新型高強(qiáng)瀝青及其混合料路用性能與工程示范應(yīng)用研究

陳其龍， 覃峰， 靳衛(wèi)華， 唐雙美

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 南寧 530216； 2.廣西南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心， 廣西 南寧 530000；3.中遠(yuǎn)海運(yùn)國際貿(mào)易有限公司， 北京市 100029)

SHRP試驗(yàn)是美國花費(fèi)多年創(chuàng)建的一整套瀝青試驗(yàn)新方法，該方法被用于對瀝青的性能進(jìn)行分級和評價(jià)，SHRP試驗(yàn)的成功之處在于將瀝青路面的路用性能與室內(nèi)研究建立直觀聯(lián)系，把瀝青的基本性能與其所處環(huán)境相結(jié)合，并通過最終的系列室內(nèi)試驗(yàn)研究進(jìn)行瀝青路面的綜合性能評價(jià)。柳葉芳等[1]通過在瀝青中摻入不同量的巖瀝青制成巖瀝青改性瀝青進(jìn)而進(jìn)行SHRP試驗(yàn),對不同摻量巖瀝青改性瀝青的性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:在瀝青中添加適量的巖瀝青后,瀝青膠結(jié)料的G*/sinδ、G*sinδ以及運(yùn)動(dòng)黏度值都有了顯著提高,PG高溫等級提高了近2個(gè)等級。但其低溫性能反而有所下降,因此，在實(shí)際應(yīng)用巖瀝青時(shí)，需嚴(yán)格控制其摻量；趙曉康等[2-7]通過對6種不同油源及標(biāo)號的石油瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn),并以此來綜合評價(jià)各瀝青結(jié)合料的高溫性能及抗疲勞性能,將其與中國常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,探究SHRP試驗(yàn)指標(biāo)與中國瀝青常規(guī)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性。結(jié)果表明：SHRP試驗(yàn)指標(biāo)可以將瀝青的性質(zhì)與其路用性能結(jié)合起來,能更好地反映瀝青材料的路用性能；李海軍等[8-12]進(jìn)行SHRP瀝青膠結(jié)料試驗(yàn),基于瀝青路用性能的流變力學(xué)條件,測試不同標(biāo)號、不同老化程度的道路瀝青在一定適用溫度范圍內(nèi)的性能特征，結(jié)果表明：膠結(jié)料高溫指標(biāo)車轍因子對于不同標(biāo)號瀝青的響應(yīng)程度較低溫指標(biāo)勁度模量明顯偏大。進(jìn)一步研究分析得出：與現(xiàn)有的針入度試驗(yàn)方法比較,在評定石油瀝青低溫性能的量度方面,SHRP方法的溫度分級量度偏大；同濟(jì)大學(xué)呂偉民等[13-14]對高強(qiáng)瀝青及其混合料進(jìn)行研究，結(jié)果表明：高強(qiáng)混合料高溫抗車轍性能較為突出, 同時(shí)具有優(yōu)良的低溫抗裂性、水穩(wěn)性能和力學(xué)性能。

該文通過將高強(qiáng)改性劑和自研抗車轍劑加入70#Esso重交基質(zhì)瀝青中得到新型高強(qiáng)改性瀝青，進(jìn)行SHRP試驗(yàn)以及路用性能與工程示范應(yīng)用研究，根據(jù)試驗(yàn)檢測結(jié)果綜合評價(jià)新型高強(qiáng)瀝青膠結(jié)料的高溫性能及抗疲勞性能，論證新型高強(qiáng)瀝靑路面在中國南方濕熱地區(qū)公路建設(shè)中應(yīng)用的可行性。

1 試驗(yàn)原料

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)采用瀝青類型為70#Esso重交基質(zhì)瀝青，瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度等基本指標(biāo)如表1所示。

表1 70#Esso重交基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)測定值

1.2 高強(qiáng)改性劑

試驗(yàn)采用的高強(qiáng)改性劑(圖1)，最大程度上避免了無效組分的負(fù)作用，大幅改善了瀝青的高溫性能。其對瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)改善效果更為均衡，并減輕了改性瀝青在生產(chǎn)過程中的瀝青老化現(xiàn)象，其主要性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示。

圖1 高強(qiáng)改性劑

表2 高強(qiáng)改性劑性能指標(biāo)

1.3 自研抗車轍劑

試驗(yàn)采用的自研抗車轍劑(圖2)是經(jīng)過多種改性劑進(jìn)行復(fù)配得到，具有高軟化點(diǎn)、高溶解度，適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，與70#Esso重交基質(zhì)瀝青具有良好的互溶性，其性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表3所示。

圖2 自研抗車轍劑

表3 自研抗車轍劑指標(biāo)性能

1.4 集料及填料

此次研究采用石灰?guī)r加工所得的集料，粗集料為石灰?guī)r，分為4檔：15～20、10～15、5～10、3～5 mm；細(xì)集料為石灰?guī)r加工所得的石屑(0～3 mm)；填料采用石灰?guī)r碎石磨細(xì)的礦粉；各項(xiàng)指標(biāo)均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。集料及填料的性能指標(biāo)測試結(jié)果如表4所示。

表4 礦料技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2 樣品制備

2.1 新型高強(qiáng)瀝青樣品制備

通過將70#Esso重交基質(zhì)瀝青加熱到180 ℃,發(fā)育3～5 h(保證發(fā)育時(shí)間不少于3 h,新型高強(qiáng)瀝青的性能才不會(huì)受影響)，再按比例分別添加高強(qiáng)改性劑和自研抗車轍劑,使用剪切機(jī)高速旋轉(zhuǎn)剪切,使得高強(qiáng)改性劑和自研抗車轍劑均勻地分散在基質(zhì)瀝青中,添加高強(qiáng)改性劑和自研抗車轍劑的中間需間隔0.5 h，給予瀝青充分的發(fā)育時(shí)間，改性結(jié)果及與SBS改性瀝青對比結(jié)果如表5所示。

由表5可得出以下結(jié)論：

表5 改性瀝青技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果

(1) 兩種改性瀝青都能滿足中國現(xiàn)行JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

(2) 在高溫性能、感溫性能、彈性性能和抗老化性能方面，新型高強(qiáng)瀝青明顯優(yōu)于SBS改性瀝青。

(3) 在儲(chǔ)存穩(wěn)定性方面，新型高強(qiáng)瀝青較SBS改性瀝青略好。

(4) 兩種改性瀝青135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度均小于3.0 Pa·s，能滿足施工和易性要求。

2.2 SHRP試驗(yàn)樣品制備

根據(jù)JTG E20—2011《規(guī)程》[13]要求，DSR試驗(yàn)樣品通過將新型高強(qiáng)瀝青在烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)，取出試驗(yàn)板，將新型高強(qiáng)瀝青澆筑至試驗(yàn)板中心處，待新型高強(qiáng)瀝青變硬后將試驗(yàn)板裝回流變儀；BBR試驗(yàn)樣品通過將新型高強(qiáng)瀝青在烘箱中加熱,直到新型高強(qiáng)瀝青充分流動(dòng)容易澆注后，將新型高強(qiáng)瀝青澆注在金屬模中。待樣品冷卻至室溫后,用加熱過的刀切掉并切平冷卻后高出模具頂端的新型高強(qiáng)瀝青樣品；旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)樣品通過將新型高強(qiáng)瀝青加熱至203 ℃保持40 min備用。

2.3 混合料樣品制備

根據(jù)JTG E20—2011《規(guī)程》[13]要求，以配置好的新型高強(qiáng)瀝青混合料采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的方式成型試樣，再以4.20%的油石比制備浸水馬歇爾試樣、凍融劈裂試樣以及浸水車轍試樣。

3 SHRP試驗(yàn)

3.1 動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測試新型高強(qiáng)瀝青膠結(jié)料的流變性能。先將原樣新型高強(qiáng)瀝青、SBS改性瀝青、70#Esso重交基質(zhì)瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)，其所用試驗(yàn)板徑為25.0 mm,試驗(yàn)間隙1.000 mm，試驗(yàn)頻率10.0 rad/s,應(yīng)變12%，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示；然后將原樣新型高強(qiáng)瀝青經(jīng)過RTFOT試驗(yàn)后殘留物再進(jìn)行DSR試驗(yàn)，其所用試驗(yàn)板徑為25.0 mm,試驗(yàn)間隙1.000 mm，試驗(yàn)頻率10.0 rad/s,應(yīng)變10%，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示；最后將 RTFOT試驗(yàn)后的殘留物進(jìn)行PAV老化后，取其殘留物再次進(jìn)行DSR試驗(yàn)，其所用試驗(yàn)板徑為8.0 mm,試驗(yàn)間隙2.000 mm，試驗(yàn)頻率10.0 rad/s,應(yīng)變1% 。試驗(yàn)結(jié)果如表6、7所示。

圖3 不同品種原樣瀝青抗車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

圖4 原樣新型高強(qiáng)瀝青RTFOT殘留物不同溫度下抗車轍因子

表6 PAV殘留物DSR試驗(yàn)指標(biāo)性能

表7 不同品種瀝青PG等級

由圖3、4及表6、7可得出：

(1) 在相同的試驗(yàn)溫度下(50 ℃或60 ℃)，新型高強(qiáng)瀝青的抗車轍因子G*/sinδ明顯高于SBS改性瀝青與70#Esso重交基質(zhì)瀝青，說明新型高強(qiáng)瀝青的高溫性能和流變性能明顯優(yōu)于其他兩種瀝青，更適用于南方高溫地區(qū)。

(2) 在原樣新型高強(qiáng)瀝青DSR試驗(yàn)中，試驗(yàn)溫度在60 ℃的抗車轍因子G*/sinδ是試驗(yàn)溫度在76 ℃的抗車轍因子G*/sinδ的4.11倍，而試驗(yàn)溫度在82 ℃的抗車轍因子G*/sinδ僅是試驗(yàn)溫度在60 ℃的抗車轍因子G*/sinδ的12.19%，說明新型高強(qiáng)瀝青的溫感性能較強(qiáng)，其彈性恢復(fù)能力隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低。

(3) 同一溫度等級下，無論是原樣新型高強(qiáng)瀝青還是 RTFOT 老化后的新型高強(qiáng)瀝青，抗車轍因子G*/sinδ都會(huì)隨著溫度的提升而下降且RTFOT老化后的新型高強(qiáng)瀝青抗車轍因子較原樣新型高強(qiáng)瀝青抗車轍因子G*/sinδ要小，說明RTFOT 老化后的新型高強(qiáng)瀝青彈性恢復(fù)的能力在不斷減小，其老化后的抗車轍能力在不斷弱化。

(4) 在溫度下降的情況下，新型高強(qiáng)瀝青的復(fù)合模量上升，相位角下降，且抗疲勞因子G*sinδ均小于5 000 kPa，說明新型高強(qiáng)瀝青疲勞損傷發(fā)展緩慢，其抗疲勞性能優(yōu)異。

(5) 新型高強(qiáng)瀝青PG高溫等級比SBS改性瀝青提高了2個(gè)等級、比70#Esso重交基質(zhì)瀝青提高了4個(gè)等級，其瀝青結(jié)合料高溫性能得到了極大的增強(qiáng)。

3.2 低溫彎曲流變儀(BBR)試驗(yàn)

當(dāng)瀝青處于低溫環(huán)境時(shí), 其特性表現(xiàn)為彈性體, 如果瀝青的蠕變勁度表現(xiàn)很大時(shí), 則瀝青會(huì)呈現(xiàn)脆性狀態(tài), 此時(shí)，其呈現(xiàn)的脆性狀態(tài)會(huì)使得瀝青路面容易開裂。 因此，為防止瀝青路面開裂破壞, 需要限制瀝青的蠕變勁度。該文擬采用彎曲梁流變儀來測定瀝青在低溫下的蠕變勁度，參照Superpave規(guī)范關(guān)于BBR試驗(yàn)要求，分別對原樣新型高強(qiáng)瀝青、RTFOT老化后的瀝青及PAV老化后的瀝青進(jìn)行了低溫流變試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 新型高強(qiáng)瀝青BBR試驗(yàn)指標(biāo)性能

由表8可以看出：

(1) 無論是原樣、RTFOT 老化還是PAV老化后的新型高強(qiáng)瀝青，其在試驗(yàn)溫度為-12 ℃時(shí)m值均符合規(guī)程不小于0.300的要求，但當(dāng)試驗(yàn)溫度為-18 ℃時(shí)，3種高強(qiáng)瀝青的m值均不滿足要求。同等試驗(yàn)溫度下，經(jīng)過老化后的新型高強(qiáng)瀝青低溫性能變化幅度不大。

(2) 無論是原樣、RTFOT 老化還是PAV老化后的新型高強(qiáng)瀝青，其PG低溫等級均為-22 ℃，未有變化。

3.3 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)黏度儀是通過測定膠結(jié)料的黏度來評估其高溫工作特性的設(shè)備。測量高溫膠結(jié)料的黏性,是為了保證瀝青在灌裝以及與混合料拌和時(shí)能夠有足夠的流動(dòng)性, 滿足工作性的要求。該文參照AASHTO T316方法進(jìn)行布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果見表9。

由表9可以看出：

表9 不同種瀝青布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)黏度指標(biāo)性能

(1) 不同種類瀝青在135 ℃的試驗(yàn)溫度情況下，其布氏黏度均小于3.000 Pa·s，符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2) 新型高強(qiáng)瀝青的布氏黏度為2.980 Pa·s，僅是略小于規(guī)范要求的3.000 Pa·s，說明在70#Esso重交基質(zhì)瀝青中加入的高強(qiáng)改性劑和抗車轍劑大大增強(qiáng)了瀝青的黏性，其工作性能有所降低，但不影響其正常使用。

3.4 瀝青混合料礦料級配

試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)際及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的級配如圖5所示。

圖5 新型高強(qiáng)瀝青混合料AC-20級配曲線

3.5 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)

試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試樣。試樣冷卻24 h后測定并記錄測試結(jié)果如表10所示。

表10 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)

3.6 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)《規(guī)程》要求成型試件,冷卻24 h后脫模，試樣需在(60±0.5) ℃恒溫水浴中浸泡48 h。測定各自穩(wěn)定度并計(jì)算殘留穩(wěn)定度，結(jié)果見表11。

表11 瀝青混合料浸水馬歇爾指標(biāo)

3.7 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)《規(guī)程》的要求成型試樣，各個(gè)摻量的混合料采用8個(gè)試樣數(shù)，分別對其編號并隨機(jī)分成2組。第一組室溫下保存?zhèn)溆?；第二組按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行真空飽水后放入(-18±2) ℃冰箱冷凍(16±1) h,時(shí)間到后再放入(60±0.5) ℃的恒溫水箱中保溫24 h。最后需要將兩組試樣一起放入(25±0.5) ℃的恒溫水槽中不少于2 h后測試各組抗拉劈裂強(qiáng)度，結(jié)果見表12。

表12 瀝青混合料凍融劈裂指標(biāo)

3.8 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

通過將常規(guī)成型冷卻的車轍試樣放入預(yù)先準(zhǔn)備好的(60±1) ℃烘箱中不小于4 h，然后將試件分別放入車轍試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)將車轍儀溫度設(shè)置為(60±1) ℃,荷載輪壓(0.7±0.05) MPa,作用時(shí)間60 min。測試45～60 min內(nèi)的試樣變形量、計(jì)算該時(shí)間段內(nèi)試樣的動(dòng)穩(wěn)定度如表13所示。

表13 瀝青混合料車轍指標(biāo)

由表10～13可知：

兩種改性瀝青制備的相應(yīng)混合料的性能相差較大，具體表現(xiàn)為：

(1) 新型高強(qiáng)瀝青混合料的穩(wěn)定度較SBS改性瀝青混合料穩(wěn)定度提升近13%，穩(wěn)定度是反映混合料試件力學(xué)性能的重要指標(biāo)，能夠直觀地看到混合料抵抗破壞的能力,也是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的評價(jià)指標(biāo)。

(2) 兩種改性瀝青混合料礦料間隙率都滿足指標(biāo)要求，礦料間隙率是表征瀝青混合料強(qiáng)度和耐久性的重要參數(shù)之一。礦料間隙率偏小,瀝青混合料的耐久性無法保證,將會(huì)大大減小瀝青路面的使用壽命,但VMA過大則會(huì)影響混合料的高溫穩(wěn)定性能。

(3) 新型高強(qiáng)瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度是SBS改性瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度的1.02倍，說明新型高強(qiáng)瀝青混合料的力學(xué)特性較SBS改性瀝青混合料有了明顯的提升。

(4) 在抗水損害性能、抗高溫車轍性能方面，新型高強(qiáng)瀝青混合料性能明顯優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，新型高強(qiáng)瀝青混合料凍融劈裂比較SBS改性瀝青混合料凍融劈裂比提高了2.5%，新型高強(qiáng)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度是SBS改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的1.88倍。

4 工程示范應(yīng)用

2020年10月23日至10月30日，廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院聯(lián)合中遠(yuǎn)海運(yùn)國際貿(mào)易有限公司、廣西路建工程集團(tuán)有限公司共同研發(fā)的國產(chǎn)新型高強(qiáng)瀝青在松旺至鐵山港東岸高速公路K9+000～K11+000標(biāo)段中、上面層成功鋪筑(該項(xiàng)目其余標(biāo)段上面層均采用SBS改性瀝青進(jìn)行鋪筑)。在工程示范段施工過程中，對新型高強(qiáng)瀝青中、上面層的施工及檢測過程進(jìn)行了全程跟蹤，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，為國產(chǎn)新型高強(qiáng)瀝青的施工、推廣與應(yīng)用提供了技術(shù)指導(dǎo)。

工程示范路段中、上面層鋪筑結(jié)束第2天即分別對中、上面層進(jìn)行混合料抽檢試驗(yàn)、鉆芯取樣檢測試驗(yàn)和滲水系數(shù)檢測試驗(yàn)，結(jié)果如表14～16所示。

表14 混合料抽檢試驗(yàn)

從表14～16可以看出：各項(xiàng)檢測指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，整體檢測結(jié)果表明新型高強(qiáng)瀝青混合料工程示范路段施工狀況良好，對于在南方濕熱地區(qū)，高頻重載路段來說，具有優(yōu)良抗高溫性能和水損害性能的新型高強(qiáng)瀝青有著更廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

(1) 在高溫性能、感溫性能、彈性性能和抗老化性能方面，新型高強(qiáng)瀝青明顯優(yōu)于SBS改性瀝青；在儲(chǔ)存穩(wěn)定性方面，新型高強(qiáng)瀝青較SBS改性瀝青略好。

表15 鉆芯取樣檢測試驗(yàn)結(jié)果

表16 滲水系數(shù)檢測試驗(yàn)結(jié)果

(2) 在原樣新型高強(qiáng)瀝青DSR試驗(yàn)中，60 ℃的抗車轍因子G*/sinδ是76 ℃抗車轍因子的4.11倍，而82 ℃的抗車轍因子G*/sinδ僅是60 ℃的抗車轍因子的12.19%，說明新型高強(qiáng)瀝青的溫感性能較強(qiáng)，其彈性恢復(fù)的能力隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低。

(3) 在溫度下降的情況下，新型高強(qiáng)瀝青的復(fù)合模量上升，相位角下降，且抗疲勞因子G*sinδ均小于5 000 kPa，說明新型高強(qiáng)瀝青疲勞損傷發(fā)展緩慢，其抗疲勞性能優(yōu)異。

(4) 新型高強(qiáng)瀝青PG高溫等級比SBS改性瀝青提高了2個(gè)等級、比70#Esso重交基質(zhì)瀝青提高了4個(gè)等級，其PG低溫等級均為-22 ℃，未有變化。

(5) 新型高強(qiáng)瀝青的布氏黏度為2.980 Pa·s，僅略小于規(guī)范要求的3.000 Pa·s，說明在70#Esso重交基質(zhì)瀝青中加入的高強(qiáng)改性劑和抗車轍劑大大增強(qiáng)了瀝青的黏性，其工作性能有所降低，但不影響其正常使用。

(6) 在路用性能方面，相比于SBS改性瀝青混合料，新型高強(qiáng)瀝青混合料穩(wěn)定度提升近13%，凍融劈裂比提高了2.5%，動(dòng)穩(wěn)定度得到了顯著的提高，有效提高混合料的抗變形能力。

(7) 對工程示范應(yīng)用路段開展了混合料抽檢、鉆芯取樣、滲水系數(shù)檢測等試驗(yàn)，整體檢測結(jié)果表明：新型高強(qiáng)瀝青混合料工程示范路段施工狀況良好，對于南方濕熱地區(qū)高頻重載路段，具有優(yōu)良抗高溫性能和水損害性能的新型高強(qiáng)瀝青有著更廣泛的應(yīng)用前景。