硬质沥青及混合料的高温性能评价

覃 勉，苑红凯

（1.南京道润交通科技有限公司，江苏南京210019；2.天津市市政工程设计研究院，天津市300051）

1 概述

硬质沥青也就是通常所讲的低标号沥青，如50号沥青、30号沥青。硬质沥青的特点是高温抗变形能力优越。硬质沥青在国外道路中的应用已有很多先例，其中欧洲在这方面完成了大量的研究工作。英国改建一些重交通道路时，由于受到桥梁净空和排水标高的限制，要求既要改进路面性能还不能增加结构层厚度，这使得材料的性能必须有所提高。他们在改良路面基层材料时就用50号沥青取代了100号，基层类型为密级配沥青碎石基层。经过测试发现使用50号的沥青可以使得沥青碎石的劲度增加3倍。芬兰采用硬质沥青用于上面层，提高沥青路面抵抗永久变形的能力（车辙）。Helsinki技术大学将硬质沥青或硬沥青、改性沥青分别用于同一道路上，进行了对比应用研究，试验结果表明，硬质沥青相对于其他两种沥青，具有良好的路用性能。鉴于硬质沥青良好的抗变形性能，在芬兰高等级公路建设中，得到越来越广泛的应用。在荷兰Delft大学进行的Lintrack加速加载试验，对几种基层和面层形式的抗车辙性能作出评价，其中包括普通沥青密级配混凝土、硬质沥青密级配混凝土、SMA和改性沥青密级配沥青混凝土等。在特定的温度和模拟交通量条件下，通过Lintrack设备对环道加载，并实时记录车辙的发展情况，加载完毕后钻取芯样，在室内完成三轴试验。车辙试验的结果显示，硬质沥青混凝土的车辙深度与SMA的基本相当，并明显优于普通沥青混凝土；而三轴试验的结果显示，硬质沥青混凝土具备良好的抵抗变形的能力。两项试验都证实了硬质沥青混凝土在道路使用方面的优越性能。

针对我国的国情，对于夏季气温较高地区，在沥青路面中下面层采用硬质沥青代替传统70#沥青，既能大幅度提高沥青路面的高温抗变性能力，又不需要特殊的施工工艺，工程造价也无需提高，具有良好的社会经济效益。

2 硬质沥青的高温性能试验

2.1 软化点试验

软化点是反映道路沥青高温性能的最基本的一项性质指标，也是我国道路沥青最常用的三大指标之一，与路面抵抗高温永久变形有良好的相关性。

本次试验中采用的三种沥青软化点测试结果如表1所示。

表1 不同沥青胶结料的软化点

由表1试验结果分析可知，原样沥青和RTFOT老化后的沥青按软化点由大到小排列为：改性沥青＞硬质沥青＞普通沥青，普通沥青、硬质沥青老化后软化点明显高于原样沥青，而改性沥青老化前后软化点相当。

2.2 动态剪切流变仪DSR试验

SHRP在沥青混合料路用性能规范中提出的评价沥青混合料高温性能的指标是采用动态剪切流变仪（DSR），对原样沥青及RTFOT后残留沥青试样分别进行两次动态剪切试验。Superpave用DSR试验来测定结合料的复合剪切模量G*及相位角δ，δ用来反映结合料的粘弹性组成，δ=0°表明结合料为完全弹性的，而δ=90°表明结合料为完全粘性，G*/sinδ指标被用来评价结合料的抗车辙能力。G*/sinδ越大，即高温时的流动变形越小，抗车辙能力越强。

该研究采用动态剪切流变仪DSR分别对原样沥青和旋转薄膜烘箱（RTFOT）老化后的沥青进行车辙因子G*/sinδ的测试，测试结果如表2所示。

表2 动态剪切流变试验测试结果汇总

试验结果可以看出，普通沥青、硬质沥青和改性沥青的PG分级分别为PG64、PG70和PG76。随着温度的上升，无论原样还是RTFOT老化后的沥青材料，沥青车辙因子G*/sinδ均随温度的升高而降低，表明伴随着沥青材料温度的升高，沥青材料的抗变形性能减弱。原样普通沥青PG分级与RTFOT老化的分级都为PG64，而硬质沥青和改性沥青老化后的PG等级都比原样沥青下降一个等级，表明短期老化导致两种沥青的高温等级出现下降。硬质沥青RTFOT后的G*/Sinδ反而比原样沥青高，在稍低温度情况下甚至高于改性沥青，这表明老化后的硬质沥青抗高温车辙能力没有减弱，可以推断其长期的高温性能良好。

通过DSR试验对三种沥青胶结料的高温性能所做的测试分析，得出的结论是，硬质沥青高温性能优于普通沥青但不如改性沥青。

2.3 重复蠕变试验

美国NCHRP459报告提出了一种新的评价胶结料抵抗车辙性能的试验方法，即“重复蠕变试验”，可以很好地反映永久变形的发展情况。我们通过与混合料试验结果的对比，发现重复蠕变试验中的累积应变指标评价沥青高温性能具有良好的适宜性和相关性。该研究采用重复蠕变试验中的指标——累积应变，评价不同沥青的高温性能。重复蠕变试验采用应力控制的模式，应力水平为60 kPa，试验温度采用60℃。每个蠕变周期加载1 s，卸载29 s，重复次数为64次。试验结果如表3、图 1、图 2 所示。

长期以来中小河流的治理资金主要靠地方政府，特别是“两工”群众投工投劳，在“两工”取消后，中央和地方的资金未能安排，资金缺位造成治理停滞，目前治理任务艰巨。

表3 原样、RTFOT后沥青的重复蠕变试验结果汇总

由表3、图1及图2试验结果可知，按累计变形由大到小依次排列为：普通沥青（原样）、普通沥青（老化后）、硬质沥青（原样）、硬质沥青（老化后）、改性沥青（老化后）、改性沥青（原样），其中改性沥青（老化前后）累计变形近似于零，老化后改性沥青累计变形略大于原样。普通沥青、硬质沥青老化后，蠕变试验累计变形，均高于原样沥青累计变形，可见沥青材料在经过老化后自身抵抗变形的能力得到一定程度的提高，而改性沥青抵抗变形的能力变化不大。硬质沥青材料累计变形明显低于普通沥青，老化前后变形分别为普通沥青变形的33.8%、36.1%。

2.4 粘度试验

本课题采用Brookfield粘度仪测试各沥青材料的60℃和135℃粘度，试验结果见表4。

表4 不同沥青胶结料的60℃、135℃粘度

由表4试验结果可看出，60℃、135℃条件下，改性沥青粘度明显高于硬质沥青、普通沥青，而硬质沥青60℃粘度高于普通沥青两倍，而135℃条件下两者粘度接近，具有相近的和易性能。根据粘度与沥青路面高温稳定性的经验关系，从粘度指标来看，各沥青按预期高温稳定性由高到低依次为：改性沥青、硬质沥青、普通沥青。

3 硬质沥青混合料的高温性能

该研究采用取之现场的集料及沥青拌制进行各种沥青混合料的车辙试验，同时结合试验路的铺筑从现场取得各种材料，进行了重塑混合料的车辙试验，试验结果如表5所示。

表5 动稳定度试验结果 （单位：/mm）

由表5试验结果可以看出，对于AC-20以及AC-25混合料，无论是在未重塑条件还是重塑条件下，硬质沥青动稳定度，均明显高于普通沥青混合料。对于AC-20混合料，无论在未重塑条件还是重塑条件下，两者动稳定度均相近。分析采用不同沥青混合料车辙变形可以发现，硬质沥青混合料变形间于改性沥青与普通沥青之间。硬质沥青混合料高温稳定性明显高于普通沥青混合料（AH-70），性能接近于改性沥青混合料，整体上讲硬质沥青混合料在抵抗变形方面略低于改性沥青。

4 试验路铺筑及检测

4.1 试验路方案

为更好了解硬质沥青在中、下面层对路面使用性能的影响，在某高速公路上铺筑了试验路，共1052 m，具体方案如图3所示。试验路路面共分为3种方案：方案一试验路长度为143 m，中下面层所采用沥青均为普通70号沥青；方案二试验路长度为231 m，中面层采用50号沥青、下面层采用70号沥青；方案三试验路长度为678 m，中下面层均采用50号沥青；正常路段中面层采用改性沥青，上面层均为改性沥青AK-13混合料。

4.2 试验路检测

为了进一步了解硬质沥青试验路的使用状况，课题组于通车一年后对该试验路进行车辙情况的全面检测结果见表6、图4。

表6 不同路段车辙深度调查

正常路段与方案二路段在结构上只在中面层有所区别，分别采用改性沥青和硬质沥青。由检测结果可以看出，这两种路段的车辙深度均值相同，说明硬质沥青与改性沥青的抗车辙能力相当。从三段试验路检测结果来看，采用硬质沥青中下面层比只用于硬质沥青下面层的车辙深度要小，而两种采用硬质沥青的路段车辙深度都较采用普通沥青小。通过车辙深度调查结果反映的一个现象就是：在实际使用过程中，硬质沥青的抗车辙变形能力明显强于普通沥青，其效果相当于使用改性沥青。

5 结语

通过室内试验与试验路工程检测，得出以下几点结论：

（1）从软化点、DSR试验的G*/Sinδ指标、重复蠕变试验的累计变形指标以及粘度试验结果综合评价得出的不同沥青材料高温稳定性能排序为：改性沥青＞硬质沥青＞普通沥青。

（2）从混合料的车辙试验结果来看，同种级配类型的沥青混合料的高温稳定性能排序为：改性沥青混合料＞硬质沥青混合料＞普通沥青混合料。

（3）试验路现场检测结果与室内试验结果相吻合，证明硬质沥青用于路面的中下面层确实在一定程度上可以提高沥青路面的抗车辙能力。