基于低标号沥青与岩沥青掺配技术高模量沥青混合料耐久性试验研究

杨　琳

(西安铁路职业技术学院， 陕西 西安　710600 )



基于低标号沥青与岩沥青掺配技术高模量沥青混合料耐久性试验研究

杨琳

(西安铁路职业技术学院， 陕西 西安710600 )

采用高模量沥青混合料是解决沥青路面车辙病害的有效途径之一，通过70号沥青与布顿岩沥青复配技术来获取高模量沥青，并借鉴法国EME设计思路进行高模量沥青混合料设计研究，基于MMLS3加速加载试验、低温弯曲试验、四分点小梁疲劳试验研究了BRA掺量对高模量沥青混合料耐久性、低温抗裂性以及疲劳性能的影响，综合考虑BRA掺量对高模量沥青流变性能及其混合料路用性能的影响，推荐了高模量沥青混合料适宜的BRA掺量为30%～40%。

路面工程； 高模量沥青； 高模量沥青混合料； 岩沥青； 耐久性

0　引言

耐久性高模量沥青混合料(High Modulus Asphalt Concrete，简称HMAC)是一种整体模量较高，抗疲劳性能良好的特种沥青混合料，按照法国LPC沥青路面设计指南，只有满足模量(15 ℃，10 HZ,0.02 s)大于14000 MPa、丰度系数大于3.4%、车辙变形率(加载30000次)小于7.5%、100万次疲劳形变大于130 με的沥青混合料才可被称为耐久性高模量沥青混合料[1-4]。其主体思想是通过一定技术途径来提高沥青混合料的模量，以减小车辆荷载作用下沥青混合料的应变，达到提高沥青路面抗车辙能力、减薄沥青路面厚度和提高沥青路面耐久性的目的[5,6]。高模量沥青分为三类：一种是降低沥青混合料中沥青的标号，采用粘度较大的沥青，比如30#、50#沥青；另外一种则是在沥青混合料中加入外掺改性剂，如70号沥青+掺加岩沥青或湖沥青、SBS改性沥青+天然沥青或橡胶粉等，再者就是通过掺加高模量剂，如法国PR公司生产的PRS和PRM高模量剂。目前国内外研究主要集中在PRS或PRM高模量改性沥青及其混合料路用性能，鲜见基于低标号沥青与岩沥青掺配技术获取高模量沥青混合料方面报道，对岩沥青与基质沥青进行掺配后适宜的岩沥青掺量缺乏系统研究，也没有基于室内试验或试验路铺筑研究掺配后高模量沥青混合的长期使用性能，本文结合宁高高速公路改造工程，系统研究了低标号沥青与岩沥青掺配后合理的岩沥青掺配比例，并借鉴法国EME设计思路，采用室内加速加载试验、四分点加载疲劳试验对掺配后获取的高模量沥青混合料进行耐久性试验验证。

1　基质沥青与BRA掺配高模量沥青试验研究

1.1原材料及配比

试验选用SK70#A级道路石油沥青；常用于生产改性沥青的天然沥青主要有布顿岩沥青(BRA)、特立尼达胡沥青(TLA)、青川岩沥青(CBL)， 本文选用实体工程中采用的BRA岩沥青，参考ASTM D5710提出的质量标准对BRA进行了检测，BRA天然沥青含量为26.3%，灰分含量73.3%，密度为1.72 g/cm3,考虑到BRA粒径、细度等对其在改性沥青混合料中分散均匀性的影响，对于以“湿法”工艺使用的BRA天然沥青，筛分试验结果见表1。采用70号基质沥青与BRA掺配法制备高模量沥青，具体操作时变化基质沥青与BRA的相对比例分别为20%、30%、35%、40%、50%(BRA占高模量沥青质量的百分比)，制备工艺如下： ①加热基质沥青到150 ℃左右，加入预定质量的BRA； ②加热沥青至170～180 ℃，以800～1000 r/min速率搅拌30 min使BRA分散均匀。制成改性沥青之后，对其性能进行BBR试验检测。

表1 布顿岩沥青筛分试验结果Table1 Boutonrockasphaltscreeningtestresults筛孔尺寸/mm通过率百分率/%筛分结果规范要求4.751001002.3694.490～1000.614.610～30 0.0753.2

1.2高模量沥青低温抗裂性能试验

按照我国现行施工技术规程首先对试验高模量沥青进行薄膜烘箱老化试验，对PAV后的沥青胶结料进行BBR试验[13]，以BBR试验劲度模量和其变化速率m以及临界温度作为评价指标，BBR试验结果如表2所示。

表2 不同BRA掺配比例高模量沥青BBR试验结果Table2 BRAblendingratioofhighmodulusasphaltBBRtestresultsBRA掺量/%劲度模量S/MPa蠕变曲线斜率m-6℃-12℃-18℃-24℃-6℃-12℃-18℃-24℃045.2119.9252.5323.50.4380.2160.2660.3422079.4205.1292.4387.40.4130.2760.2860.37530117.5233.3312.1423.60.3940.2890.3210.39435124.2252.5366.3443.30.3750.3040.3340.41240136.8281.6391.8492.10.3640.3140.3420.44550176.3312.2443.6578.40.3450.3220.3450.487

由BBR试验结果可知: BRA的加入增加了沥青的S值，且随着BRA掺量的增大，高模量沥青的S值增大，沥青相对更有硬，表明沥青的松弛能力降低。在不同试验温度下，随着BRA掺量的增大，高模量沥青的m值减小，使得沥青产生的温度应力不易释放，增大了沥青路面低温开裂的几率。按照BBR试验m≥0.3，S≤300 MPa的临界温度判别标准，只有20%BRA掺量的高模量沥青PG分级低温温度为-18 ℃，其余各BRA掺量的高模量沥青PG低温分级均为-12 ℃，这表明随着BRA掺量的增大，高模量沥青的低温性能降低，分析其原因，BRA中沥青含量仅有26.3%，灰分含量达73.3%，灰分具有很强的吸附作用，破坏了原有沥青结构和组成，特别是沥青质与其它组分的作用改变，以沥青质为核心的分散相表现出明显的缔合作用[7-9]，增强了BRA与基质沥青之间的混溶性,沥青由溶胶型向溶-凝胶型和凝胶型的方面转化，沥青的流动性变差，整体变硬，表现出低温脆性，宏观表现为低温抗裂性下降。

2　高模量沥青混合料配合比设计

2.1确定矿料级配

借鉴法国EME2设计思路，采用Superpave设计方法设计高模量沥青混合料，参考宁高高速公路配合比设计成果，并根据国内京黑山南北高速公路、日本东京2号环道高模量沥青混合料设计的实践经验，将4.75 mm筛孔作为细集料级配的最大粒径，已知矿粉的通过百分率根据富勒级配曲线设计细集料级配，对2.36 mm、0.075 mm 筛孔通过率加以控制，验级配组成见表3。

表3 高模量沥青混合料级配设计结果Table3 Highmodulusasphaltmixturegradationdesignresults筛孔尺寸/mm规范上限/%规范下限/%合成级配16100100.0100.013.21009094.29.5806070.34.75301248.42.36221034.21.1818625.10.615415.80.3123100.15839.20.075627.1

2.2确定最佳沥青用量

初步拟定油石比为5.5%，试验时以丰度系数K≥3.4来控制高模量沥青用量，K值计算公式如下：

式中：TLext为油石比，%；G为粒径大于6.3 mm的集料占总集料的百分比，%；S为粒径0.25～6.3 mm的集料占总集料质量的百分比，%；m为粒径在0.063～0.25 mm的集料占总集料质量的百分比，%；f为粒径小于0.075 mm的集料占总集料质量的百分比，%。

试验中BRA改性剂的掺加方式采用“湿法”工艺[10]，高模量沥青的制备工艺见1.1，不同BRA掺量高模量沥青混合料设计结果汇总见表4。试验结果表明，本次设计的高模量沥青混合料其各项技术指标均满足EME14各项技术要求。

表4 不同BRA掺量高模量沥青混合料配合比设计结果Table4 DifferentdosageBRAhighmodulusasphaltmixdesignresultsBRA掺量/%最佳沥青用量/%K复数模量/MPa15℃20℃TSR/%车辙变形率/% 05.523.489 7980 652381.2 6.9205.643.565 15451 1323683.4 5.7305.693.596 19167 1559384.4 5.0355.713.609 22784 1794287.1 4.7405.743.618 23342 1895483.2 4.4505.783.635 23598 1945682.5 4.2技术要求≥3.4>14000>12000Duriez试验≥70≤7.5

3　基质沥青与BRA掺配高模量沥青混合料路用性能研究

3.1低温抗裂性

采用低温小梁试验中的破坏应变、破坏强度和破坏劲度模量，并结合低温弯曲破坏时的应变能，从而综合评价不同BRA掺量对高模量沥青混合料最大弯拉应变、抗弯拉强度的影响。低温弯曲试验加载方式为三分点加载(即中点加载方式)，试验温度为-10 ℃，试验试件尺寸为4 cm×4 cm×25 cm，采用控制加载速率的方式进行加载，加载速率为50 mm/min，试验有效跨径为20 cm，试验结果如表5所示。

表5试验结果表明： 随着BRA掺量的增加高模量沥青混合料抗弯拉强度、最大弯拉应变、破坏应变能均呈先增大后减小的变化趋势，最大弯拉应变与BRA掺量之间的拟合方程为y=1 848.356 39 +49.721 07x-0.887 48x2(R2=0.957 9，x为BRA掺量，下同)，单位体积破坏应变能与聚酯纤维掺量之间的拟合方程为y=14.462 47+0.281 1x-0.005 8x2(0.966)，可见弯拉应变、单位体积破坏应变能与BRA掺量之间的拟合关系良好，这与BBR试验结果相吻合，低温小梁弯曲试验能够准确评价高模量沥青混合料的低温抗裂性，以低温弯曲试验峰值破坏应变能确定复合改性沥青混合料的最佳聚酯纤维掺量为35%。分析BRA对高模量沥青混合料低温性能影响原因：BRA中灰分的存在使得沥青的黏度增大、温度敏感性降低，同时脆性增强混合料的应力松弛性能变差[9-13]。

表5 不同BRA掺量高模量沥青混合料低温弯曲实验结果Table5 DifferentdosageBRAhighmodulusasphaltlowbendingtestresultsBRA掺量/%抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa破坏应变能/(kJ·m-3)08.191927.273730.66614.89209.942223.694470.04816.213010.542431.304335.12917.753510.862803.023874.39318.03408.892582.453442.46717.55508.331944.014284.95713.11SBS改性沥青12.173621.743360.26330.89

3.2高温稳定性

通常采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，笔者在试验过程中发现，由于高模量沥青混合料的动稳定度较大，采用车辙试验并不能很好区分不同BRA掺量下高模量沥青混合料抗永久变形能力的优劣，本文采用MMLS3小型加速加载设备对高模量沥青混合料长期使用性能进行了对比研究。参考国内已有的研究成果[9-11]，加速加载试验条件如下： ①试件制备:在最佳沥青用量下成型高95.3 mm标准大马歇尔试件，取试件中间5 cm厚部分，按照标准试模尺寸切割试件； ②试验荷载：加速加载试验时，参考我国沥青路面设计时采用的单轴双轮组0.7 MPa标准荷载，本次试验采用的轴载为0.7 MPa； ③加载速率：为了较好模拟行车重车荷载对路面结构的破坏作用，加载速率统一采用6000次·h-1，相当于车辆实际行驶速度7.2 km/h； ④加载次数：MMLS3加速加载设备可测试并记录不同加载次数时各现场试件的车辙深度，进而得到各试件车辙深度随轴载次数的变化规律。根据北美研究成果，可将车辙的发展过程归纳为3个阶段，即：压密阶段、蠕变稳定阶段、破坏阶段，本文以加速加载试验蠕变稳定阶段与破坏阶段转折点处的加载次数作为试验试件的疲劳寿命。

由图1试验结果可见： ①在加载次数不是很大的阶段(<10万次)，车辙深度变化较快，混合料处于压密阶段，车辙变化主要源于压密变形，掺加BRA后，混合料压密变形减小，这主要是高模量沥青混合料密实程度较高的原因； ②进入蠕变稳定阶段，随着加载次数增加，混合料试件车辙深度均不断增加，但是车辙增长幅度没有初始压密阶段大，此时车辙的发展速率已趋于稳定。进入蠕变稳定阶段后，随着BRA掺量的增大，车辙变化率(车辙变化率是指，加载每万次的车辙深度变化，mm·万次-1)依次减小，表明BRA的掺加可以显著改善高模量沥青混合料的高温抗永久变形能力，这主要是BRA与普通沥青混合后，由于BRA中的沥青质极性较强，它将与基质沥青的沥青质也缔合到一起，形成较大的胶核，集料内部粘附性提高，高模量沥青胶浆的高温流变特性得到改善，从而改善了混合料的温度稳定性。 ③随着BRA掺量的增加，五种高模量沥青混合料由蠕变稳定阶段进入剪切失稳阶段的临界加载次数依次为85、124、135、150、152万次，表明掺加BRA后可使得高模量沥青混合料抗高温剪切疲劳性能至少提高50%。

图1　车辙深度随加载次数的变化规律Figure 1　Rut depth chart with the number of load variation

3.3疲劳耐久性

本部分试验采用中点加载简支梁弯曲试验法，加载模式为控制应力方式，控制应力的疲劳试验就是在重复加载的疲劳试验过程中，保持应力不变，以试件的疲劳断裂作为疲劳破坏的准则，达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命。这种加载方式下的疲劳寿命如公式： lgNf=lgK-nlgσ0，其中Nf为达到破坏时的重复荷载作用次数，也就是疲劳寿命，σ0为初始的弯拉应力，MPa；K和n为试验回归系数[15]，按照应力控制方式回归出疲劳方程就可以得到回归参数K和n。按照现行施工规程JTG E20—2011中的要求成型车辙板，切割为40 mm×40 mm×250 mm的棱柱体梁型试件，试验前将试件放在15 ℃恒温环境箱中保温6 h。为确定疲劳试验中沥青混合料的疲劳应力水平，需要先进行小梁弯曲试验，加载速率为50 mm/min，温度为15 ℃。弯曲疲劳试验选用0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力比，在MTS材料试验机上采用中点加载方式进行，支点间距为200 mm，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载波形为连续式正弦波，试验结果如图2所示。

图2　不同BRA掺量高模量沥青混合料双对数疲劳方程拟合图 Figure 2　Different dosage BRA high modulus asphalt fatigue double logarithmic equation fitting results

对于BRA掺量为0%、20%、30%、35%、40%、50%的高模量沥青混合料，随着BRA掺量的增加，疲劳曲线双对数拟合曲线斜率k值呈先增大后减小的变化趋势，n值先减小后增大，K值表明了疲劳曲线的线位高低，K值越大，疲劳曲线的线位越高，材料的抗疲劳性能越好；n值越大，疲劳曲线越陡，表明疲劳寿命对应力水平的变化越敏感，BRA掺量达到35%左右，拟合曲线K值出现峰值，n值出现最小值，表明此时高模量沥青混合料的抗疲劳性能最好。分析其原因： BRA掺量增加，复合改性高模量沥青的最佳油石比增大，混合料的沥青胶浆膜厚要比普通高模量沥青混合料厚，而且BRA的掺加提高了集料与沥青胶浆的粘附性混合料整体性提高，此外，在BRA改性沥青中，沥青和BRA颗粒相互包容，颗粒表面包有沥青，而沥青又渗透于BRA颗粒中，形成一种彼此交错的两相连续结构。当沥青混合料受到外界重复荷载时，在矿料与沥青胶浆之间就存在着一个应力缓冲层[13-15]，沥青胶浆产生较大的弹性变形在沥青混合料能起到了卸荷作用；在一定范围内，随着BRA掺量的增加，疲劳性能会有所增加，但是当BRA粉掺量超过了35%后，疲劳性能会有所下降，主要原因是，混合料的劲度对其疲劳性能影响很大，BRA掺量增大，高模量沥青混合料的劲度增加，试件在承受一定压力的条件下所产生的应变就小，灰分在结合料中形成无数个应力集中区域导致结合料过早的断裂，再者改性沥青的粘弹性增大的同时，脆性也增大，当荷载变化时，其受到的影响要比新沥青大，内部的微裂缝也相应的会多一些，故当BRA掺量增加时，就会出现n值也相应先减小后增大的变化趋势。

4　结论

① BRA的添加有助于改善低标号沥青的模量特性，相同试验温度，随着BRA掺量的增大，高模量沥青的劲度模量增大，蠕变斜率减小，沥青的松弛能力降低，增大了沥青路面低温开裂的几率。

② 借鉴法国EME设计理念进行了高模量沥青混合料的设计和应用，岩沥青与70号沥青掺配后其各项技术指标均满足EME2高模量混合料的技术要求。

③ 采用MMLS3试验可较好区分不同BRA掺量的高模量沥青混合料高温稳定性，BRA的掺加显著提高了高模量沥青混合料的抗永久变形能力。随着BRA掺量的增加高模量沥青混合料抗弯拉强度、最大弯拉应变、破坏应变能均呈先增大后减小的变化趋势，峰值弯拉应变对应的BRA掺量约为35%。

④ 适量的BRA掺量可改善高模量沥青混合料的抗疲劳耐久性，随着BRA掺量的增加，疲劳曲线双对数拟合曲线斜率k值呈先增大后减小的变化趋势，n值先减小后增大，BRA掺量为30%～40%时高模量沥青混合料的抗疲劳性能最佳。

⑤ 综合考虑BRA掺量对高模量沥青流变性能及其混合料路用性能的影响，本文推荐高模量沥青混合料的适宜BRA掺量为30%～40%。

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Study on Endurable of High Modulus Asphalt Mixture Based on Low-grade Asphalt and Rock Asphalt Blending Technology

YANG Lin

(Xi′an Railway Vocational and Technical College, Xi′an, Shanxi 710600, China)

Adoption of high modulus asphalt mixture is one of effective ways to solve rutting diseases on asphalt pavement,this article use no. 70 asphalt and rock asphalt compound technology to obtain high modulus asphalt, and draw lessons from the French EME design ideas for asphalt mixture design research, based on the MMLS3 accelerated loading test, low-temperature bending test and quartile trabecular the BRA content on the fatigue durability of high modulus asphalt mixture, low temperature crack resistance and fatigue resistance, comprehensive consideration the influence of BRA content on rheological properties and road performance of high modulus asphalt and its mixture, recommended the suitable BRA content of high modulus asphalt mixture is 30% to 40%.

road engineering； high modulus asphalt； high modulus asphalt mixture； rock asphalt； durability

2015 — 01 — 26

杨琳(1984 — )，女，陕西人，硕士研究生，讲师,主要从事公路路基、路面及铁路线路方面的教学研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0297 — 05