量增加呈逐漸提高的趨勢(shì)。3種改性劑摻量為0.60%和0.75%時(shí)，混合料45 ℃動(dòng)態(tài)模量均符合GB/T 36143—2018 要求（＞4000 MPa）。多元復(fù)合類高模量改性劑摻量為0.75%時(shí)，混合料20 ℃動(dòng)態(tài)模量符合GB/T 36143—2018 要求（＞15 000 MPa）。

高模量瀝青混合料的45 ℃動(dòng)態(tài)模量更容易實(shí)現(xiàn)，而20 ℃動(dòng)態(tài)模量較難實(shí)現(xiàn)。根據(jù)我國(guó)氣候特點(diǎn)，更需關(guān)注45 ℃動(dòng)態(tài)模量，而20 ℃動(dòng)態(tài)模量盡可能接近即可。綜合考慮及結(jié)合不同高模量改性劑特性，高模量瀝青改性劑的最佳摻量為0.6%~0.75%。

2.2 空隙率對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

通過調(diào)控高模量瀝青混合料的成型溫度，制備了一系列具有不同空隙率的高模量混凝土試件，聚合物類、聚合物/瀝青復(fù)合類高模量改性劑摻量為0.60%，多元復(fù)合類高模量改性劑摻量為0.75%，研究空隙率對(duì)瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量的影響規(guī)律，結(jié)果見圖1。根據(jù)我國(guó)高溫特點(diǎn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)關(guān)注45 ℃和20 ℃的動(dòng)態(tài)模量。

圖1 空隙率對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

由圖1 可知，對(duì)于3 種不同的直投高模量瀝青改性劑，隨著旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件空隙率的增大，動(dòng)態(tài)模量呈線性降低的趨勢(shì)。采用聚合物類高模量改性劑，空隙率從2.7%增加至5.6%時(shí)，混合料45 ℃動(dòng)態(tài)模量從4226 MPa 降低至2243 MPa，20 ℃動(dòng)態(tài)模量從12 156 MPa 降低至8586 MPa，下降幅度分別為46.9%和29.4%。采用聚合物/瀝青復(fù)合類高模量改性劑，空隙率從3.0%增加至6.8%時(shí)，混合料45 ℃動(dòng)態(tài)模量從4632 MPa 降低至2386 MPa，20 ℃動(dòng)態(tài)模量從13 620 MPa 降低至8852 MPa，下降幅度分別為48.5%和35.0%。采用多元復(fù)合類高模量改性劑，空隙率從2.7%增加至4.8%時(shí)，混合料45 ℃動(dòng)態(tài)模量從7028 MPa 降低至5096 MPa，20 ℃動(dòng)態(tài)模量從15 760 MPa 降低至12 722 MPa，下降幅度分別為27.5%和19.3%。高模量瀝青混合料的空隙率對(duì)動(dòng)態(tài)模量影響較大。當(dāng)高模量混合料空隙率在3%左右時(shí)，混合料的密實(shí)程度較好，45 ℃和20 ℃的動(dòng)態(tài)模量最高。當(dāng)空隙率超過4%以上，混合料動(dòng)態(tài)模量即會(huì)明顯降低。

此外，高模量瀝青混合料由于采用較多的添加劑，會(huì)造成混合料黏度較大，溫度下降較快，難以壓實(shí)。因此，在實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)施階段為保證工程質(zhì)量，需要通過控制混合料生產(chǎn)溫度和現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝，實(shí)現(xiàn)施工空隙率與設(shè)計(jì)基本一致。另外，開發(fā)易密實(shí)的高模量添加劑也是改善施工和易性，保證工程質(zhì)量的有效途徑。

2.3 改性劑種類對(duì)混合料性能的影響

2.3.1 改性劑種類對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量的影響

由表4 可知，控制瀝青混合料空隙率均在3%左右，3 種改性劑摻量均為0.6%時(shí)，多元復(fù)合類高模量瀝青改性劑的45、20 ℃動(dòng)態(tài)模量均最大，而聚合物類高模量瀝青改性劑的45、20 ℃動(dòng)態(tài)模量最小。分析原因，與不同高模量瀝青改性劑的材料特性與配方組成有一定關(guān)系。多元復(fù)合類高模量瀝青改性劑體系中引入特種瀝青和增塑流動(dòng)助劑，改性劑的190 ℃熔融指數(shù)大于30 g/10 min，可保證改性劑在直投干拌過程中充分熔融，與瀝青有較好的相容性，以實(shí)現(xiàn)最大改性效果。此外，引入的低標(biāo)號(hào)特種瀝青和特種增塑組分具有提高混合料模量、降低瀝青黏度等作用，通過多元組分協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了易密實(shí)、高模量的技術(shù)效果。在高模量瀝青改性劑的選擇中，應(yīng)盡可能選擇與瀝青高相容、熔融流動(dòng)性好、易密實(shí)的添加劑。

2.3.2 改性劑種類對(duì)混合料抗車轍性能的影響

以往研究中對(duì)高模量瀝青混合料的抗車轍性能關(guān)注不足，高模量瀝青混合料一般用于路面中面層，受到的剪應(yīng)力最大，容易產(chǎn)生車轍病害。特別是在高溫、重載、渠化路段的應(yīng)用，研究高模量瀝青混合料的抗車轍性能很有必要。控制瀝青混合料的空隙率均在3%左右，改性劑摻量為0.6%，對(duì)3 種高模量瀝青混合料進(jìn)行60、70 ℃的動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試，結(jié)果見表5。

表5 改性劑種類對(duì)混合料抗車轍性能的影響

由表5 可知，改性劑摻量為0.6%時(shí)，3 種高模量瀝青混合料的抗車轍性能優(yōu)異，其中60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度均大于10 000次/mm，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度均大于7000 次/mm。聚合物類高模量瀝青混凝土高溫性能最優(yōu)，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度大于10 000 次/mm，可有效抵抗高溫車轍。聚合物/瀝青復(fù)合類改性高模量混合料高溫性能低于聚合物類，主要是體系中引入抗車轍性能低于聚合物的特種低標(biāo)號(hào)瀝青。多元復(fù)合類高模量瀝青混凝土高溫性能相對(duì)較差，分析原因是體系組成中引入過多降黏增塑的組分，導(dǎo)致高溫性能下降。因此，在產(chǎn)品的開發(fā)和配方選擇中需綜合兼顧多種性能。

2.3.3 改性劑種類對(duì)混合料其他性能的影響

關(guān)于高模量瀝青混凝土的性能，國(guó)內(nèi)以往存在過多關(guān)注動(dòng)態(tài)模量而忽視疲勞性能的誤區(qū)，導(dǎo)致高模量路面出現(xiàn)疲勞開裂的問題，高模量瀝青混合料的抗疲勞性能對(duì)服役壽命至關(guān)重要。固定改性劑的摻量為0.6%，控制成型后的高模量瀝青混合料試件空隙率為3%左右，進(jìn)行高模量瀝青混合料其他性能對(duì)比研究，結(jié)果見表6。

表6 高模量瀝青混合料的其他應(yīng)用性能

由表6 可知：（1）在15 ℃、10 Hz、230 με 測(cè)試條件下，3 種高模量瀝青混凝土的疲勞壽命均大于100 萬次，疲勞性能優(yōu)異，滿足GB/T 36143—2018 的技術(shù)要求。（2）3 種高模量瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均大于80%，相差不大。-10 ℃低溫應(yīng)變均大于2000 με，其中聚合物/瀝青復(fù)合類高模量混合料低溫應(yīng)變稍大于聚合物類，分析原因是特種瀝青的引入增加了混合料的有效瀝青含量，以及直投改性劑與瀝青的相容性。多元復(fù)合類低溫性能最差，分析原因是多元復(fù)合類改性劑中引入的流動(dòng)性組分對(duì)混合料低溫性能有輕微影響。

3 結(jié) 論

（1）高模量瀝青混凝土的空隙率對(duì)動(dòng)態(tài)模量影響較大，空隙率大于4%動(dòng)態(tài)模量下降明顯。為保證混合料高動(dòng)態(tài)模量，建議將高模量混凝土的空隙率控制在3%左右。為保證壓實(shí)，需要對(duì)混合料的生產(chǎn)及施工溫度進(jìn)行控制。

（2）高模量瀝青混合料具有優(yōu)異的應(yīng)用性能，可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)模量和高疲勞性能的兼顧。不同直投高模量瀝青改性劑制備的混合料動(dòng)態(tài)模量隨改性劑摻量增加逐漸提高。改性劑最佳摻量為0.60%~0.75%。

（3）不同直投高模量瀝青改性劑性能有所不同，在改性劑選擇中推薦采用與瀝青相容性好、較好熔融流動(dòng)性、易密實(shí)的聚合物/瀝青復(fù)合類和多元復(fù)合類高模量改性劑。此外需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和對(duì)動(dòng)態(tài)模量、高低溫以及抗疲勞性能需求的不同，進(jìn)行改性劑的優(yōu)選和改進(jìn)。