硬质沥青及其混合料高温性能试验研究

2011-09-07杨志勇

土木工程与管理学报 2011年3期

杨志勇，黄拓，肖畅

(1.中国市政工程中南设计研究总院，湖北武汉 430000;2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004;3.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023)

硬质沥青最早出现于法国，并在过去的几十年中得到了广泛的应用。硬质沥青的优点是质地硬，高温抗变形性能优越。硬质沥青混凝土结构层有较高的模量和较强的抗高温车辙能力，适用于重载交通条件下的高等级公路路面结构。在法国，沥青路面50%的中下面层都应用了硬质沥青混凝土。在芬兰，公路部门通常将硬质沥青应用于次等级道路基层［1］。

目前国内对30号硬质沥青及其沥青混合料的研究和应用均较少。高温稳定性不足是我国南方炎热地区沥青路面产生病害的主要原因，如在沥青路面的基层使用硬质沥青，可提高路面结构层的高温稳定性。

1 沥青的高温性能

1.1 沥青性能指标试验

试验采用的沥青为中海油泰州牌30号硬质沥青，为评价其路用性能，将其与沥青路面常用的70号重交沥青作比较，所用的70号重交沥青也是中海油泰州牌。

对这两种沥青按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)规定的方法测定沥青的性能指标，表1给出了沥青技术指标的试验值。

从表1的试验结果可以看出:30号硬质沥青具有较高的粘度，其软化点高于70号重交沥青。将其技术指标试验结果与我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)道路石油沥青技术要求相对比，除15℃延度以外，其余指标均能达到道路石油沥青的A级标准。

表1 沥青技术指标试验结果

1.2 DSR试验

动态剪切流变仪(DSR)是Superpave体系中用以测定沥青结合料高温稳定性和中等温度条件下疲劳特性的仪器。试验时，沥青试样被放入平板中，测定沥青的复数劲度模量和相位角，采用抗车辙因子表征结合料抗永久变形的能力［2］。试验结果见表2。

表2 DSR试验结果

从表2可以看出:两种沥青的抗车辙因子都大于1.0 kPa，符合SHRP规范要求。四种温度下，30号沥青的抗车辙因子远大于70号沥青，这说明30号硬质沥青高温抗车辙性能远远高于常用的70号沥青。

2 沥青混合料高温性能

2.1 沥青混合料级配

由于拟将30号硬质沥青混合料用于沥青路面的基层，本试验采用的级配为ATB-30和ATB-40。级配均按马歇尔方法设计，形成骨架密实结构，矿料级配组成见表3。石料采用道路一级石灰岩，通过马歇尔试验，确定两种混合料的最佳油石比分别为3.4%和3.3%。

表3 级配组成表

2.2 单轴蠕变试验

单轴蠕变试验是对圆柱形试件在轴向施加一荷载，并保持荷载大小不变，经过一段时间后卸载，待试件恢复一部分变形并趋于稳定后，可得到沥青混合料的蠕变曲线。测量试件的变形并计算其蠕变劲度，其结果可用作沥青混凝土路面车辙深度预估的参数之一。试验仪器为MTS810试验机，试验前进行预加载，预载应力为加载应力的1%，静压10 min，其主要目的是使试验机与试件端面的接触良好，避免加载时对试件产生冲击以及卸载时压头与试件脱空。40℃和50℃蠕变试验结果分别见图1和图2。

由于采用各种模型比较繁琐，在本试验中，参照弹性体的方法，定义蠕变劲度，用蠕变劲度和永久应变评价沥青混合料的高温性能。劲度模量的计算公式见式1。

式中:Sσ，ε1为高温蠕变试验蠕变劲度模量(MPa);σ为蠕变试验应力(MPa);ε1为蠕变试验永久变形(10-6)。

图1 40℃蠕变曲线

图2 50℃蠕变

永久变形为试验最后的不可恢复的变形，即为试验最后时刻对应的变形。从上述分析看出，同一温度下，永久变形越大，蠕变模量越小，混合料高温抗车辙性能愈差，反之其高温性能愈好。蠕变试验永久变形计算结果见表4;蠕变劲度模量计算结果见表5。

表4 永久变形(2 h)

表5 蠕变劲度模量(2 h)

从蠕变试验结果来看:温度升高，沥青混合料抗变形能力变差。级配相同，30号沥青混合料蠕变劲度模量大，永久变形小，其高温稳定性要明显好于70号沥青混合料。沥青相同，ATB-40混合料劲度模量大，永久变形小，其高温稳定性要明显好于ATB-30沥青混合料。同种温度下，四种沥青混合料抗高温变形能力的排列顺序为:ATB-40-30＞ATB-30-30＞ATB-40-70＞ATB-30-70。

2.3 车辙试验

沥青混合料车辙试验是用一块碾压成型的板块试件(通常尺寸为300 mm×300 mm×50 mm)，在规定的温度条件(通常是60℃)下，以一个轮压为0.7 MPa的实心橡胶轮在其上行走，测量试件在变形进入稳定期时，每增加1 mm变形需要行走的次数，称为“动稳定度”(DS)，以次/mm表示。试验结果见表6。

表6 沥青混合料车辙试验结果

图3 车辙试验结果对比图

从图3可以看出:30号沥青混合料具有良好的抗车辙性能，混合料ATB-30-30的动稳定度为7035次/mm、ATB-40-30的动稳定度为9898次/mm，比70号沥青混合料的抗车辙性能要好得多，并远超过规范要求的大于2800次。沥青相同，ATB-40混合料的高温稳定性要明显好于ATB-30沥青混合料。四种沥青混合料抗车辙能力排列顺序为:ATB-40-30＞ATB-30-30＞ATB-40-70＞ATB-30-70。