抗车辙剂沥青混合料性能试验研究

1 引 言

随着一带一路政策的推进，我国高速公路总里程数再一次得到了迅猛的发展，在沥青路面的发展大踏步前进同时，普遍出现了较为棘手的车辙病害，车辙是沥青路面主要破坏的现象之一。沥青混合料是一种粘弹性材料，沥青路面通常在温度高的季节，由于交通荷载的反复作用，以及超载车辆的违规运行，使得沥青路面产生竖向永久变形和塑性流动，在长时间的累积下逐渐形成车辙。车辙病害严重降低了道路的质量，缩短了道路的使用年限，影响道路的安全性和舒适度，同时增加了道路的养护及维修费用[1-3]。近年来，国内外科研单位以及专家学者一直着力于开发一种有效的技术，改善沥青路面随着服役环境温度的升高沥青变软以至于永久变形的性能。抗车辙剂（ARA）是一种新型复合材料，国内外专家学者已经证明其能提高沥青混合料的性能，包括高温和低温性能、粘度以及剪切模量等。抗车辙剂（ARA）有许多种类型，如：聚乙烯、硫磺沥青改性剂（SEAM）等。在实际工程应用中，抗车辙剂使用便利，可以方便精确的进行添加，使沥青混合料改性后的性质更加稳定，从而为更好的解决沥青路面车辙病害提供了一剂良药[4-7]。

路面上所作用的载荷以及环境条件是不断变化的，动态模量试验通过加载频率来替代沥青路面上变化的荷载，通过改变温湿度来反应沥青路面环境条件的变化，因此能真实模拟工程现场实际情况。在沥青混合料动态模量和相位角的影响因素中，最重要的影响因素是：温度、加载速率、老化条件、湿度以及骨料级配[8,9]，除了这些物理或环境因素外，聚合物改性剂也能影响动态模量和沥青混合料的性能[10]。冻断试验是美国 SHRP 计划（美国公路研究战略计划）提出的评价沥青混合料低温抗裂性能的试验方法，也称作约束试件温度应力试验（The Thermal Stress Restrained Specimen Test）。该试验可以模拟测试不同环境下沥青混合料在温度降低过程中产生的温度应力[11-12]。

按照工程实际需求，本文定义抗车辙剂掺量为抗车辙剂质量与沥青混合料总质量的比值，通过有无添加抗车辙剂对AC-13沥青混合料进行水稳定性试验、车辙试验、劈裂试验、低温小梁弯曲试验、回弹模量试验、动态模量试验以及冻断试验，研究抗车辙剂对AC-13沥青混合料的各项性能的影响，为抗车辙剂增强沥青混合料性能提供参考依据。

2 试验

2.1 沥青

本试验所用沥青为中海油36-1 90#A级道路石油沥青，按照JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中相应技术要求对其各项技术指标进行试验检验，检测结果如表1。

2.2 集料

所用集料为山丹东乐石料厂生产的碎石和机制砂，其规格为：10-15mm碎石、5-10碎石、3-5mm碎石以及0-3mm机制砂。其所检指标均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中高速公路沥青混合料所用集料质量的相应要求。

表1 36-1 90#A级道路石油沥青的主要技术指标试验结果

2.3 矿粉

所用矿粉为张掖市甘州区永旭石灰石加工厂生产的的矿粉，其所检指标均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中高速公路沥青混合料所用矿粉质量的相应要求。

2.4 抗车辙剂

所用抗车辙剂为XX厂生产的抗车辙剂，其掺量为混合料质量的0.4%。

2.5 AC-13沥青混合料级配设计

图1 AC-13矿料的级配曲线图

2.6 油石比

我国现行规范规定采用马歇尔试验来设计沥青混合料的配合比。按图1 所示的沥青混合料级配曲线制成标准的马歇尔试件，在室温条件下静置12h，测定试件的矿料间隙率、密度、沥青饱和度、空隙率、稳定度和流值。试验测得相应稳定度最大的油石比、密度最大时沥青用量、目标空隙率中值的油石比，及沥青饱和度范围中值的油石比，按密度最大值、稳定度最大值、空隙率中值、饱和度中值确定最佳油石比。根据图2的测试结果，最后确定AC-13沥青混合料的最佳油石比为5.1%。

图2 密度、空隙率、饱和度、VMA、稳定度与油石比的关系图

3 高温稳定性能试验

本文参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定，用车辙试验来评判沥青混合料的高温稳定性。试件按规程制作尺寸 为 300mm×300mm×50mm， 在 60.0±1 ℃，0.7±0.05MPa条件下进行车辙试验，以动稳定度作为评价沥青混合料抗高温性能的评价指标。普通沥青混合料及抗车辙剂沥青混合料车辙试验结果如表3所示。

从表3可以明显看出，抗车辙剂的加入可以明显提高沥青混合料的抗高温性能，掺0.4%的抗车辙剂的AC-13沥青混合料比未掺抗车辙剂的AC-13沥青混合料动稳定度增长了5.29倍。

表2 AC-13矿料的通过率明细表

表3 车辙试验动稳定度

4 水稳定性能试验

对未掺加抗车辙剂和添加0.4%抗车辙剂的AC-13沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，从而得到沥青混合料的水稳定性能。试验结果分别见表4和表5。

从表4和表5可以看出，添加0.4%抗车辙剂AC-13混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均有所增加，尽管试验中抗车辙剂加入对沥青混合料的增强效果并没有车辙试验那么明显，但还是可以充分说明抗车辙剂的加入对提高沥青混合料的抗水害能力有一定作用。

表4 浸水马歇尔稳定度试验结果

表5 冻融劈裂试验结果

表6 小梁弯曲试验结果

5 小梁弯曲试验

本文采用小梁弯曲试验来验证掺加抗车辙剂沥青混合料的低温抗裂性能，采取最大载荷、抗弯拉强度、劲度模量及低温弯曲破坏应变作为评价指标。试验条件为温度-10℃，速率50mm/min，试件尺寸250mm×30mm×35mm，试验结果如表6所示。

从表6可以明显看出，0.4%抗车辙剂的加入，沥青混合料低温抗裂性能的各项评价指标都有所提高，说明抗车辙剂能在一定程度上改善沥青混合料的低温抗裂性，也证明了抗车辙剂不仅对沥青混合料高温性能有增强效果，对沥青混合料的低温性也起到了促进作用。

6 回弹模量试验

通过室内单轴压缩试验获得沥青混合料的抗压强度，并且以测得的抗压强度为基础通过试验测定静态回弹模量。本研究选取15℃和20℃两个试验环境进行测试，进而研究抗车辙剂对沥青混合料抗压强度及回弹模量的影响。图3为沥青混合料抗压强度，图4为沥青混合料回弹模量，从图3和图4中可以明显看出添加0.4%抗车辙剂的沥青混合料抗压强度以及回弹模量都要高于未添加抗车辙剂的沥青混合料。根据表7抗压强度及回弹模量试验数据可以得到，添加0.4%抗车辙剂试验组在15℃和20℃的抗压强度相对比于未添加抗车辙剂的沥青混合料分别提高了75%和69%，以及回弹模量相对比于空白组分别提高了53%和60%。从而说明抗车辙剂对沥青混合料的抗压强度和回弹模量起增强效果。

图3 沥青混合料抗压强度

图4 沥青混合料回弹模量

表7 抗压强度及回弹模量试验数据

7 动态模量试验

表8 动态模量试验数据

参照《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017中对沥青混合料动态模量的要求，本研究选取试验环境温度为20℃，对是否添加抗车辙剂试件进行不同频率（0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz）动态模量试验研究。对于沥青混合料，相位角也是较为重要的参数，在一定的温度和加载频率下弹性模量反应的是材料的刚度，相位角反应的则是材料的粘度和弹性。对于相位角，其值越大表示材料的粘性越大，所以，具有较小的相位角的沥青混合料表现更强的弹性，通过对弹性模量和相位角机理分析可以有效的预测沥青混合料的长期性能[13]。

表8为动态模量试验数据，根据表8可以得到，添加0.4%抗车辙剂沥青混合料在10Hz的动态模量对比于未添加抗车辙剂的沥青混合料提高了45%，其相位角相对比于未添加抗车辙剂的沥青混合料减小了19%，这说明抗车辙剂对沥青混合料的性能有明显的增强作用。根据表8中的数据进行了频率-模量以及频率-相位角关系拟合，如图5、图6所示。从图中可以看出，无论是否添加抗车辙剂，沥青混合料都表现为，随着加载频率的增加，动态模量呈增加趋势，相位角则表现相反的变化趋势。从图5可以得到随着频率的增加动态模量逐渐增大并且增加幅度在加载频率区间内是有区别的，如掺加0.4%抗车辙剂和未掺加抗车辙剂沥青混合料的动态模量-频率曲线，在加载频率较低时，动态模量的增加速率较为明显，当频率超过5HZ后，动态模量增加速率趋于放缓。从图6中可以看出随着频率的增加添加0.4%抗车辙剂的沥青混合料动态模量呈逐渐减小的趋势，未添加抗车辙剂的沥青混合料呈先增大后减小再增加的趋势，出现以上复杂特征主要是由于抗车辙剂的加入使沥青混合料弹性体特征表现得更强。

图5 AC-13动态模量与频率关系

图6 AC-13相位角与频率关系

8 冻断试验

冻断试验是美国俄勒冈州立大学开发的。该试验方法能很好地模拟沥青路面在实际环境温度影响下的开裂情况，因此被越来越多的学者认可并被广泛研究和使用[14]，本文以冻断应力和冻断温度作为评价沥青混合料低温抗裂性能指标，试验选用50mm×50mm×250mm的棱柱形试件，在万能试验机上进行冻断试验，表9为冻断试验测试结果，可以明显看出添加0.4%抗车辙剂沥青混合料的冻段温度以及冻断应力和未添加抗车辙剂的沥青混合料相差不大，说明抗车辙剂对沥青混合料低温断裂性能影响不大。图7为温度-应力曲线，从图中可以看出添加0.4%抗车辙剂的沥青混合料与未添加抗车辙剂的沥青混合料曲线变化趋势基本相同，也再次说明抗车辙剂对沥青混合料低温断裂性能影响不大。

表9 为冻断试验测试

图7 冻断试验温度-应力曲线

9 结 语

本文通过研究抗车辙剂对AC-13沥青混合料路用性能的影响，对比分析抗车辙对沥青混合料的水稳定性、高温性能、低温抗裂性、回弹模量、动态模量以及低温断裂性能的影响程度，得到以下几点结论。

1）掺入0.4%抗车辙剂后AC-13沥青混合料高温稳定性提高数倍，同时对沥青混合料的水稳定性能和低温抗裂性能也有明显改善。

2）通过对沥青混合料回弹模量及动态模量试验研究，均表现出抗车辙剂对沥青混合料的力学特性及荷载抵抗能力起增强作用。抗车辙剂的加入使沥青混合料在低温高频时弹性特征表现得更强。

3）由冻断试验可以说明抗车辙剂对沥青混合料的低温断裂性能影响不大。

[1]苏凯看，孙立军.沥青路面车辙产生机理[J].石油沥青，2006（8）；1-7.

[2]DORMAN G M.The Extension to Practice of a Fundamental Procedure for the Design of Flexible Pacvements[C]//Proc.First International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements.Michigan， Ann Argbor：The University of Michigan Press，1962：785-793.

[3]苗祺,刘德仁,杨成,等.抗车辙剂掺量对AC-16沥青混合料路用性能的影响[J].硅酸盐通报,2015,34(10):2839-2844.

[4]Yildirim Y.Polymer modified asphalt binders[J].Construction & Building Materials, 2007, 21(1):66-72.

[5]Hui B, Zhang C.Analysis of High Temperature Ability Influence Factors of Anti-Rutting Agent Modified Asphalt Mixture[C]// International Conference on Transportation Engineering.2011:1904-1909.

[6]Hui B, Zhang C.Performance of anti-rutting agent modified asphalt mixture in northwest regions[C]//International Conference on Mechanic Automation & Control Engineering.IEEE, 2011:1467-1470.

[7]余红杰.抗车辙剂对沥青混合料改性机理分析[D].长安大学, 2012.

[8]Weldegiorgis M T.Towards a Mechanistic Understanding of Moisture Damage in Asphalt Concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2015, 27(3).

[9]Tarefder R A, Weldegiorgis M T, Ahmad M.Assessment of the Effect of Pore Pressure Cycles on Moisture Sensitivity of Hot Mix Asphalt Using MIST Conditioning and Dynamic Modulus[J].Journal of Testing & Evaluation, 2014,42(6):JTE20130095.

[10]Rahman A S M A,Rafiqul A,Tarefder.Dynamic modulus and phase angle of warm-mix versus hot-mix asphalt concrete[J].Construction & Building Materials, 2016, 126:434-441.

[11]Meng Q Y，Zhang C L.Reserach on Thermal Stress Restrained Specimen Test of Asphalt Mixture[J].Journal of Wuhan University of Technology，2010.

[12]Kanerva H K，Vinson T S，Zeng H.LOWTEMPERATURE CRACKING: FIELD VALIDATION OF THE THERMAL STRESS RESTRAINED SPECIMEN TEST[J].Cracking,1994.

[13]Witczak M.Simple Performance Tests: Summary of Recommended Methods and Database[J].Nchrp Report, 2006.

[14]李建军.钨酸锆改性沥青胶浆及沥青混合料低温抗裂性能研究[D].哈尔滨工业大学, 2016.