吉懷高速公路瀝青路面下面層所用A－50號道路瀝青的性能研究

楊國梁

0 前言

湖南省吉懷高速公路是包頭至茂名高速公路(簡稱“包茂高速”)在湖南境內的重要路段，也是湖南省“五縱七橫”高速公路網絡主骨架的組成部分，貫穿湖南省西部，并與杭瑞高速、上昆高速公路連接，形成縱橫交織的高速公路交通網絡，同時也是貫穿我國西部省市的一條南北公路運輸大通道，是內陸西部地區(qū)與“泛珠江三角洲”區(qū)域相聯(lián)系的便捷通道之一。本項目主線全長104.836 km，采用瀝青混凝土路面，主線路面結構組合設計為:4 cm AC—13C上面層(SBS改性瀝青)+6 cm AC—20C中面層(SBS改性瀝青)+8 cm AC—25C下面層(A—50瀝青)+1 cm SBS改性瀝青同步碎石封層+透層+18 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石上基層+18 cm 5% 水泥穩(wěn)定碎石下基層+20 cm 4%水泥穩(wěn)定碎石底基層+20 cm未篩分碎石墊層。

吉懷高速公路處在湖南省湘西，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，夏季平均氣溫大多在26℃ ～29℃之間。年平均降雨量在1 200～1 700 mm之間，集中在七、八月份，達全年降雨量的60%～70%，暴雨強度較大。因此吉懷高速公路瀝青路面的設計，首先考慮的是要有效的防止水損害。吉懷高速公路交通量調查顯示，該路線的大噸位車輛比較多，再加上炎熱的夏季氣候，防止產生車轍也是吉懷高速公路瀝青路面設計的主題。

A—50號瀝青具有很好的抗高溫抗車轍的性能。同時，湖南省屬于夏天炎熱冬天溫暖的氣候分區(qū)，氣候條件決定湖南省對瀝青路面抗低溫開裂的要求不高，這為A—50號瀝青在吉懷高速公路瀝青路面下面層應用提供了客觀基礎［1－5］。

為更好地保證吉懷高速公路瀝青路面的建設質量、延長其使用壽命，尤其是在技術可行、經濟適用的前提下，提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，更好地預防瀝青路面水損害、車轍等病害，對吉懷高速公路瀝青路面下面層所選用的A—50號瀝青的性能進行研究，這符合我國道路建設的需要，也為以后該路面的養(yǎng)護提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

A—50號瀝青:金陵石化生產。針入度儀:SYD—2801E，上海昌吉地質儀器有限公司;全自動瀝青軟化點儀:SYD—2806E，無錫華南實驗儀器有限公司;恒溫雙速瀝青延度儀:SY—2B，無錫華南實驗儀器有限公司;旋轉薄膜烘箱，SYD—0610，上海昌吉地質儀器有限公司;開口閃點測試儀:SD—2000K，博山同業(yè)分析儀器廠;布什旋轉粘度儀:TB—041，上海卓致力天儀器有限公司;熱重分析儀:TGAQ 500，美國AT公司;馬歇爾自動穩(wěn)定度儀，中德偉業(yè)儀器設備有限公司;滲水儀，HDSS—II，深圳市頂尖稱重設備有限公司。

1.2 分析與表征方法

針入度:具體測試方法按GB/T 0604—2011《石油瀝青針入度測定法》測定，溫度25℃，附加荷重(100 ±0.05)g，貫入時間5 s。

延度:具體測試方法按GB/T 0605—2011《石油瀝青延度測定法》測定，實驗溫度有10℃和15℃，拉伸速度為5 cm/min。

軟化點:具體測試方法按GB/T 0606—2011《石油瀝青軟化點測定(環(huán)球法)》進行，鋼球質量 (3.5±0.05)g，升溫速率5 ℃ /min。

熱重法 (TG)分析:美國AT公司生產的TGA Q500，N2氣保護下，升溫速度為10℃/min，試驗溫度0℃ ～800℃。

馬歇爾穩(wěn)定度實驗:水浴溫度60℃，按標準擊實法成型馬歇爾試件，尺寸符合規(guī)范規(guī)定，一組試件的數量6個;量測試件的直徑及高度;按規(guī)范規(guī)定的方法測定試件的密度、計算有關物理指標。

滲水實驗:采用路面滲水儀對瀝青混合料的滲水性進行評價。

2 結果討論

2.1 吉懷高速下面層所選用A—50號瀝青的基本性能分析

瀝青質量直接關系到路面工程質量和路面通車后的路用性能和營運效果，是路面施工管理中的關鍵環(huán)節(jié)之一。本試驗對瀝青路面下面層所選用的A—50號瀝青的基本性能指標進行了測試，自測實驗在吉懷高速公路中心實驗室完成，送檢實驗在長沙理工大學公路工程實驗檢測中心完成，實驗結果見表1。

瀝青針入度試驗是測定瀝青稠度的標準方法。研究結果表明［4，5］，瀝青在 25℃的針入度下降 20以下時，會出現(xiàn)嚴重的路面開裂，當瀝青的針入度大于30時，具有高抗開裂性能。從表1可以看出A—50號瀝青的針入度為59，遠大于30，這說明該瀝青的抗開裂性能較好［4］。

采用軟化點來評價瀝青高溫性能，通過這樣的評價，可初步表征瀝青對混合料高溫穩(wěn)定性能的影響。A—50號瀝青的軟化點是49.0℃，符合技術規(guī)范要求。60℃時A—50號瀝青的運動粘度達到290 Pa·s。延度反映了瀝青的柔韌性和抗變形能力，是評價瀝青低溫抗裂性能的一項重要指標［5］。由表1可知，10℃時 A—50號瀝青的延度是22，15℃時的延度＞100，均符合技術規(guī)范的要求。

表1 吉懷高速瀝青路面下面層所用A—50號瀝青的性能

2.2 熱失重TG分析

熱重法(TG)是在溫度程序控制下，測試物質質量與溫度之間的關系的技術。物質受熱后，溫度升高或發(fā)生結構的變化和化學反應，其性質也發(fā)生了改變，達到某一溫度時，其狀態(tài)發(fā)生改變并伴隨著質量的變化。瀝青由瀝青質，膠質，芳香分和飽和分組成，當溫度升高時，碳數小于4的輕質組分升華，瀝青質量減輕，隨著溫度繼續(xù)升高，一些不飽和烴發(fā)生加成反應以及熱解反應，并伴隨質量變化［4］。

為了更好地了解吉懷高速所選用A—50號瀝青的高溫性能，測試瀝青質量變化與溫度之間的關系，對瀝青路面下面層所選A—50號瀝青進行了熱失重分析。本試驗是在中南大學分析測試中心完成。熱重分析儀為美國AT公司生產的TGA Q500，N2保護下，在一定溫度范圍內勻速升溫，升溫速度為10℃/min，試驗溫度為0℃ ～800℃。對 A—50號瀝青進行Step分析，并繪出TG曲線和一階微分導數熱失重(DTG)曲線。

瀝青的熱穩(wěn)定性可以用熱分解溫度來表示，熱分解溫度越低，表明瀝青的熱穩(wěn)定性越差，反之熱穩(wěn)定性越好。A—50號瀝青的TG和DTG曲線如圖1所示，TG曲線中均無平臺出現(xiàn)，DTG曲線中均只有1個峰。它的熱分解峰，初始溫度(ts)、峰值溫度(tp)和分解結束溫度(te)，以及失重率為5%，10%和 50% 時的溫度t5，t10和t50如表 2 所示［5－8］。

圖1 A－50號瀝青的TG和DTG圖

表2 A—50 號瀝青的熱分解峰的 ts，tp，te及失重的 t5，t10，t50 ℃

對于A—50號瀝青而言，它的DTG曲線上只有1個峰，由于tp是所分析樣品熱分解最快時的溫度，因而可以用這一溫度的高低來表示樣品的熱穩(wěn)定性的好壞。從表1中可以看出A—50號瀝青的熱分解情況分解可分為2個部分，在200℃以前基本不分解;在200℃ ～500℃之間分解很快;500℃后經過一個分解很慢的平臺質量不再變化。DTG曲線上在475℃有一個很明顯的分解峰。

從ts來看，A—50號瀝青開始分解時的溫度為263℃，通常情況下，瀝青儲存及施工溫度為160℃～180℃，這表明該瀝青在加工過程中熱分解的程度很小，在加工完成后仍能保留有效成分，保持較高的熱穩(wěn)定性，從實用的角度來看，符合吉懷高速公路瀝青路面技術規(guī)范的要求［7，8］。

2.3 AC－25C型瀝青混合料的性能

一條質量可靠的高速公路瀝青混凝土路面，除了有好的基層，好的原材料，嚴格控制施工工藝外，配合比設計也是十分重要的。為更好地保證吉懷高速公路瀝青路面的建設質量、延長其使用壽命，依據規(guī)范要求，考察了吉懷高速公路AC—25C型瀝青混凝土路面配合比設計及使用情況。

本次配合比所用集料為石灰?guī)r，瀝青為A—50號瀝青。各種材料規(guī)格、用量及混合料級配的篩分結果見表3、表4?；旌狭霞壟銩C—25C型瀝青混合料設計級配范圍見圖2。

表3 混合料配合比

表4 混合料級配篩分試驗結果表

根據研究資料［3］可知，粗集料的標準為最大公稱粒徑的1/4(包括1/4粒徑)以上的集料，以下的集料則稱為細集料，由于本次試驗采用了AC—25C，故將2.36 mm以上的集料稱為粗集料，其中粗集料比例為 74.5%［9］。

由表3可知，主骨料規(guī)格和比例為:20～30 mm的碎石15.5%，15～20 mm的碎石21%，5～15 mm的碎石27%，3～5 mm的碎石11%，機制砂為23%，礦粉為2.5%，A－50號瀝青3.94%，各項技術指標符合規(guī)范要求。AC—25C瀝青混合料級配通過率均在要求的范圍內，滿足吉懷高速瀝青路面的使用要求［10］。

圖2 AC—25C瀝青混合料級配圖

為了進一步確定瀝青混合料的性能，根據上述級配和瀝青用量，按技術規(guī)范要求制作馬歇爾試件，進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，試驗結果見表5。

根據馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果，最佳油石比分別為4%，符合各指標要求的油石比范圍3.9% ～4.5%，根據經驗取得最佳油石比為4.2%，且VMA滿足設計要求［9］。

表5 AC—25C瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗表

為了進一步確定瀝青混合料的抗水害性能，根據上述級配和瀝青用量，按技術規(guī)范要求進行瀝青路面滲水實驗，試驗結果見表6。

表6 瀝青路面滲水實驗表

根據瀝青路面滲水實驗結果，該級配抗水害性能良好，符合各指標要求。目標配合比設計結果，可用于吉懷高速公路瀝青路面下面層［11］。

3 結論

從以上的研究分析來看，A—50號瀝青的路用基本性能都滿足吉懷高速公路建設的技術要求。運用熱失重分析技術同時獲得該試樣的TG和DTG曲線，明確起始和終止失重溫度及相應的失重量，在使用溫度范圍內，A—50號瀝青的熱穩(wěn)定性比較好，基本不揮發(fā)、分解。對A—50號瀝青進行了AC—25C瀝青混合料的設計級配實驗及馬歇爾試驗，由試驗結果知，該級配混合料性能良好，可用于吉懷高速公路瀝青路面下面層的使用。

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