外摻劑改性高模量瀝青混合料高溫性能研究

王 輝，張肖寧

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

選用60℃、75℃車轍試驗和動態(tài)模量試驗來研究外摻劑高模量混合料的高溫穩(wěn)定性能。試驗結果表明，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。

車轍試驗；動態(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外防治瀝青路面車轍病害方面得到了廣泛應用，但由于引入時間較晚，中國對高模量瀝青混合料的研究還比較滯后。

目前國內對高模量瀝青混合料高溫性能的評價指標是動穩(wěn)定度，而國內外大量研究表明，車轍試驗在評價混合料的高溫性能上存在著較大的局限性。因此，本文在車轍試驗基礎上提出以動穩(wěn)定度為主要評價指標，并使用相對變形率作為輔助指標，共同對高模量混合料的高溫性能進行評價。此外，在瀝青混合料的各種模量中，動態(tài)模量（復合模量）｜E＊｜由于更接近于路面工作狀態(tài)，在受力時更能反映出混合料變形和變形恢復的情況而得到越來越多研究人員的重視［1］。本文對車轍試驗和單軸壓縮試驗結果進行對比，來驗證摻加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用提供一定的依據。

1 高模量混合料試驗材料指標

高模量外摻劑選用的是國產高模量外摻劑，具體指標見表1。研究采用的瀝青主要有基質瀝青和SBS改性瀝青，其主要技術指標見表2。試驗AC－13C級配使用集料為廣東封開東威石場輝綠巖，AC－20型瀝青混合料所用集料為廣東新會石場花崗巖。

表1 高模量外摻劑技術指標

礦粉采用佛山三水鴻昌石粉廠產石灰?guī)r礦粉。

2 高模量混合料設計

2.1 配合比設計

車轍大多發(fā)生在瀝青路面的中上面層，而目前高等級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。因這兩種級配在國內應用時間較長，混合料的設計和施工技術較為成熟，因此選取這兩種級配進行混合料試驗。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052—2000）中的相關規(guī)定，采用馬歇爾試驗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。本文試驗采用馬歇爾試驗方法確定不同類型級配摻加高模量瀝青混合料后的最佳瀝青用量；采用靜態(tài)回彈模量試驗和劈裂強度試驗確定外摻劑的最佳摻量。

為了驗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%（占混合料的質量百分比）外摻劑的AC－13C和AC－20。通過大量的馬歇爾試驗最終確定這6種混合料的最佳瀝青用量（表5），瀝青混合料各項性能指標均滿足規(guī)范要求。

表2 基質瀝青和SBS改性瀝青的主要技術指標

表3 AC－13C瀝青混合料礦料級配組成

表4 AC－20瀝青混合料礦料級配組成

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

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

對于AC－13C和AC－20型級配，分別對添加0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%外摻劑時在最佳瀝青用量下進行靜態(tài)回彈模量試驗，結果如圖1所示。

試驗結果表明，添加高模量外摻劑對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；當外摻劑的摻量在0～0.2%時，增長幅度最大；當摻量大于0.6%時，回彈模量繼續(xù)變大，但是增長的幅度相對減緩。

圖1 兩種級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

本試驗采用劈裂抗拉強度指標來評價瀝青混合料的粘聚能力，通過對摻加不同摻量外加劑的試件進行室內劈拉強度試驗，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規(guī)程》（JTG E20—2011）中的瀝青混合料劈裂試驗（T 0716—2011）進行試驗。采用馬歇爾擊實成型圓柱體試件，其標準尺寸為101.6 mm×63.5mm。

對于 AC－13C型級配，分別對添加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行劈裂強度試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 兩種級配在不同摻加劑摻量下劈裂強度變化曲線

試驗結果表明，高模量外摻劑能夠明顯提高瀝青混合料的劈裂強度。當摻加劑的摻量達到0.8%時，AC－13C和AC－20兩種混合料的劈裂強度相較于沒有添加外摻劑的混合料劈裂強度分別增加了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度也隨之增大，但當外摻劑摻量從0.6%增加到0.8%的時候，劈裂強度的增幅很小，甚至出現(xiàn)下降。這說明外摻劑的劑量并不是越多越好，當摻量達到一定程度的時候，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

3.1 車轍試驗

本文在采用動穩(wěn)定度指標評價高模量混合料高溫穩(wěn)定性能之外，同時選取相對變形率指標來評價高模量混合料的高溫穩(wěn)定性能。國內外不少研究者認為，采用相對變形率能更好地反映瀝青混合料的高溫性能［2－5］。動穩(wěn)定度和相對變形率的試驗結果如表6所示，車轍變形曲線如圖3所示。

表6 4種混合料動穩(wěn)定度和相對變形率試驗結果

圖3 不同溫度與不同外摻劑混合料車轍變形曲線

由以上試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，摻加高模量外摻劑后，兩種級配混合料的動穩(wěn)定度和相對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［6］。從混合料變形曲線也可以發(fā)現(xiàn)，除了在開始壓密變形階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；與此對應的基質瀝青混合料和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。綜合兩種分析結果可以得知，高模量瀝青混合料的變形主要與壓實不足造成的壓密變形有關，而且這個變形相對于基質瀝青和改性瀝青的變形來說很小，造成這種結果的原因應該與高模量混合料拌和時要求較高的溫度（185℃）有關。同時，高模量外摻劑融化在集料中形成網狀結構，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

在瀝青混合料的各種模量中，動態(tài)模量（復合模量）｜E＊｜由于更接近于路面工作狀態(tài)，成為各國瀝青路面設計體系傾向采用的設計參數(shù)。越來越多的的研究人員開始重視對瀝青混合料動態(tài)模量的研究。美國馬里蘭大學Witczak教授在不同的頻率及溫度下進行無約束加載動態(tài)模量試驗，結果表明：與試驗路數(shù)據相比，瀝青路面的永久變形與無約束的E＊／sinφ有很高的相關性。Zhou及Scullion根據動態(tài)模量｜E＊｜測試結果得出：動態(tài)模量｜E＊｜增加，車轍減??；動態(tài)模量｜E＊｜與E＊／sinφ高度相關。

因此，本文通過單軸壓縮試驗測定4種混合料的動態(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。

試驗采用美國進口的MTS 810材料試驗系統(tǒng)進行動態(tài)模量測試。用Superpave旋轉壓實儀（SGC）成型高150mm、直徑100mm的圓柱形試件，試驗溫度分別為5℃、20℃、50℃，加載頻率為0.1～10Hz。兩種瀝青混合料動態(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態(tài)模量均高于不摻加外摻劑的同種級配混合料。對于AC－13C和AC－20瀝青混合料，隨著溫度的升高，動態(tài)模量提升比率升高，即溫度越高，高模量混合料的優(yōu)勢越明顯。對于AC－13C混合料，在20℃、10Hz時，高模量混合料相對于未摻加外摻劑的混合料的動態(tài)模量提升比率為65%，而在50℃時，這個比率達到了205%；對于AC－20混合料，在20℃、10Hz時，高模量混合料相對于未摻加外摻劑的混合料的動態(tài)模量提升比率為35%，當溫度上升到50℃時，提升比率達到了275%。這表明外摻劑高模量混合料在溫度越高時，優(yōu)勢越明顯。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瀝青混合料的粘彈特性并沒有顯著的影響。

4 結 語

本文采用車轍試驗和單軸壓縮試驗研究高模量混合料的抗車轍能力。試驗結果表明，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)定性能遠優(yōu)于普通基質瀝青和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最佳值（0.6%），超過這個值之后，高模量混合料的各項力學指標增長幅度并不明顯。

（2）車轍試驗表明，外摻劑高模量混合料的動穩(wěn)定度是基質瀝青和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。相對變形率僅為其他兩種混合料的1／3。兩種指標在評價結論上是一致的。這也表明使用這兩種指標評價高模量混合料高溫穩(wěn)定性是合理的。

（3）動態(tài)模量試驗結果表明，高模量外摻劑能顯著提高混合料的動態(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）車轍試驗和動態(tài)模量試驗表明，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.瀝青混合料動態(tài)性能研究［D］.廣州：華南理工大學，2007.

［2］王旭東，何兆益.瀝青砼動穩(wěn)定度和相對變形指標的研究［J］.重慶交通學院學報，2000，19（3）：44－46.

［3］吳文亮，李 智，張肖寧，等.基于數(shù)字圖像技術的瀝青混合料扯著試驗研究［J］.筑路機械與施工機械化，2008，25（3）：55－57.

［4］王昌衡，陳建民.瀝青混合料車轍試驗研究［J］.中外公路，2003，23（6）：81－83.

［5］葉遇春.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評價指標的試驗研究［J］.中外公路，2004，24（3）：87－90.

［6］沙愛民，周慶華，楊 琴.高模量瀝青混凝土材料組成設計方法［J］.長安大學學報：自然科學版，2009，29（3）：1－5.

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

交通部西部建設科技項目（200831822337）

王玉玲］