水-温相互作用下高模量沥青混合料路用性能研究*

宁毅，郭志坚，刘向杰

(1.河南中州路桥建设有限公司，河南 周口 466000；2.中国河南国际合作集团有限公司，河南 郑州 450004；3.河南交通职业技术学院，河南 郑州 450000)

SBS改性沥青路面在通车运营一定年限后沥青会逐渐老化，沥青与矿料之间的黏附性逐渐降低，路面车辙、松散、裂缝、泛油及坑槽等病害逐渐发生，严重影响路面的使用性能及行车安全性。为延长路面使用年限，改善高等级公路服务水平，采用高模量剂来改善沥青路面性能。宋乐春等对AM 系列高模量剂进行研究，发现AM-1 更适合多雨地区，AM-2 更适合夏季高温地区；汪于凯等对高模量沥青混合料动静态模量开展研究，得出在低频条件下高模量剂种类与试验结果成指数关系；王知乐等将PP、HDPE 、EVA 3种高模量剂掺入沥青混合料中进行高温及低温性能试验，结果表明混合料高温及低温性能得到很大提高；戚林玲等将低标号沥青及高模量剂掺入沥青混合料中进行高温性能及动态模量试验，结果表明沥青路面抗车辙能力及动态模量均得到很大提高；刘华敏将湖沥青掺入沥青混合料中进行高温及水稳定性能试验，结果表明湖沥青改性沥青混合料更适合高温多雨地区。该文选取RA、PR.M 和BRA 3种高模量剂，针对AC-13C、AC-20C 2种级配，在不同试验条件下进行高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害等路用性能研究，为高模量沥青路面的应用提供理论支撑。

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

沥青作为路面结构层的黏结材料，对沥青路面性能起关键作用。选用70#A级沥青展开研究，其主要技术指标试验结果见表1。

表1 70#A级道路石油沥青的主要技术指标试验结果

1.2 外加剂

温度高于100 ℃时，高模量剂逐渐融化，能较好地分散到混合料中，与沥青胶浆共同填充矿料之间的空隙，达到增韧、胶结的效果，提高混合料内部的内摩阻力，增强路面结构模量。将RA(Resin Alloy)、PR.M(PR Module)和BRA(天然沥青)3种高模量剂(见图1)分别以不同掺量掺入AC-13C、AC-20C沥青混合料中开展相关性能研究。

图1 3种高模剂

1.3 配合比设计及马歇尔试验结果

选用工程上常用的AC-13C、AC-20C 2种密级配沥青混合料进行研究，粗集料分别为3～5、5～10、10～15、10～20 mm石灰岩碎石，细集料为0～3 mm机制砂，填料为矿粉。2种混合料级配设计结果见表2。配合比设计时，RA 掺量分别为0.35%、0.4%、0.45%，PR.M 掺量分别为0.4%、0.45%、0.5%，BRA 掺量分别为3%、3.5%、4%(占沥青混合料质量)。不同高模量剂种类及掺量的AC-13C和AC-20C沥青混合料的最佳油石比及马歇尔试验结果见表3、表4。

表2 矿料级配设计结果

表3 AC-13C最佳油石比及马歇尔试验结果

表4 AC-20C最佳油石比及马歇尔试验结果

2 吸水试验

参照JTG E20—2011进行马歇尔击实试验，4个试件为一组。将AC-13C、AC-20C马歇尔试件分别浸泡在40、60 ℃水中，记录不同浸泡时间时普通混合料、3.5%BRA高模量沥青混合料马歇尔试件的吸水量。以试件不同浸泡周期的吸水量与试件饱和状态时吸水量的比值作为试件吸水率。混合料吸水量及吸水率试验结果见图2、图3。

从图2、图3可看出：矿料级配及水温相同时，随浸水时间的增加，普通沥青混合料、3.5%BRA沥青混合料试件的吸水量与吸水率变化趋势相当；矿料级配及浸水时间相同时，水温越大，试件吸水量越大，吸水率越小；浸水时间及水温相同时，AC-20C沥青混合料的吸水量大于AC-13C；相同条件下，普通沥青混合料与3.5%BRA沥青混合料的吸水量相差不大。

图2 不同水温时试件吸水量随浸水时间的变化

3 路用性能分析

沥青路面是一种柔性结构，是道路工程中最上层结构层，直接承受车辆轴载、高温、紫外线及雨雪等综合外部环境的作用，需具备良好的路用性能才能满足运营年限及服务水平要求。在RA、PR.M 和BRA不同掺量的基础上，对AC-13C、AC-20C 2种沥青混合料在不同试验条件下进行高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害试验，评价沥青混合料的路用性能。

3.1 高温稳定性试验

沥青路面的高温稳定性对温度及车辆轴载较敏感，随着温度增加，车辆轴载增大，其高温抗车辙能力逐渐降低。高温环境下，沥青路面在车辆轴载的重复作用下会发生弹性及塑性变形，塑性变形长期积累即形成永久性车辙，拥包、泛油等路面病害也是沥青路面高温稳定性差的表现形式。目前对高温及轴载共同作用下沥青混合料高温性能的研究较多，且技术趋于成熟，但对水-温相互作用下混合料抗车辙能力的研究较少。不同含水率、不同试验温度下动稳定度试验结果见图4，不同保养时间、不同试验温度下动稳定度试验结果见图5。

从图4、图5可以看出：含水率、矿料级配、试验温度、保养周期、高模量剂种类及掺量对混合料动稳定度均有很大影响；相同试验条件下，温度越高、试件含水率越大、保养周期越长，动稳定度越小，而高模量剂掺量越大，动稳定度越大；相同试验条件下，AC-20C沥青混合料的高温稳定性优于AC-13C，RA高模量剂对沥青路面高温性能的改善效果优于PR.M、BRA 。

图4 不同含水率、不同车辙试验温度下动稳定度试验结果

图5 不同保养时间、不同车辙试验温度下动稳定度试验结果

3.2 低温抗裂性

低温环境下，沥青胶浆脆性变大，韧性降低，这是北方季节性冰冻区沥青路面产生裂缝的主要原因。当结构层内部因温度变化产生的温缩应力高于其极限容许拉应力时，沥青路面会出现细小裂缝，这些裂缝如果不能及时得到处治就会形成龟裂、坑槽等严重病害。选用-10 ℃低温小梁弯曲试验评价AC-13C、AC-20C沥青混合料的低温抗开裂能力，试验结果见图6、图7。

图6 不同含水率、不同保养温度下弯曲破坏应变试验结果

图7 不同保养时间、不同保养温度下弯曲破坏应变试验结果

从图6、图7可看出：含水率、矿料级配、养生温度、保养周期、高模量剂种类及掺量均对混合料弯曲破坏应变有较大影响；相同条件下，含水率越大、养生温度越高、养生周期越长，小梁试件弯曲破坏应变越小，而高模量剂掺量越大，小梁试件弯曲破坏应变越大；相同试验条件下，AC-13C沥青混合料的低温抗开裂性能优于AC-20C，PR.M高模量剂对沥青路面低温性能的改善效果优于RA、BRA。

3.3 水稳定性

沥青与矿料之间的黏附性对沥青路面的抗水损害能力起着决定性作用，而车辆轴载、雨水及紫外线的综合作用会降低沥青与矿料之间的黏附性，造成沥青胶浆从混合料孔隙中脱落，松散、坑槽等病害是沥青路面水稳定性差的主要表现形式。选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验评价AC-13C、AC-20C沥青混合料的抗水损害能力，试验结果见图8、图9。

图8 浸水马歇尔残留稳定度试验结果

图9 冻融劈裂残留强度比试验结果

由图8、图9可看出：高模量剂种类及掺量均对沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留稳定度有较大影响；随着不同种类高模量剂掺量的增加，2种级配类型沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留稳定度均增大；相同条件下，AC-13C沥青混合料抵抗水损害的能力优于AC-20C，RA高模量剂对沥青路面水稳定性能的改善效果优于PR.M、BRA。

4 结论

通过对3种高模量AC-13C、AC-20C沥青混合料配合比设计及水-温相互作用下吸水、高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害性能进行试验研究，得出以下结论：

(1)级配类型相同时，高模量剂种类及掺量对沥青混合料最佳油石比的影响不大；相同条件下，随着浸水时间的增加，混合料的吸水量与吸水率变化趋势相当；温度越高，混合料吸水量越大，吸水率越小；AC-20C沥青混合料的吸水量大于AC-13C。

(2)相同条件下，含水率、试验温度、养生温度、养生周期、高模量剂种类及掺量对沥青混合料路用性能有较大影响；相同条件下，AC-20C沥青混合料的高温性能优于AC-13C，AC-13C沥青混合料的低温及水稳定性能优于AC-20C，RA高模量剂对2种沥青混合料高温及水稳定性能的改善效果优于PR.M、BRA，PR.M高模量剂对沥青混合料低温性能的改善效果最优。