不同高模量沥青混合料性能对比

杨文江

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

高速公路渠化交通严重，加之全球气候的变暖，长大纵坡路段出现许多车辙病害。不完全统计，由车辙导致的高等级公路维修费用少则几百万，多则上千万。高模量沥青混凝土可以减少混合料在荷载作用下的应变和不可恢复变形，提高混合料的高温稳定性，减少车辙病害的发生。目前，提高沥青混凝土模量主要有下列两种形式：将优质低标号沥青作为混合料胶结料，或向混合料中加入外掺剂。法国等欧洲国家通常将低标号沥青直接用于制备高模量沥青混合料。近年来的研究和应用表明，抗车辙剂也可作为常用沥青改性剂来提高沥青混合料的高温性能，达到预防车辙病害的目的。

DCLR 即煤直接液化残渣是煤液化技术的产物，它是一种由原煤、液化中间产物、无机矿物质、剩余催化剂及液化重质油组成的成分复杂的混合物，约占原料煤总量的30%。有研究者[1-3]对DCLR 与沥青共混物进行性能研究，结果显示DCLR 能显著提高沥青的高温性能。

为分析不同改性剂对高模量沥青及混合料性能的影响，本文选取DCLR、低标号硬质沥青和抗车辙剂作为增模剂，制备出3 种高模量沥青及混合料，并对其性能进行分析比较。

1 试验

1.1 试验原材料

基质沥青为壳牌90 号，DCLR 来自神华集团煤制油化工有限公司，硬质沥青来自河北浩泽化工，抗车辙剂为路宝牌抗车辙剂。

查阅相关资料并结合工程应用经验，上述改性剂的掺加量确定为：DCLR 为基质沥青用量的10%，硬质沥青为基质沥青用量的30%，抗车辙剂为基质沥青用量的6%。

混合料所用集料为石灰岩，填料为石灰岩矿粉，鉴于高模量沥青混合料常用于路面中面层，因此混合料级配采用AC-20，级配组成见表1。

表1 AC-20沥青混合料级配

1.2 改性沥青制备方法

a）DCLR 改性沥青制备 先将基质沥青加热为流态，分3 批次加入基质沥青质量10%的DCLR，每次加入沥青后迅速在加热状态下搅拌5～10 min 使DCLR 在沥青体系内分散，待DCLR 全部加入后，于150℃～160℃下在3 500 r/min 转速下剪切30 min，完成制备。

b）低标号硬质沥青改性沥青制备 先将基质沥青加热为流态，将占基质沥青质量30%的硬质沥青加入，150℃～160℃下匀速搅拌30 min，完成低标号硬质沥青改性沥青的制备。

c）抗车辙剂改性沥青制备 先将基质沥青加热为流态，再将占基质沥青质量6%的抗车辙剂加入，170℃下在4 000 r/min 转速下剪切30 min，完成抗车辙剂改性沥青的制备。

2 结果与分析

2.1 沥青常规指标分析

3 种改性剂的加入均使得沥青针入度降低、软化点升高，延度下降，表现为沥青高温性能加强，硬质沥青和抗车辙剂对改性沥青的影响结果相似，两者对高温性能的改善均优于DCLR 改性沥青。

表2 不同高模量沥青三大指标

2.2 静态模量分析

我国采用15℃和20℃下的抗压回弹模量作为沥青混合料设计参数。本文采用单轴压缩试验（单轴压缩速率为2 mm/min）研究3 种改性沥青的静态模量，试验结果见表3。

表3 不同高模量沥青混合料静态模量 MPa

静态模量的结果显示，3 种改性剂均可提升混合料静态模量，抗车辙剂和硬质沥青对静态模量的改善程度相当，均好于DCLR。3 种改性剂的加入均使得沥青黏度增加，提高混合料抵抗变形的能力。

2.3 动态模量分析

由于沥青混凝土是一种黏弹性材料且其通常状态下承受动态荷载，抗压回弹模量只适于静态弹性层状体系，因此需对高模量沥青混合料动态模量进行分析比较，以反映车轮荷载下沥青混合料的力学性能。试验采用连续无间歇的半正矢荷载波形，不施加围压，试验温度为 7℃、15℃、30℃、45℃，测试频率为 0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。

图1 7℃不同高模量沥青混合料动态模量

图2 15℃不同高模量沥青混合料动态模量

图3 30℃不同高模量沥青混合料动态模量

图4 45℃不同高模量沥青混合料动态模量

上述3 种沥青混合料在15℃、10 Hz 下的动态模量值均高于14 000 MPa，满足法国HMA 规范及我国相关地标中的要求，证实试验掺量下的DCLR、低标号硬质沥青和抗车辙剂均可作为增模剂实现高模量沥青混合料的制备。3 种高模量沥青混合料的动态模量均随温度升高而降低，随频率增加而升高，即沥青混合料在高温低频的环境下动态模量最低，易发生车辙病害。相较而言，上述测试环境下抗车辙剂改性沥青混合料的动态模量始终高于硬质改性沥青混合料，高于DCLR 改性沥青混合料。但随着温度的升高，掺DCLR 沥青混合料的动态模量降低较快，不适合作为高模量沥青混合料改性剂。

2.4 路用性能分析

3 种改性剂的高模量沥青混合料高温、低温和水稳定性能比较结果见表4。

表4 不同高模量沥青混合料路用性能

表4 结果显示，DCLR 改性沥青混合料的路用性能无法达到我国规范中对改性沥青混合料的相关要求，低温性能更差，不适合作为沥青改性剂使用。

低标号硬质沥青和抗车辙剂对混合料性能的提升较为明显，试验掺量下两者对沥青混合料性能的改善均满足我国规范中对改性沥青混合料的相关要求，因此低标号硬质沥青和抗车辙剂可作为高模量改性剂，两者对混合料性能的改善程度较为相似。

3 结论

a）试验掺量下的DCLR、低标号硬质沥青和抗车辙剂制备的沥青混合料在15℃、10 Hz 下的动态模量值均高于14 000 MPa，但随着温度的升高，掺DCLR 沥青混合料的动态模量降低较快，不适合作为高模量沥青混合料改性剂。

b）DCLR 改性沥青混合料无法满足规范要求，不适合作为沥青混合料改性剂。

c）综合比对而言，抗车辙剂改性沥青混合料性能优于低标号硬质改性沥青混合料性能，两者均高于DCLR 改性沥青混合料性能。其中抗车辙剂和低标号硬质沥青对沥青及混合料性能的改善程度较为相近。