陈四平

（安徽省公路管理局，安徽　合肥　230022）

温拌高模量沥青混合料设计与性能研究

陈四平

（安徽省公路管理局，安徽合肥230022）

基于温拌沥青技术与高模量沥青技术，研发了一种温拌高模量沥青混合料，并对该种沥青最佳拌合温度、路用性能、动态和静态模量进行了测试评价。结果表明，温拌高模量沥青混合料拌合温度比常规高模量沥青混合料低30℃以上，并具有良好的高温抗车辙能力和水稳定性。

高模量沥青混合料；温拌沥青；性能评价；动态模量

0　引言

车辙是沥青路面主要病害，在高温地区重载路段尤为严重。压密车辙和失稳车辙是当前我国沥青路面两种典型类型，其原因是在高温状态下沥青混凝土模量或强度降低所致［1-3］。安徽省部分地区夏季高温且持续时间长，在重载、大交通量条件下，如何控制或减少车辙一直是公路沥青路面建设与养护的核心问题之一。

沥青混凝土的弹性模量及沥青路面的结构组合是影响车辙深度即沥青路面产生永久变形的关键参数。采用高模量沥青混凝土可显著降低荷载作用下沥青层应变，减小沥青混合料高温塑性变形，进而提高路面抗车辙能力［4］。对于我国普遍采用的典型半刚性基层沥青路面，路面结构中4～10 cm范围内为压应力的高值区，3～8 cm范围内为剪应力高值区，这两个应力高值区处于半刚性基层沥青路面结构的中面层［5］。而我国沥青路面的中面层大多采用以70#沥青为结合料、模量较低的普通沥青混凝土，这也是部分沥青路面出现严重车辙病害的主要原因。

为提高沥青路面的抗车辙能力，高模量沥青混凝土（High Modulus Asphalt Concrete）的研究与应用得到广泛关注。按照法国沥青混合料设计规范体系（NFP-140），动态模量（15℃，10 Hz）大于14 000 MPa的沥青混凝土为高模量沥青混凝土。高模量沥青混凝土的使用能够减少路面结构的变形，延缓车辙的产生，改善路面的疲劳性能，延长路面的使用寿命。尽管我国已经开展高模量沥青混凝土的研究，但应用过程中仍存在以下亟待解决的问题：如施工温度高，能源消耗大；施工和易性差，质量控制难度大等。研发拌合温度低、施工和易性好、价格相对较低的温拌高模量改性沥青已经成为推动高模量沥青混合料推广应用的必然要求。为此，本文集成温拌沥青技术与高模量沥青技术，开展了温拌高模量改性沥青混合料性能研究。

1　温拌高模量改性剂性能测试

目前，我国尚未颁布高模量沥青相关技术规范。沥青混合料的模量与沥青60℃复数剪切模量具有密切相关性，因此大多研究均对高模量沥青的60℃复数剪切模量提出具体要求，文献［6，7］要求60℃复数剪切模量大于10 kPa。同时，对高模量沥青的其他性能提出要求［6］，如25℃针入度20～50（0.1 mm），软化点大于70℃等。参考国内外研究成果，并考虑降低施工温度，提出温拌高模量沥青技术指标见表1。

表1　温拌高模量沥青技术性能

将温拌高模量剂（WHMA-2）掺加于70号沥青中，在150℃～160℃条件下采用高速剪切机剪切30 min，然后用X型搅拌器搅拌30 min制备成温拌高模量沥青。温拌高模量剂（WHMA-2）掺量为沥青质量的12%和18%，制备的温拌高模量沥青技术指标见表1。表1数据表明，掺加12%的温拌高模量剂（WHMA-2）后，改性沥青性能即可满足以上要求。

2　温拌高模量混合料设计

2.1普通70号沥青混合料设计

采用AC-20级配（设计级配见表2），以70号沥青为胶结料，采用马歇尔方法进行普通70号沥青混合料设计，不同油石比条件下沥青混合料马歇尔试件体积参数见表3。由表3数据，确定普通70号沥青混合料的最佳油石比为4.0%。

表2　AC-20的级配范围和设计级配

2.2温拌高模量沥青混合料设计

温拌高模量沥青混合料采用与普通70号沥青混合料相同的级配。为确定温拌高模量混合料最佳拌合温度，测试了不同拌合温度下沥青混合料的体积参数。温拌高模量剂（WHMA-2）掺量为沥青质量的18%。拌合温度取170℃，155℃和140℃三个温度，油石比采用3.8%、4.0%和4.2%三个参数，采用全因素实验过程分析，成型马歇尔试件。表3列出了测得马歇尔试件的参数，图1为油石比与拌合温度以及孔隙率三维关系云图。

表3　不同油石比的各项物理指标

图1表明，随着拌合温度的提高和油石比的增加，沥青混合料的孔隙率逐渐减小。在140℃拌合温度下，采用4.0%油石比的沥青混合料孔隙率为3.8%，接近4.0%的设计孔隙率，因此选择140℃作为最佳拌合温度。通常高模量沥青混合料的拌合温度为170℃～180℃［8，9］，而温拌高模量沥青混合料拌合温度可降低30℃以上，可显著减少混合料加热能耗，具有明显的环保意义。

3　温拌高模量沥青混合料路用性能

3.1高温性能

采用车辙试验温拌高模量沥青混合料高温抗车辙性能进行评价。交通部规范中车辙试验的标准试验温度为60℃，为进一步考察温拌高模量沥青混合料在极端高温气候条件下的适应能力，进行了60℃和70℃两种试验温度条件下的车辙试验，测试结果见表4。

由表4可见，在60℃测试条件下，温拌高模量沥青混合料动稳定度为8 362次/mm，即使在70℃时，其动稳定度仍超过4 000次/mm，这表明该种沥青混合料对极端高温气候条件具有良好的适应能力。

3.2水稳定性

水损坏是高温多雨地区沥青路面主要病害，也是改性沥青重点关注的技术性能之一。采用冻融劈裂试验评价了温拌高模量沥青混合料水稳定性，试验结果见表5。温拌高模量沥青混合料TSR 为85.6%，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中大于80%的技术要求。

表3　不同拌合温度和油石比下沥青混合料的体积参数

图1　油石比、拌合温度以及孔隙率三维云图

表4　沥青混合料动稳定度

由表4可见，中温高模量沥青混合料动态模量约为普通70号沥青混合料的2倍，有助于减小车辙荷载作用下沥青混凝土的应变，从而提高路面的抗车辙能力和耐久性，有效的延长沥青路面的使用寿命。

表5　冻融劈裂验测试结果

3.3模量测试

试验仪器采用美国MTS-810材料试验机，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）测试沥青混合料的抗压回弹模量和动态模量，测试结果见表6。

表6　沥青混合料模量测试结果

4　结　论

本文集成高模量沥青技术和温拌沥青技术，研发了一种温拌高模量沥青混合料，并就其拌合温度、路用性能、动态和静态模量进行了测试评价。温拌高模量沥青混合料拌合温度比常规高模量沥青混合料低30℃以上，可显著减少混合料加热能耗粉尘污染，并有助于提高施工和易性。温拌高模量沥青混合料动态和静态模量以及动稳定度明显大于普通沥青混合料，可显著增强沥青路面的抗车辙能力。温拌高模量沥青混合料作为一种新型沥青材料，在提高沥青路面结构强度、保障施工质量、降低环境污染等方面具有明显的技术优势［10］。

［1］张飞，高辉，朱浩然.沥青路面失稳性车辙成因浅析［J］.石油沥青，2007（5）:62-66.

［2］李高明，卢明华，高燕.车辙形成机理浅析［J］.交通标准化，2007（12）: 103-107.

［3］苏凯，孙立军.沥青路面车辙产生机理［J］.石油沥青，2006（4）:1-7.

［4］欧阳伟，顾威，王连广.高模量沥青混凝土路面的力学性能［J］.东北大学学报（自然科学版），2009（4）:593-596.

［5］孙艳娜.高模量沥青材料疲劳性能及结构适应性研究［D］.上海:同济大学，2013.

［6］郑晓光，麻旭荣.高模量沥青胶结料评价指标的研究［J］.上海公路，2014（3）:63-66.

［7］卢辉.长陡坡路段沥青路面抗车辙技术研究［D］.广东广州:华南理工大学，2007.

［8］陈历志，马峰.HMAC高模量沥青混凝土路面施工工艺［J］.山西建筑，2007，33（18）:126-127.

［9］孟德林，何占军，陈先华，等.承赤高速公路高模量沥青混合料施工技术［J］.公路交通科技（应用技术版），2014（120）:180-183.

［10］Benta A，Duarte C，Almeida-Costa A，etc.Design and performance of a warm high-modulus asphalt concrete［J］.Journal of Cleaner Production，2015（95）:55-65.

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1009-7716（2016）07-0308-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.091

2016-04-12

陈四平（1969-），男，安徽贵池人，高级工程师，从事公路工程建设与管理工作。

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