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摘 要：

為應(yīng)對寒冷地區(qū)瀝青路面溫縮裂縫問題，通過添加高模量劑與使用高標(biāo)號瀝青的方法研究其對瀝青混合料路用性能的影響。采用馬歇爾設(shè)計方法設(shè)計了 2 種級配共 6 種瀝青混合料，并通過試驗評價了瀝青混合料的路用性能。試驗結(jié)果表明：高模量劑的加入能有效提升瀝青混合料的高溫性能，但顯著降低了其低溫性能；與普通瀝青（90 號）混合料相比，高標(biāo)號瀝青（110 號）混合料的低溫性能更為優(yōu)越，但其高溫性能與水穩(wěn)定性能稍差瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。

關(guān)鍵詞: 瀝青路面；瀝青混合料；路用性能；對比分析

截至 2020 年底，全國公路總里程達(dá) 519.81 萬 km，公路密度 54.15 km/100 km2，但道路病害也隨著道路里程的不斷增加而顯著攀升。尤其在寒冷地區(qū)，溫縮裂縫是瀝青路面主要的病害之一［1］，瀝青路面開裂會導(dǎo)致唧泥、凍脹、翻漿、網(wǎng)裂等次生病害出現(xiàn)，極大降低了道路的路用性能及其使用壽命，并嚴(yán)重影響行車安全性與舒適性［2］。有研究表明［3-5］，瀝青路面的溫縮裂縫與環(huán)境溫度、降溫速率、面層與基層的厚度及模量值、瀝青用量及品質(zhì)等諸多因素有關(guān)。為了應(yīng)對寒冷地區(qū)瀝青路面溫縮裂縫問題，筆者以添加高模量劑與使用高標(biāo)號瀝青的方法探究其對瀝青混合料路用性能的影響。通過馬歇爾設(shè)計方法進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計，并通過路用性能試驗評價其路用性能，以期為類似工程提供借鑒與指導(dǎo)。

 1 原材料與試驗方案

1. 1 原材料

1. 1. 1 瀝青

試驗所用瀝青為 90 號瀝青與 110 號瀝青，依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對其相關(guān)性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表 1。

1. 1. 2 集料

試驗所用集料均為石灰?guī)r質(zhì)集料。依據(jù) JTGE42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》對粒徑為 4.75～26.5 mm 的粗集料、0.075～4.75 mm 的細(xì)集料與 0～0.075 mm 的礦粉進(jìn)行相關(guān)性能測試，結(jié)果見表 2～4。

1. 1. 3 高模量劑

試驗所用高模量劑為直投式 PR MODULE 高模量劑，其在常溫下為深色無味的片狀顆粒。PR MODULE高模量劑中的高分子聚合物可以與瀝青分子鏈形成穩(wěn)定性及強(qiáng)度較高的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且能夠增強(qiáng)集料與瀝青的粘結(jié)性，從而提高瀝青混合料的模量和高溫性能。PR MODULE 高模量劑的基本性能見表 5。

1. 2 試驗方案

1）試驗所用集料均為公稱粒徑≤26.5 mm 的天然石灰?guī)r，按加工粒徑分為 1 號集料（19～26.5 mm）、2 號集料（9.5～19 mm）、3 號集料（4.75～9.5 mm）和4 號集料（0～4.75 mm），將各檔集料進(jìn)行篩分，結(jié)果見表 6。

2）采用 AC-16C 和 AC-25C 分別作為瀝青路面的上面層與下面層，根據(jù)表 6 中各檔集料的篩分結(jié)果和 JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（下文簡稱《規(guī)范》）中配合比設(shè)計級配要求，經(jīng)摻配試算調(diào)整后確定 AC-16C 型瀝青混合料中各檔集料的摻配比例為：9.5～16 mm 集料、4.75～9.5 mm 集料、2.36～4.75 mm 集料、0～2.36 mm 集料、礦粉分別為26%、23%、20%、26%、5%；AC-25C 型瀝青混合料中各檔集料的摻配比例為：19～26.5 mm 集料、9.5～16 mm 集料、4.75～9.5 mm 集料、2.36～4.75 mm 集料、0～2.36 mm 集料、礦粉分別為 20%、22%、18%、16%、20%、4%。設(shè)計級配滿足配合比設(shè)計要求，級配設(shè)計結(jié)果見表 7。

3）采用馬歇爾設(shè)計方法確定出上、下面層瀝青混合料的最佳瀝青用量分別為 5.2%與 4.2%，上、下面層分別設(shè)計 3 種瀝青混合料，試驗設(shè)計方案見表 8。

2  試驗結(jié)果與討論

2. 1 高溫性能

采用車轍儀在 60 ℃風(fēng)熱恒溫、輪壓恒載 0.7 MPa條件下對瀝青混合料試件（300 mm×300 mm×50 mm）進(jìn)行高溫車轍試驗，以動穩(wěn)定度指標(biāo)來評價 6 種瀝青混合料的高溫性能，試驗結(jié)果見圖 1。

由圖 1 可知：

1）對于 AC-16C，3 種瀝青混合料的高溫性能均滿足《規(guī)范》要求，動穩(wěn)定度從大到小依次為：C（3 088 次/mm）、A（2 067 次/mm）、B（1 638 次/mm）。添加 0.6‰高模量劑的 C 的抗車轍能力最強(qiáng)，與 A相比，其動穩(wěn)定度提升了 49.4%，45 min 和 60 min 時的車轍深度分別下降了 25.3%與 26.1%。B 的抗車轍能力最差，與 A 相比，其動穩(wěn)定度與抗車轍能力均有所下降。

2）對于 AC-25C，3 種瀝青混合料的高溫性能均滿足《規(guī)范》要求，動穩(wěn)定度從大到小依次為：F（4 542 次/mm）、E（1 995 次/mm）、D（1 624 次/mm）。添加 0.6‰高模量劑的 F 的抗車轍能力最強(qiáng)，與 D 相比，其動穩(wěn)定度提升了 127.7%，45 min 和 60 min 時的車轍深度分別下降了 37.6%與 39.9%。E 的高溫性能同樣略優(yōu)于 D，其動穩(wěn)定度提升了 26.2%，45 min和 60 min 時的車轍深度均下降了約 21%。

3）對于瀝青混合料的高溫性能，高模量劑的加入使瀝青混合料有更高的剛度，其抵抗車輪荷載反復(fù)作用的能力得到大幅提升，即高模量劑能夠顯著提高面層瀝青混合料的高溫性能［6］。采用不同瀝青制備的混合料在不同級配下的高溫性能有所不同，這是因為 AC-16C 中 0～2.36 mm 集料要多于 AC-25C，并且 AC-16C 中的瀝青用量更高，由于 110 號瀝青的軟化點較低，當(dāng)路面溫度超過瀝青的軟化點時，會加劇瀝青及瀝青膠漿的側(cè)向流動，致使路面在短時間內(nèi)產(chǎn)生較深的車轍［7］，使 AC-16C 中 B 的高溫性能略差于 A。而由于 AC-25C 中的最大公稱粒徑較大，可以有效增強(qiáng)集料顆粒間的咬合力和內(nèi)摩阻力，使瀝青混合料具有較高的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)承載能力，即E 能夠產(chǎn)生較小的塑形變形［8］，因此 AC-25C 中 D的高溫性能略差于 E。

2. 2 低溫性能

使用 UTM 試驗機(jī)在－10 ℃條件下對瀝青混合料小梁試件（300 mm×30 mm×35 mm）進(jìn)行低溫彎曲試驗，以低溫彎曲破壞應(yīng)變指標(biāo)來評價 6 種瀝青混合料的低溫性能，試驗結(jié)果見圖 2。

由圖 2 可知：

1）對于 AC-16C，瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變從大到小依次為：B（2 739×10-6）、A（2 561×10-6）、C（2 515×10-6）。3 種瀝青混合料中 B 的低溫抗開裂能力最強(qiáng)，與 A 相比，其低溫破壞應(yīng)變提升了 7.1%；C的低溫抗開裂能力最差，與 A 相比有略微削弱，但其低溫性能不滿足《規(guī)范》要求（冬寒區(qū)低溫破壞應(yīng)變應(yīng)≥2 800×10-6）。

2）對于 AC-25C，瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變從大到小依次為：E（2 485×10-6）、D（2 284×10-6）、F（2 051×10-6）。3 種瀝青混合料中 E 的低溫抗開裂能力最強(qiáng)，與 D 相比，其低溫破壞應(yīng)變提升了 8.8%；添加 0.6‰高模量劑的 F 低溫性能最差，與 D 相比，其低溫破壞應(yīng)變下降了 10.2%，已不滿足《規(guī)范》中對瀝青混合料低溫性能的要求。

3）對于瀝青混合料的低溫性能，由于 110 號瀝青比 90 號瀝青有較高的延度與較低的溫度敏感性［9］，因此使用 110 號瀝青制備的瀝青混合料在AC-16C與 AC-25C 中均表現(xiàn)出較強(qiáng)的低溫抗開裂性能。而C 與 F 的低溫性能均有所下降，這是因為當(dāng)環(huán)境溫度快速變化，環(huán)境溫度與路面溫度的溫差較大時，瀝青面層內(nèi)會形成瞬變的溫度應(yīng)力場，溫度應(yīng)力迅速累積，此時路面極易開裂。而溫度應(yīng)力的峰值與各結(jié)構(gòu)層的模量密切相關(guān)，高模量劑的加入使瀝青混合料的模量增大，在低溫條件下溫度應(yīng)力迅速累積，混合料表現(xiàn)出應(yīng)力松弛能力不足，使得瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變顯著降低［10-11］?？梢?，高模量劑的加入對瀝青混合料的低溫性能有較大的損傷。

2. 3 水穩(wěn)定性能

使用馬歇爾穩(wěn)定度儀，通過更換不同壓頭的方式分別對不同養(yǎng)生條件下的瀝青混合料馬歇爾試件（直徑 101.6 mm、高 64 mm）進(jìn)行浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗，并以標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)來綜合評價 6 種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果見圖 3。

1）對于 AC-16C，3 種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均滿足《規(guī)范》要求，與 A 相比，B 的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比降幅分別為 14.5%與 2.6%，殘留穩(wěn)定度提升 3.6%；而 C 的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比降幅分別為 7.9%、8.5%，殘留穩(wěn)定度提升 2.8%。由此可見，A 的水穩(wěn)定性能最優(yōu)，其次為 B，而添加了高模量劑的 C 水穩(wěn)定性能最差。

2）對于 AC-25C，3 種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均滿足《規(guī)范》要求，與 D 相比，E 的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比均有略微下降，降幅約為 2%；而 F 的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比均有所提升，其提升幅度分別為 2.3%、3.3%和5.5%。整體而言，3 種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能相差不大，其性能從優(yōu)到劣依次為 F、D、E。

3 結(jié)語

通過配合比設(shè)計得到了瀝青路面上、下面層的各項參數(shù)，并對 6 種瀝青混合料進(jìn)行了高溫性能、低溫性能與水穩(wěn)定性能試驗。試驗結(jié)果表明，高模量劑的加入能有效提升瀝青混合料的高溫性能，但顯著降低了其低溫性能；與普通瀝青（90 號）混合料相比，高標(biāo)號瀝青（110 號）混合料的低溫性能更為優(yōu)越，但其高溫性能與水穩(wěn)定性能稍差。因此，在寒區(qū)選擇高標(biāo)號瀝青（110 號）鋪筑瀝青路面對提升道路品質(zhì)、延長道路使用壽命具有重要意義。

本文首發(fā)于《市政技術(shù)》。原創(chuàng)作者：張軍軍 1*，雷運良 1，榮立巖 1，王子豪 2，馬 童 2，1. 中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040；2. 北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044。