外掺剂改性高模量沥青混合料高温性能研究

王 辉，张肖宁

（1.广东交通实业投资有限公司，广东 广州 510100；2.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640）

外掺剂改性高模量沥青混合料高温性能研究

王 辉1，张肖宁2

（1.广东交通实业投资有限公司，广东 广州 510100；2.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640）

选用60℃、75℃车辙试验和动态模量试验来研究外掺剂高模量混合料的高温稳定性能。试验结果表明，添加高模量外掺剂后混合料高温性能得到了显著提高；随着温度的增加，外掺剂对混合料高温性能的提升幅度不断增大。这说明越是在高温环境下，高模量混合料抵抗车辙病害的能力越强。

车辙试验；动态模量；高模量混合料；性能

0 引 言

外掺剂高模量沥青混合料在国外防治沥青路面车辙病害方面得到了广泛应用，但由于引入时间较晚，中国对高模量沥青混合料的研究还比较滞后。

目前国内对高模量沥青混合料高温性能的评价指标是动稳定度，而国内外大量研究表明，车辙试验在评价混合料的高温性能上存在着较大的局限性。因此，本文在车辙试验基础上提出以动稳定度为主要评价指标，并使用相对变形率作为辅助指标，共同对高模量混合料的高温性能进行评价。此外，在沥青混合料的各种模量中，动态模量（复合模量）｜E＊｜由于更接近于路面工作状态，在受力时更能反映出混合料变形和变形恢复的情况而得到越来越多研究人员的重视［1］。本文对车辙试验和单轴压缩试验结果进行对比，来验证掺加PR系列添加剂混合料的高温性能，为PR系列添加剂高模量混合料的应用提供一定的依据。

1 高模量混合料试验材料指标

高模量外掺剂选用的是国产高模量外掺剂，具体指标见表1。研究采用的沥青主要有基质沥青和SBS改性沥青，其主要技术指标见表2。试验AC－13C级配使用集料为广东封开东威石场辉绿岩，AC－20型沥青混合料所用集料为广东新会石场花岗岩。

表1 高模量外掺剂技术指标

矿粉采用佛山三水鸿昌石粉厂产石灰岩矿粉。

2 高模量混合料设计

2.1 配合比设计

车辙大多发生在沥青路面的中上面层，而目前高等级沥青路面中上面层多采用的是密集配沥青混合料AC－13C和AC－20，见表3、4。因这两种级配在国内应用时间较长，混合料的设计和施工技术较为成熟，因此选取这两种级配进行混合料试验。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）中的相关规定，采用马歇尔试验法确定不同外掺剂掺量下混合料的最佳沥青用量。

2.2 确定外掺剂最佳用量

高模量沥青混合料是从提高模量的角度提高混合料的高温抗车辙能力。本文试验采用马歇尔试验方法确定不同类型级配掺加高模量沥青混合料后的最佳沥青用量；采用静态回弹模量试验和劈裂强度试验确定外掺剂的最佳掺量。

为了验证高模量沥青混合料的性能，本文制作了6种沥青混合料，分别是 AC－13C、AC－20，以及添加0.4%、0.6%（占混合料的质量百分比）外掺剂的AC－13C和AC－20。通过大量的马歇尔试验最终确定这6种混合料的最佳沥青用量（表5），沥青混合料各项性能指标均满足规范要求。

表2 基质沥青和SBS改性沥青的主要技术指标

表3 AC－13C沥青混合料矿料级配组成

表4 AC－20沥青混合料矿料级配组成

表5 不同外掺剂掺量下沥青混合料的最佳沥青用量

2.2.1 静态模量试验

静态模量试验方法按沥青混合料单轴压缩试验圆柱体法（T 0713－2000）的规定，在旋转压实仪上通过控制试件高度模式旋转成型100mm×100mm圆柱体试件，在室温条件下放置24h脱模。使用MTS 810材料试验系统进行试验，加载速率为1 mm·min－1，试验过程中使用MTS810自带的环境保温箱（温度精确至0.1℃）保温。

对于AC－13C和AC－20型级配，分别对添加0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%外掺剂时在最佳沥青用量下进行静态回弹模量试验，结果如图1所示。

试验结果表明，添加高模量外掺剂对沥青混合料回弹模量的提高有显著效果，添加外掺剂后的混合料回弹模量都明显增大。

对比图1两条曲线可看出：随着外掺剂剂量的逐渐增加，沥青混合料的回弹模量呈上升趋势；当外掺剂的掺量在0～0.2%时，增长幅度最大；当掺量大于0.6%时，回弹模量继续变大，但是增长的幅度相对减缓。

图1 两种级配在不同掺加剂掺量下的回弹模量变化曲线

2.2.2 劈裂试验

本试验采用劈裂抗拉强度指标来评价沥青混合料的粘聚能力，通过对掺加不同掺量外加剂的试件进行室内劈拉强度试验，获取外掺剂的最佳添量。在室温（20℃±1℃）下，依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的沥青混合料劈裂试验（T 0716—2011）进行试验。采用马歇尔击实成型圆柱体试件，其标准尺寸为101.6 mm×63.5mm。

对于 AC－13C型级配，分别对添加0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%外掺剂在最佳沥青用量下成型的试件进行劈裂强度试验，试验结果如图2所示。

图2 两种级配在不同掺加剂掺量下劈裂强度变化曲线

试验结果表明，高模量外掺剂能够明显提高沥青混合料的劈裂强度。当掺加剂的掺量达到0.8%时，AC－13C和AC－20两种混合料的劈裂强度相较于没有添加外掺剂的混合料劈裂强度分别增加了1.6倍和1.4倍。随着外掺剂加入剂量的增多，沥青混合料的劈裂强度也随之增大，但当外掺剂掺量从0.6%增加到0.8%的时候，劈裂强度的增幅很小，甚至出现下降。这说明外掺剂的剂量并不是越多越好，当掺量达到一定程度的时候，外掺剂的提升作用并不明显。综合考虑高模量沥青混合料的性能要求，本文将高模量外掺剂的掺量定为0.6%。

3 高模量混合料高温性能试验

3.1 车辙试验

本文在采用动稳定度指标评价高模量混合料高温稳定性能之外，同时选取相对变形率指标来评价高模量混合料的高温稳定性能。国内外不少研究者认为，采用相对变形率能更好地反映沥青混合料的高温性能［2－5］。动稳定度和相对变形率的试验结果如表6所示，车辙变形曲线如图3所示。

表6 4种混合料动稳定度和相对变形率试验结果

图3 不同温度与不同外掺剂混合料车辙变形曲线

由以上试验结果可以发现，掺加高模量外掺剂后，两种级配混合料的动稳定度和相对变形率都有了大幅度的提高，这反映出高模量沥青混合料在抵抗车辙变形方面的优势［6］。从混合料变形曲线也可以发现，除了在开始压密变形阶段有一定程度的变形外，在10min以后，高模量沥青混合料几乎没有变形；与此对应的基质沥青混合料和SBS改性沥青混合料在开始的压密阶段就有很大的变形，在10min后，变形继续增大并呈不断发展的趋势。综合两种分析结果可以得知，高模量沥青混合料的变形主要与压实不足造成的压密变形有关，而且这个变形相对于基质沥青和改性沥青的变形来说很小，造成这种结果的原因应该与高模量混合料拌和时要求较高的温度（185℃）有关。同时，高模量外掺剂融化在集料中形成网状结构，亦提高了混合料的整体稳定性。

3.2 高模量混合料单轴压缩试验

在沥青混合料的各种模量中，动态模量（复合模量）｜E＊｜由于更接近于路面工作状态，成为各国沥青路面设计体系倾向采用的设计参数。越来越多的的研究人员开始重视对沥青混合料动态模量的研究。美国马里兰大学Witczak教授在不同的频率及温度下进行无约束加载动态模量试验，结果表明：与试验路数据相比，沥青路面的永久变形与无约束的E＊／sinφ有很高的相关性。Zhou及Scullion根据动态模量｜E＊｜测试结果得出：动态模量｜E＊｜增加，车辙减小；动态模量｜E＊｜与E＊／sinφ高度相关。

因此，本文通过单轴压缩试验测定4种混合料的动态模量，以此来研究外掺剂高模量沥青混合料的抗车辙路用性能。

试验采用美国进口的MTS 810材料试验系统进行动态模量测试。用Superpave旋转压实仪（SGC）成型高150mm、直径100mm的圆柱形试件，试验温度分别为5℃、20℃、50℃，加载频率为0.1～10Hz。两种沥青混合料动态模量及相位角变化曲线如图4～7所示。

从图中可以发现，外掺剂高模量沥青混合料在相同温度、不同加载频率下的动态模量均高于不掺加外掺剂的同种级配混合料。对于AC－13C和AC－20沥青混合料，随着温度的升高，动态模量提升比率升高，即温度越高，高模量混合料的优势越明显。对于AC－13C混合料，在20℃、10Hz时，高模量混合料相对于未掺加外掺剂的混合料的动态模量提升比率为65%，而在50℃时，这个比率达到了205%；对于AC－20混合料，在20℃、10Hz时，高模量混合料相对于未掺加外掺剂的混合料的动态模量提升比率为35%，当温度上升到50℃时，提升比率达到了275%。这表明外掺剂高模量混合料在温度越高时，优势越明显。由图6、7可以发现，高模量混合料的相位角与普通混合料的相位角相差并不大，这说明高模量外掺剂的使用对沥青混合料的粘弹特性并没有显著的影响。

4 结 语

本文采用车辙试验和单轴压缩试验研究高模量混合料的抗车辙能力。试验结果表明，外掺剂高模量沥青混合料作为一种有效抵抗车辙的手段，其高温稳定性能远优于普通基质沥青和SBS改性沥青。

（1）外掺剂虽可以大幅提高混合料抗车辙能力，但随着外掺剂添加量的增大，其提升效果并不明显；外掺剂的添加量存在一个最佳值（0.6%），超过这个值之后，高模量混合料的各项力学指标增长幅度并不明显。

（2）车辙试验表明，外掺剂高模量混合料的动稳定度是基质沥青和SBS改性沥青的6倍和3.5倍，且随着温度的升高，其高温稳定性能更明显。相对变形率仅为其他两种混合料的1／3。两种指标在评价结论上是一致的。这也表明使用这两种指标评价高模量混合料高温稳定性是合理的。

（3）动态模量试验结果表明，高模量外掺剂能显著提高混合料的动态模量，最大提高幅度在2倍以上，这种提升能力在高温时尤其显著，说明高模量沥青混合料的高温稳定性能要优于其他几种沥青混合料。

（4）车辙试验和动态模量试验表明，越是在高温情况下，高模量混合料的高温性能就越明显，因此外掺剂高模量沥青混合料更适用于高温频发、重载车辆较多的地区和路段。

［1］姚 苛.沥青混合料动态性能研究［D］.广州：华南理工大学，2007.

［2］王旭东，何兆益.沥青砼动稳定度和相对变形指标的研究［J］.重庆交通学院学报，2000，19（3）：44－46.

［3］吴文亮，李 智，张肖宁，等.基于数字图像技术的沥青混合料扯着试验研究［J］.筑路机械与施工机械化，2008，25（3）：55－57.

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［6］沙爱民，周庆华，杨 琴.高模量沥青混凝土材料组成设计方法［J］.长安大学学报：自然科学版，2009，29（3）：1－5.

Study on High Temperature Performance of High－modulus Additive Modified Asphalt Mixture

WANG Hui1，ZHANG Xiao－ning2
（1.Industrial Investment Co.Ltd.of Guangdong Communication，Guangzhou 510100，Guangdong，China；2.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

The rutting test and dynamic modulus test at 60℃and 75℃were done to study the high temperature performance of high－modulus additive modified asphalt mixture. The experimental results show that：the high temperature performance of the mixture was significantly improved after adding high－modulus additive；as the temperature rises，the high temperature performance improves a lot.It shows that at higher temperature，the ability of highmodulus mixture to resist rutting disease is stronger.

rutting test；dynamic modulus；high－modulus mixture；performance

U418.6

B

1000－033X（2013）11－0063－04

2013－03－13

交通部西部建设科技项目（200831822337）

王玉玲］