高模量沥青混合料试验参数与设计优化
2019-04-15严二虎
常 嵘，严二虎
(交通运输部公路科学研究院，北京 100088)
0 引 言
由于沥青路面长期暴露在外界环境中，在行车荷载的趋化作用和外界气候环境的影响下，沥青路面车辙病害变得日益严重。为了有效防止车辙病害，道路工作者不断尝试研发各种新型抗车辙路面材料，如法国首先提出了以抗车辙为主要目标的高模量沥青混凝土(High Modulus Asphalt Concrete，HMAC)。中国对高模量混凝土的研究起步相对较晚，目前仍然使用普通沥青混凝土马歇尔设计方法，没有适合于高模量沥青混凝土的设计方法，造成高模量沥青混凝土设计存在较多问题[1-2]。
考虑到马歇尔试验方法仍然是中国沥青混合料配合比的主要设计方法[3-4]，本文基于马歇尔试验方法，开展相关参数与设计方法的优化研究，为HMAC在中国的应用和推广提供参考。
1 材料与试验方案
1.1 材料
1.1.1 沥青及集料
高模量沥青混合料需要有较好的抗车辙性能，故宜采用稠度和黏度较大的沥青。本文采用A-70#沥青，主要技术指标如表1所示。
表1 沥青性能指标
高模量沥青混合料的粗集料宜采用耐磨、强度高、棱角性较好的石料。填充粗集料骨架间隙的细集料同样要求洁净干燥、强度较高且棱角性较好[6]。
1.1.2 高模量添加剂
选用的高模量添加剂为PR PLASTS、PR Module、ZQ-2，掺量分别为0.7%、0.4%、0.8%(混合料质量百分比)，高模量添加剂的基本物理参数如表2所示。
表2 高模量添加剂参数
图1 PR Module颗粒
PR Module和PR PLASTS添加剂(图1、2)由法国研发，在欧洲已有十多年的使用经验，在改善高温稳定性方面的效果比SBS改性沥青更加显著，适合重载交通路面。ZQ-2添加剂是一种性质特别稳定的天然硬质沥青，多采自布敦岛，其外观形态如图3所示。
图2 PR PLASTS颗粒
图3 ZQ-2 颗粒
1.2 马歇尔试验优化方案
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)成型标准马歇尔试件，油石比采用4.3%，高模量添加剂PR PLASTS、PR Module、ZQ掺量分别为0.7%、0.4%、0.8%(混合料质量百分比)，级配采用AC-20C，分别干拌0、5、10、15、25 s，拌合温度为160 ℃～185 ℃，分5级递增，拌合时间分别为120、150、180、210、240、270 s，击实温度为150 ℃～175 ℃，分5级递增。
2 马歇尔试验参数优化
加入高模量外掺剂后，按照上述试验方案成型标准马歇尔试件进行试验，并根据结果对试验参数进行优化调整。
2.1 改性剂干拌时间
根据试验方案，高模量外掺剂需要一定拌合时间与集料混合均匀，本次试验拌合时间分别为0、5、10、15、25 s，马歇尔试验结果如图4～6所示。
图4 稳定度变化趋势
图5 空隙率变化趋势
图6 马歇尔模数变化趋势
由图4～6可知，高模量沥青混合料的稳定度在5～15 s间基本呈正比增加，拌合时间过短或过长均无明显变化，最小值约为12 kN，最大值约为21 kN；马歇尔模数变化趋势与稳定度类似，最小值约为3.5 kN，最大值约为5.7 kN；空隙率变化趋势不同，在5～15 s间基本呈正比减小，拌合时间过短或过长均无明显变化，最大值约为5.6%，最小值约为4.9%。拌合时间过短会导致油石混合不均匀，时间过长性能提升不明显，造成浪费，所以取15 s为参考拌合时间。
2.2 拌合温度
沥青拌合过程中温度过高会使沥青迅速老化，丧失部分黏结力；温度过低沥青与集料会产生离析，影响拌合效果[7-9]。试验在室内采用4种温度进行，结果如图7～9所示。
图7 稳定度变化趋势
图8 空隙率变化趋势
图9 马歇尔模数变化趋势
由图7～9可知：稳定度随拌合温度的升高先增大后减小，峰值大约出现在174 ℃左右；马歇尔模数和稳定度变化趋势相同，峰值出现在173 ℃左右；空隙率变化趋势和上述变量不同，其随拌合温度的升高先降低后升高，最低值大约出现在174 ℃。综上所述，建议高模量沥青混凝土拌合温度控制在170 ℃～175 ℃。
2.3 沥青混合料拌合时间
沥青混合料拌合时间过短或过长都会对沥青路面的路用性能造成影响，拌合时间过短质量难以保证；时间过长导致沥青老化[10-11]。根据方案采用4种不同拌合时间进行试验，结果如图10～11所示。
图10 稳定度变化趋势
图11 马歇尔模数变化趋势
从图10、11可看出：在150～180 s之间，稳定度和马歇尔模数随拌合时间增加基本呈正比增长状态，在180～240 s提升不明显；在150～180 s时，拌合温度升高对高模量沥青混合料的性能提升较为明显，180～240 s拌合时间的延长对高模量沥青混合料性能提升也有作用，但效果不明显，造成了不必要的浪费，还有可能导致沥青老化，故推荐高模量沥青混合料拌合时间为150～180 s。
2.4 击实温度
击实温度同样会对沥青混合料性能产生影响，击实温度过高可能使沥青与集料离析，温度过低会导致击实效果误差较大。根据方案选用4种不同击实温度进行试验，结果如图12～14所示。
图12 稳定度变化趋势
图13 流值变化趋势
图14 马歇尔模数变化趋势
由图12～14可知：稳定度和马歇尔模数随击实温度升高均呈先升高后降低的变化规律，峰值均在160 ℃～165 ℃；流值随温度升高呈增长趋势，在测试温度范围内没有减缓现象。综合试验结果，推荐高模量沥青击实温度为160 ℃～165 ℃。
3 高模量沥青混合料马歇尔设计方法
3.1 前期准备工作
前期的准备工作中最重要的是集料配合比设计，其他还包括原材料的选择、工程级配范围的确定等。高模量沥青要求沥青强度较高，所以一般选择稠度和黏度较大的A级沥青。集料的选择应尽量满足粗集料的强度和细集料的棱角性等要求。高模量沥青混合料的配合比设计过程与普通沥青混合料基本相同，可根据相关规范要求进行设计[12-14]。
3.2 马歇尔试验
与普通沥青混合料相比，高模量沥青混合料的马歇尔试验流程只有拌合工艺和试验参数不同。通过试验数据结果分析，对高模量沥青混合料马歇尔试验，建议适当提高加热温度，拌合温度为170 ℃～175 ℃，改性剂与集料干拌时间为15 s，沥青与集料的拌合时间为150～210 s，击实成型的温度范围为160 ℃～165 ℃。
3.3 确定最佳沥青用量
高模量沥青混合料的最佳沥青用量的确定方法与普通沥青混合料相比没有明显区别，可以采用规范流程和要求进行。但是，高模量沥青混合料最大理论密度的确定方法和普通沥青混合料有所区别，可以进一步研究。
3.4 配合比设计检验
对于普通沥青混合料，中国规范中一般检验其高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性能。高模量沥青混合料同样应该具备上述路用性能，可按规范进行检验。同时，高模量沥青混合料的主要优点是抵抗变形和抗车辙性能，应在上述性能检测的基础上增加对力学性能(如抗车辙性能)的检验。
4 结 语
(1)马歇尔试验同样适用于高模量沥青混合料级配的设计，通过高模量沥青马歇尔试验，对高模量沥青马歇尔试验参数提出了优化意见：改性剂与集料的干拌时间控制在15 s，拌合温度为170 ℃～175 ℃，沥青与集料的拌合时间为150～210 s，击实温度控制为160 ℃～165 ℃。
(2)通过高模量沥青混合料试验，进一步提出了适合高模量沥青混合料的马歇尔设计方法及流程。
