高温多雨气候条件耐久性沥青混合料设计及性能研究

陈文锋， 周加佳， 佘 凯

(中电建路桥集团有限公司， 北京 100010)

中国幅员辽阔、跨越多个温区。因此，针对不同的环境条件，需要开展沥青路面不同结构层沥青混凝土使用性能及适用性的研究，从而更好地减少沥青路面的损害，增加沥青路面的使用寿命[1]。

广东省属于东亚季风气候，夏季温度高且持续时间长，年降雨量达到1 500～2 000 mL，属于典型的高温多雨地区。因此，在气候条件和重载交通的作用下，沥青路面面临着严峻的考验[2]。为了提升高温多雨条件下沥青混合料的耐久性能，研究人员在实践中探究出了GAC混合料，并逐渐得到推广和应用。吕瑞[3]以实际工程为依托，对比分析了GAC-16混合料、AC-16混合料的性能，结果表明，相比于AC-16混合料，GAC-16混合料具有更好的高温稳定性。张永升等[4]研究了GAC混合料适用于高温多雨地区的可行性，结果表明，GAC-16、GAC-20的粗集料比均为0.4～1.0，能够很好地提高沥青混合料的压实度，减少离析；GAC-16具有较好的抗滑性和抗渗水性，更适合于沥青路面的面层，GAC-20具有较好的低温抗裂性和水稳定性，适用于沥青路面的中面层。咸红伟[5]通过控制关键筛孔通过率以及级配嵌挤试验研究了GAC-20混合料的设计方法，结果表明，GAC-20混合料的高温稳定性和密水性具有明显的提升。Sun等[6]利用分型理论建立了分型维数和GAC-20混合料的高温稳定性、水稳定性等路用性能评价指标的相关模型，结果表明，模型能够很好地预测GAC-20混合料的低温性能，能够很好提高效率，可为工程设计提供参考。官中良[7]依托接惠高速公路建设项目，研究了GAC-20混合料对渗水性能的影响。综上所述，目前对GAC混合料在实际工程运用中的研究较多。但对GAC-20和AC-20混合料的性能比对研究较少，且基于GAC-20为中面层的沥青路面铺装结构性能的研究比较缺乏。此外，结合近年来出现的结构防水的理念，需要通过提高GAC-20混合料的压实效果，减少离析，提高整体结构的防水性能。

因此，本文通过掺加复合高模量改性剂以及级配优化，设计改进型GAC-20混合料，并对GAC-20混合料的路用性能、铺装结构性能进行试验，以更好地探究GAC-20混合料在高温多雨条件下的耐久性能。

1 材料与试验

1.1 原材料

本文采用的玄武岩、石灰岩来自英德大湾石场，矿粉来自佛山市三水区南山镇宏达市场加工厂，各项技术指标均符合规范要求。70#基质沥青由厦门新立基股份有限公司提供。沥青各项技术指标见表1。

表1 沥青技术指标

益道®复合高模量改性剂由中路交科集团提供，是一种直投式高分子改性剂，具备速溶性优、易密实、使用方便等优点，复合高模量剂如图1所示。

图1 复合高模量剂

益道®复合高模量剂通过在特定分子量弹性体上接枝具有特定结构的聚烯烃侧链，赋予沥青混合料良好的抗剪切变形能力与弹性恢复能力。此外，益道®复合高模量剂的弹性主链与刚性侧链形成的双相聚集态结构使其具有优异的高温强度与低温韧性。复合高模量剂作用机理如图2所示，技术参数见表2。

图2 复合高模量剂作用机理

表2 益道®复合高模量剂的技术指标

1.2 试验方法

1.2.1 改性沥青基本性能测试

掺入0%、1%、2%、3%、4% 5种不同掺量的复合高模量改性基质沥青(沥青的质量分数)，并测试沥青的延度、软化点、针入度等基本性能。测试方法按照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(JFG E20—2011)进行试验[8]。测试样品如图3所示。

图3 3个指标测试样品

1.2.2 沥青黏度测试

采用布洛克菲尔德黏度计旋转法测定复合高模量改性沥青的黏度。当读数稳定后，每隔60 s读数一次，连续读数3次，以3次读数的平均值作为测定值。

1.2.3 级配优化

常规GAC-20混合料关键筛孔4.75 mm的通过率通常控制在(38±1)%。本文通过增加适量粗集料以及控制细集料的用量对GAC-20的级配进行了优化。其中，控制4.75 mm的通过率为(39±1)%，0.075 mm的通过率为(5.5±0.5)%，使改进型GAC-20混合料级配曲线呈现更加平缓的S形曲线。

1.2.4 改进型GAC-20混合料性能试验

对改进型GAC-20混合料进行车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验，验证改进型GAC-20混合料的路用性能。测试方法按照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(JFG E20—2011)进行试验[8]。

1.2.5 改进型GAC-20铺装结构性能评价

结合实际工程，本文在结构设计中引入复合结构车辙试验和CT三维扫描技术试验方法，对采用常规GAC-20和改进型GAC-20中面层混合料的路面结构抗车辙性能和压实效果进行评价。

1.2.5.1 复合结构车辙试验

1)利用厚度为20 cm的车辙试模，按图4所示在室内成型复合结构试件。

图4 界面约束复合车辙板试件

2)进行室内复合试件的车辙试验，试验温度为60 ℃，试验时间为3 h。其中在第1、2、3 h时分别记录动稳定度和车辙变形量。

1.2.5.2 CT扫描试验

采用CT三维扫描技术与数字图像处理相结合的方法，对比分析两种铺装结构的压实效果。CT三维扫描技术的基本工作原理是：利用X射线对试件以扫描的方式从多方向透射其断层，用探测器对透射后发生衰减的射线进行采集，进行二维或三维灰度图像重建[9-10]。扫描原理如图5[11]所示，CT技术性能参数见表3。

表3 CT技术性能参数

图5 CT扫描原理[11]

2 结果与分析

2.1 沥青基本性能测试结果

随着复合高模量添加剂掺量的增加，改性沥青的针入度、软化点以及延度表现出不同的变化趋势。沥青基本性能试验结果如图6所示。

由图6可知，掺量为1%、2%、3%、4%时，沥青的针入度分别为6.0、5.5、4.6、3.3 mm，与原样沥青相比，分别降低了0.7、1.2、2.1、3.4 mm；沥青的软化点分别为57、64、70、79 ℃，与原样沥青相比，分别提高了9、16、22、31 ℃；沥青的延度分别为26、21、17、14 mm，与原样沥青相比，分别降低了5、10、14、17 mm。

图6 沥青基本性能试验结果

综上所述，随着复合高模量添加剂掺量的增加，沥青的软化点逐渐升高、针入度逐渐降低，复合高模量剂很好地提升了沥青的高温性能。这可能的原因是，复合高模量添加剂的掺入使沥青的性质更接近于弹性体，提高了沥青的高温性能[12]。此外，随着复合高模量添加剂的掺入的增加，沥青的延度逐渐降低。因此，需要降低复合高模量剂的掺量，以确保沥青延度能够满足规范要求。

2.2 沥青黏度测试结果

沥青混凝土的高温性能与压实效果和沥青胶结料的黏度相关。其中，60 ℃黏度比较贴近实际中路面沥青黏度，沥青黏度值越大，沥青路面在荷载作用下的抗车辙性能越好[13]；而135 ℃的黏度对应的是在施工时的和易性，且降低135 ℃黏度可以保证在桥面等温度散失速率较快的条件下仍具有良好的压实效果，提高防水性能[8]。复合高模量改沥青的60 ℃黏度、135 ℃的黏度测试结果如图7所示。

图7 沥青黏度试验

由图7可知，随着复合高模量添加剂掺量的增加，沥青的60 ℃黏度逐渐增加。其中，掺入1%、2%、3%、4%时，60 ℃黏度分别为792、1 180、1 620、2 160 Pa·s，与原样沥青相比，分别提升了538、926、1 366、1 906 Pa·s。此外，随着复合高模量添加剂掺量的增加，沥青的135 ℃黏度逐渐降低。其中，掺入1%、2%、3%、4%时，135 ℃黏度分别为0.45、0.41、0.35、0.31 Pa·s，与原样沥青相比，分别降低了10%、18%、30%、38%。

综上所述，复合高模量添加剂的掺入，提高了沥青的60 ℃黏度，降低了沥青的135 ℃黏度。因此，复合高模量的掺入能够很好地提升沥青的高温性能，改善改进型GAC-20混合料的施工和易性。

2.3 改进型GAC-20级配设计及最佳油石比

根据控制关键筛孔的通过率，改进型GAC-20混合料的级配设计如表4、图8所示。

图8 改进型GAC-20级配曲线

表4 改进型GAC-20混合料配合比

通过对比不同复合高模量添加剂掺量下沥青的基本性能试验结果以及考虑复合高模量沥青混合料路面施工成本[14]。本文选择以1%的复合高模量剂改性沥青，并制备改进型GAC-20混合料。通过马歇尔体积设计方法，确定改进型GAC-20混合料的体积参数以及最佳油石比。试验结果见表5。

表5 改进型GAC-20混合料马歇尔体积参数

2.4 改进型GAC-20混合料性能试验

通过高温性能、低温抗裂性以及水稳定性对改进型GAC-20混合料的路用性能进行验证。试验结果见表6。

表6 改进型GAC-20混合料路用性能试验结果

由表6可知，改进型GAC-20混合料的动稳定度为8 433次/mm，残留稳定度比为90.5%，劈裂强度比为87.5%，破坏应变为2 982.9。综上可知，改进型GAC-20混合料的各项路用性能均满足施工技术规范对中面层沥青混合料的技术要求。

此外，为了评价改进型GAC-20混合料在高温多雨地区的耐久性。本文通过冻融劈裂试验、车辙试验，对比分析了改进型GAC-20、GAC-20和普通AC-20混合料的抗水损害性能以及高温稳定性。试验结果见表7、表8。

表7 不同沥青混合料类型的冻融劈裂试验结果

表8 不同沥青混合料类型的车辙试验结果

由表7可知，不同类型沥青混合料中，改进型GAC-20混合料的残留强度比均表现出一定的提升。其中，改进型GAC-20混合料残留强度比为87.5%，与改性沥青GAC-20、AC-20相差不大，与基质沥青GAC-20、AC-20相比，分别提升了6.3%、5.9%。因此，改进型的GAC-20混合料能够提升沥青混合料的抗水损害性能。

由表8可知，改进型GAC-20混合料的动稳定度明显高于其他沥青混合料类型。其中，改进型GAC-20混合料的动稳定度为8 433次/mm，与基质沥青GAC-20、AC-20混合料相比，分别提升了4.96倍、6.48倍，与改性沥青GAC-20、AC-20混合料相比，分别提升了1.55倍、1.74倍。因此，改进型GAC-20混合料表现出较好的抗车辙性能。

2.5 改进型GAC-20铺装结构性能

2.5.1 复合车辙试验

为了进一步评价改进型GAC-20混合料在实际工程应用中的高温稳定性，对比分析两种不同铺装结构的复合车辙试验结果，试验结果如图9所示。

图9 两种结构类型复合试件1 h内的动稳定度对比

由图9可知，两种结构的动稳定度随着试验时间的延长均逐渐增加，这主要由于碾压之后的每种铺装结构空隙率降低，结构更加密实。此外，结构2的动稳定度较结构1高，其中，GAC-20混合料的第1 h稳定度达到6 095次/mm，第2 h为11 069次/mm，第3 h为12 791次/mm。因此，采用4 cm SMA-13+6 cm改进型GAC-20+8 cm GAC-25的铺装结构具有较好的抗车辙性。

2.5.2 CT扫描试验

为了量化结构2空隙率的降低结果，通过对扫描结果的图像进行分析来准确定位沥青混合料的内部骨料、空隙及裂纹等各组成部分的分布状态。图10中黑色代表空隙，深灰色代表集料，浅灰色代表沥青胶浆[12]。

图10 界面扫描结果

由图10可知，结构1和结构2中面层与上面层黏结界面处的形貌具有明显的差异。其中，结构2界面处更加密实，孔隙明显少于结构1。这说明采用改进型GAC-20混合料的复合铺装结构具有更好的密水性能，从而使沥青路面拥有较好的抗水损害能力。

采用Origin软件进行灰度值分析计算出界面的空隙率，绘制灰度-概率密度分布曲线[15-16]，如图11所示。沥青混合料内部及界面处空隙率如图12所示。

图11 灰度-概率密度分布曲线

图12 两种结构类型的空隙率

由图12可知，与结构1相比，结构2的界面处空隙率降低了约0.8%，内部空隙率降低约0.7%。因此，采用结构2能够有效地降低界面处的空隙率，从而提高铺装面层与原路面层黏结效果，使沥青路面达到更好的压实效果。

3 结论

通过改性沥青以及级配优化对沥青路面中面层的GAC-20混合料进行改进，以提升沥青混合料在高温多雨地区的耐久性。主要结论如下：

1)复合高模量剂的掺入降低了沥青的针入度、135 ℃黏度，提高了沥青的软化点、60 ℃黏度，使沥青的高温性能和施工和易性得到了改善。

2)通过控制4.75 mm通过率[(39±1)%]，0.075 mm通过率[(5.5±0.5)%]，使改进型GAC-20混合料的级配曲线呈现更平缓的S形。

3)复合高模量剂的掺入很好地提升了改进型GAC-20混合料的路用性能。其中，高温稳定性提升了4.96倍。

4)改进型GAC-20混合料在4 cm SMA-13+6 cm改进型GAC-20+8 cm GAC-25的铺装结构中表现出了很好的抗车辙性；此外，采用此铺装结构，界面处空隙率降低约0.8%，内部空隙率降低约0.7%，有效提高了铺装面层与原路面层黏结效果，实现了较好的压实效果。