适用于湿热地区的湖沥青改性高模量沥青混合料设计与关键性能评价

2018-11-13刘华敏

福建交通科技 2018年5期

■刘华敏

（莆田湄渝高速公路有限责任公司，莆田 351100）

0 引言

福建属湿热地区，夏季月最高平均气温超过30℃，年降雨量超过1000mm，沥青路面材料既要有良好的高温性能，又要有良好的水稳定性。沥青混合料是一种粘弹性材料，其强度和模量都随温度升高而急剧下降，正是这种强度和模量的下降导致了沥青面层在高温下形成了车辙变形。目前解决车辙的措施主要是通过增加沥青混合料的粘结力和内摩擦角入手，主要方法有：①采用改性沥青或在沥青中添加纤维作胶结料；②采用骨架嵌挤的混合料级配类型；③采用高强度、棱角性好的集料等。欧洲等国使用高模量的沥青增加沥青的粘度以达到提高沥青混合料的抗变形能力，国内外的许多学者提出各种各样的解决方法，其中有一种方法就是通过提高沥青混合料的模量来提高路面的抗车辙能力，国内外的相关研究表明，如果混合料具有较高的模量，则具有优越的高温抗变形能力。

高模量沥青混合料是采用高模量沥青，改善沥青在混合料中的粘附性能和改进矿料级配，使矿料表面具有合适的沥青膜厚度等，高模量沥青混合料的模量值比普通沥青混合料的模量显著提高，平均模量提高50%或更高。沥青路面面层模量的提高，将使路面各层面的受力状况发生较大变化，提高了路面抵抗车辙等破损的能力。当前，常用高模量沥青材料有硬质沥青、岩沥青、湖沥青以及其他改性剂或添加剂等，其中天然湖沥青针入度小、稠度大，与普通的石油沥青掺配使用可以达到高模量的目的。

湖沥青产于南美洲特立尼达岛，是一种应用较多的天然沥青。湖沥青混合物采掘后，先进行粗炼，加热到160℃把水蒸发，然后把熔化的材料通过细筛过筛，除去各种粗的杂物，经过精炼加工的产品即称为特立尼达精炼湖沥青（TLA）。精炼湖沥青含有相当数量的矿物质（灰分），约占36%～37%，另外含有53%～55%的地沥青（二硫化碳可溶分）、4.3%的矿物质化合水和3.2%有机材料。TLA改性沥青在国外的应用开始较早，早在1880年，美国华盛顿特区在几个城市街道的路面工程中已应用了TLA。

本文基于湖沥青改性技术，进行高模量沥青混合料的设计与性能研究，以减少中下面层车辙产生的几率，这对进一步提高公路的建设水平和质量，减少路面养护维修的费用、延长沥青路面的使用寿命，都具有极其重要的工程实践价值。

1 面层模量对路面结构受力的影响分析

建立高模量中面层路面结构的有限元模型分析路面结构的厚度、模量对于路面结构弯沉、沥青层底拉应变的影响。考虑沥青路面材料模量受温度、荷载作用时间等的影响。模量选取基于以往40℃动态模量试验结果，不同频率荷载的作用，上、中、下面层的模量分别选取2000MPa、2000MPa、2000MPa，水泥稳定碎石基层的模量分别选取1500MPa，土基模量选取60MPa。路面结构如图1所示。

图1 路面结构

中面层厚度分别选取5cm～9cm，中面层模量选取2000MPa～3600MPa。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

高模量中面层路面结构力学分析的关键指标是路表弯沉和沥青层底的拉应力。弯沉随厚度、模量变化的结果如图3和图4所示。

图3 弯沉随中面层厚度变化曲线

图4 弯沉随中面层模量变化曲线

通过图3和图4可知，基于弯沉等效的计算方法，路面中面层提高400MPa相当于中面层厚度提高1cm。

沥青层底弯拉应力随中面层厚度、模量变化如图5和图6所示。

图5 沥青层底弯拉应力随中面层厚度变化曲线

图6 沥青层底弯拉应力随中面层模量变化曲线

从图5和图6可知，基于沥青层底弯拉应力等效，中面层模量提高570MPa相当于中面层厚度提高1cm。由此可见，无论从整体结构强度还是层底受力来看，模量的提升可大幅度改善路面结构受力状态。

2 湖沥青高模量沥青混合料HMAC-20设计

2.1 原材料性能

湖沥青复合改性HMAC所用胶结料为70号沥青+湖沥青（66.6%∶33.4%），集料为石灰岩，集料性能试验见表1、各种集料的密度试验见表2。

表1 集料试验结果表

表2 集料相对密度试验结果表

2.2 混合料级配

湖沥青复合改性混合料采用旋转压实设计法设计，混合料采用AC20级配。在选择集料级配时，首先调试出粗、中、细三个级配，根据集料的性质（密度和吸水率）计算出三个级配的初始用油量，用初始用油量成型试件。根据试验结果，计算出三个级配的沥青混合料在孔隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料其他性质：VMA、VFA、粉胶比、初始旋转次数的压实度等。根据试验结果最终确定了复合改性湖沥青的目标级配如表3所示。

2.3 设计结果

设计级配在最佳沥青用量下的旋转压实体积指标、马歇尔试验结果见表4～5。

表4 湖沥青HMAC-20旋转压实试验结果

表5 湖沥青HMAC-20马歇尔试验结果

2.4 湖沥青HMAC-20路用性能评价

根据最佳油石比及设计级配，分别采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和低温小梁弯曲试验来检验设计的湖沥青HMAC-20混合料的综合路用性能，试验结果见表6所示。

表3 湖沥青复合改性HMAC-20混合料级配

表6 湖沥青HMAC-20混合料路用性能试验结果

从试验结果可以看出，湖沥青HMAC-20混合料的高温性能相比传统的AC-20混合料具有明显的优势，动稳定度指标提升效果明显，因而具有好的抗车辙性能，其低温性能和水稳定性均能满足规范中对于改性沥青混合料的要求。

3 湖沥青HMAC-20混合料模量性能研究

3.1 动态模量试验方法

沥青混合料的动态模量采用Superpave简单性能试验机（SPT）测定。参考的试验规程为AASHTO TP-62。动态模量试验可以采用应变控制方式或应力控制方式。本研究中采用应变控制方式，对试件施加正弦荷载，不管采用何种控制方式，动态模量试验都可以得到三个参数：复数模量E※，动态模量│E※│，和相位角。复数模量是一个复数，用来确定粘弹性材料的应力、应变特性，它由实部和虚部两部分组成，如式（1）所示：

其中E′为存储模量，E″为损失模量。动态模量是复数模量的绝对值，反映了材料抵抗变形的能力，动态模量的定义如下：

动态模量可以通过试验达到稳定状态时的应力幅值和应变幅值的比值来确定即：

其中：σamp为应力幅值，εamp为应变幅值。相位角φ描述材料粘性部分和弹性部分的相对大小,由下式确定：

其中f为施加荷载的频率,Δt为试验中应变滞后于应力的时间。对于完全弹性材料φ=0，对于完全粘性材料φ=90。随着相位角的增加，材料的粘性性质增加。存储模量，损失模量，动态模量及相位角有如下的关系：

通常通过对试验数据的分析可以得到动态模量和相位角，利用关系式5就可以确定该种材料的存储模量和损失模量，进而得到复数模量。应当注意，在许多文献中，为了简便动态模量也用E※来表示，应加以区分。

3.2 试验结果分析

动态模量试验在3个温度下进行，分别为4℃、15℃、40℃，在每一个温度下，在 7 个不同频率下（25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz）分别测定动态模量。表 7 和图7是动态模量试验结果。

表7 AC20沥青混合料动模量试验结果

图7 湖沥青动态模量试验结果

沥青混合料的动态模量随温度的升高逐渐降低，随频率的增大逐渐增大。本项目设计的湖沥青HMAC-20模量较大，15℃、10Hz下动态模量达到17332MPa，40℃、10Hz下的动态模量达到2833MPa。

法国的高模量沥青混合料采用在线弹性状态下15℃的动态拉压模量作为高模量混合料的设计标准，即混合料的模量大于14000MPa。欧洲在定义高模量沥青混合料时仅采用了20℃劲度模量。这对于一般工作温度时，减少下面层和基层的应力应变是有效的；但是对于高温抗车辙，尤其是在高温状态下减少下面层和基层的应力应变是无效的。研究高模量沥青混合料的目的是为了提高中面层材料的抗车辙性能。车辙都是发生在高温季节，为了提高路面的抗车辙能力，希望沥青混合料高温时的具有较高的模量。

结合法国、欧洲高模量混合料的定义，为和国外已有研究接轨，而且动态模量的加载方式等都与法国动态复数模量的相似，借鉴法国研究成果，结合本研究的试验结果制定高模量混合料（HMAC）的技术标准，如表8所示。