外掺剂高模量沥青混合料性能研究

陆由付，李燕夺，陈 谦

（1.山东高速集团有限公司，山东 济南 250098；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

1 引言

近年来，随着交通量的显著增加，以车辙为代表的沥青路面病害明显增多，为补强路面、减少车辙病害发生，高模量沥青混合料的概念应运而生。高模量沥青混合料的应用可有效减少沥青路面早期病害，显著提高沥青路面耐久性，并且将其应用于沥青路面的中下面层还可有效减小沥青层厚度，节省造价，近年来已逐渐受到国内外专家学者的青睐[1-3]。Moreno-Navarro等[4]将高模量沥青混合料与丙烯酸纤维结合，有效改善了混合料的路用性能。Khiavi等[5]采用模型对制备的高模量沥青混合料性能进行预测评估，结果表明硬针入度沥青（HPB）有利于改善高模量沥青混合料的性能。Judycki等[6]将高模量沥青混合料应用于低温地区时得出，低标号沥青的使用导致路面对低温气候更加敏感。王朝辉等[7]对国内外高模量沥青混凝土的研究进展进行了系统梳理并提出以SBS 或橡胶粉等材料改善高模量沥青混合料低温抗裂性是未来研究的一大方向。马朝鲜等[8]分析了CAM 模型及Sigmoidal 模型对高模量沥青及混合料的适用性，结果表明CAM 模型可适用于预测高模量沥青动态模量，Sigmoidal 模型可用于预测高模量混合料动态模量。王俊杰[9]通过改变高模量剂掺量研究了其对AC-13 和SMA-13 两种混合料不同性能的影响，结果表明AC-13 高温稳定性更易受高模量剂影响，两种混合料最佳高模量剂掺量分别为4%及6%。孟会林[10]研究了20 号沥青高模量沥青混合料的性能，结果表明沥青种类对混合料的模量及疲劳性能均有显著影响，而级配对模量具有较大影响。周骊魏等[11]对高模量沥青混凝土动态模量研究进展进行总结梳理并得出采用低标号沥青制备高模量沥青混凝土对其动态模量提升效果稳定。综上可知，目前国内外学者在高模量沥青混合料沥青类型选取、动态模量预估、改性剂掺入比例等方面已经开展了相关研究并取得了一定成果，但是关于新型改性剂的开发及其高模量沥青混合料最佳制备工艺的确定仍需进一步探讨。

鉴于此，本研究以超高分子聚合物（UP）和聚丙烯（PP）作为改性基础材料，以石膏晶须（CSW）作为改性辅助材料，开发两种改性剂，确定高模量沥青混合料的最佳制备方法，明确高模量沥青混合料最佳油石比，基于不同试验方法对比评价两种高模量沥青混合料力学性能及路用性能，以期为推动高模量沥青混合料进一步研究及推广应用提供参考。

2 原材料与制备方法

2.1 原材料

以优质玄武岩粗细集料、石灰岩矿粉为原料制备两种高模量沥青混合料，玄武岩粗细集料接近立方体，表面粗糙洁净，不存在风化现象，矿粉由石灰岩磨细制备而成，经测试，集料及矿粉各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。本研究所用沥青采用SK70 基质沥青，其各项技术指标测试结果见表1。

表1 SK70基质沥青技术参数测试结果

选用聚烯烃类物质超高分子聚合物（UP）和聚丙烯（PP）作为改性基础材料，石膏晶须（CSW）为辅助材料[12]。其中，超高分子聚合物（UP）具有耐磨性好、强度高、性质稳定、抗老化性较强的特点；聚丙烯（PP）是丙烯经加聚而成的聚合物，密度小，化学性质稳定，具有良好的耐酸碱性能、力学性能及抗老化性能；石膏晶须（CSW）又称硫酸钙晶须，是一种纤维亚纳米材料，具有成本低廉、绿色环保、力学性能优异等特点。三种材料的主要技术指标见表2～表4。

表2 UP相关技术指标

表3 PP相关技术指标

表4 CSW相关技术指标

2.2 高模量沥青混合料的制备

UC 高模量沥青混合料UP 掺量0.22%、CSW 掺量0.3%；PC 高模量沥青混合料PP 掺量0.34%、CSW 掺量0.3%，上述掺量均为占混合料质量比。以干法工艺制备两种高模量沥青混合料，即在高温条件下将石料和外加剂干拌，待干拌完成后再加入沥青，再次进行拌和。高模量沥青混合料的拌合流程如下：

①分别取一定质量的粗细集料，按照设计级配在洁净容器中将其拌合均匀，而后将混合均匀后的粗细集料与单独放置的矿粉分别加热至195 ℃，备用。

②将沥青在烘箱中加热至拌合温度175 ℃并保持温度恒定，备用。

③提前将混合料拌合机开启进行预热，并将温度控制在185℃，待预热至指定温度，将步骤①中预热好的集料及单独预热的改性剂倒入拌锅中，干拌90s，待干拌完成后在集料中倒入步骤②中预热并保温的沥青，拌合60s，拌合完成后加入矿粉，再次拌合60s。

3 高模量沥青混合料配合比设计

3.1 级配选择

采用《公路高模量沥青路面施工技术指南》（T/CHTS 10004-2018）推荐的AC-16级配作为高模量沥青混合料试验级配，各筛孔通过率见表5。

表5 高模量沥青混合料AC-16级配

3.2 最佳油石比的确定

为确定最佳沥青用量，以UP为改性剂制备混合料，选取4.6%、5.1%、5.6%、6.1%、6.6%五个沥青用量分别拌制高模量沥青混合料，参考《道路用高模量抗疲劳沥青混合料》（GB/T 36143-2018）测试马歇尔试件相关技术指标，试验数据见表6。

表6 马歇尔试验测定结果汇总

根据马歇尔稳定度试验数据绘制的体积参数指标与沥青用量的关系曲线确定最佳沥青用量OAC，具体步骤如下：从关系图中找出沥青饱和度（VFA）中值、毛体积密度最大值、稳定度（MS）最大值、空隙率（VV）小于等于4%对应的沥青用量及试件测试指标符合规范要求的沥青用量范围中值，分别记为最佳沥青用量初始值OAC1及OAC2，将两个最佳沥青用量初始值OAC1及OAC2取平均值即为最佳沥青用量OAC，按照上述方式计算的最佳沥青用量为5.6%，满足规范中最低沥青用量不低于5.2%的要求。

4 高模量沥青混合料性能评价

4.1 高模量沥青混合料力学性能评价

基于单轴压缩动态模量试验明确两种不同类型高模量沥青混合料力学性能特点及其差异，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）相关规定，将由旋转压实仪制成的沥青混合料试件取芯样，得到高150mm、直径100mm的试件，在15℃的温度条件下采用基本性能试验仪（SPT）以10Hz的频率对两种不同类型的高模量沥青混合料进行加载测试，具体测试结果如图1所示。

图1 两种高模量沥青混合料动态模量试验结果

由图1 可知，UC 改性高模量沥青混合料的动态模量为17505MPa，PC改性高模量沥青混合料的动态模量为14906MPa，均满足《高模量沥青混合料施工技术规范》（DB21/T 1754-2009）中动态模量需达到14000MPa及以上的要求，但二者动态模量存在较大差距，UC改性高模量沥青混合料动态模量较PC高模量沥青混合料动态模量提升了17.4%，分析认为UC 改性剂增强沥青与集料之间的加筋与粘结作用更强，使整个混合料形成稳定整体，使得沥青混合料的动态模量得到较大提升，可见UC改性沥青混合料力学性能更加优异。

4.2 高模量沥青混合料路用性能评价

4.2.1 高模量沥青混合料高温稳定性能

基于车辙试验明确两种沥青混合料的高温稳定性能特点及其差异，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）相关规定，将两种高模量沥青混合料制备的长、宽、厚分别为300 mm、300 mm、50 mm的试件分别放入60℃恒温室，静置5h～12h后进行车辙试验，具体测试结果如图2所示。

图2 两种高模量沥青混合料高温稳定性试验结果

由图2 可知，UC 高模量沥青混合料的动稳定度DS为6032 次/mm，PC 高模量沥青混合料的动稳定度（DS）为5145 次/mm，相较于PC 高模量沥青混合料，UC 高模量沥青混合料动稳定度（DS）提升17.24%，可见添加UC高模量改性剂对沥青混合料高温稳定性的影响更为明显。分析认为，虽然UC高模量剂不与沥青发生化学反应，但在高温条件下UC可通过加筋对软化的沥青起到补强作用，从而达到增加高模量沥青混合料动稳定度的效果。

4.2.2 高模量沥青混合料低温抗裂性能

基于低温小梁弯曲试验评价两种高模量沥青混合料的低温抗裂性能特点及其差异，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）相关规定，制备长、宽、高分别为250 mm、30 mm、35 mm的小梁试件，将小梁试件放置于恒温水槽保温不少于45min，使其内部温度达到-10℃±0.5 ℃，同时开启试验机保温箱使其温度达到-10℃±0.5 ℃，采用万能试验机进行加载，加载速度为50mm/min，测定两种小梁试件的破坏弯拉应变，具体结果如图3所示。

图3 两种高模量沥青混合料低温抗裂性试验结果

由图3可知，UC、PC两种高模量沥青混合料的破坏弯拉应变分别为2086με、1832με，其中，PC高模量沥青混合料不满足《高模量沥青混合料施工技术规范》（DB21/T 1754-2009）规范中高模量沥青混合料破坏弯拉应变应大于1900με 的规定，相比而言，UC 高模量沥青混合料较PC高模量沥青混合料具有更加优异的低温抗裂性能，分析认为，聚丙烯类改性剂PP比聚乙烯类改性剂UP对混合料的低温抗裂性能具有更大的负面作用，导致PC高模量沥青混合料破坏弯拉应变不满足规范要求，因此建议以UC高模量改性剂制备高模量沥青混合料。

4.2.3 高模量沥青混合料水稳定性能

基于冻融劈裂试验评价两种沥青混合料的抗水损坏性能特点及其差异，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定制作马歇尔试件，将真空饱水后的试件经过一系列温度措施处理后采用马歇尔试验仪进行冻融劈裂试验，测试结果如图4所示。

图4 两种高模量沥青水稳定性试验结果

由图4可知，在未冻融之前，PC高模量沥青混合料的劈裂强度高于UC高模量沥青混合料，但在冻融之后其强度出现显著下降，且其冻融劈裂抗拉强度比（TSR）为68.65%，不满足《高模量沥青混合料施工技术规范》（DB21/T 1754-2009）中TSR≥80%的要求；而UC高模量沥青混合料在冻融后强度下降趋势较为平缓，其TSR=88.85%，满足《高模量沥青混合料施工技术规范》（DB21/T 1754-2009）中TSR≥80%的要求。可见UC 高模量沥青混合料的水稳定性明显优于PC高模量沥青混合料，具有更强的抵抗水损害的能力。

5 结语

①UC高模量沥青混合料的动态模量相较于PC高模量沥青混合料动态模量提升17.4%，说明UC高模量沥青混合料具有更加优异的力学性能，在承受相同行车荷载情况下，UC高模量沥青混合料更不易产生车辙等病害。

②相较于PC高模量沥青混合料，UC高模量沥青混合料水稳定性能明显改善，TSR提升幅度接近1.3倍；低温抗裂性能增强显著，破坏弯拉应变增长13.86%；高温稳定性明显提高，动稳定度提升17.24%；综合考虑两种高模量沥青混合料的力学性能及路用性能表现，推荐采用UC高模量沥青混合料。

③本文基于聚烯烃类物质超高分子聚合物（UP）和聚丙烯（PP）开发了两种高模量沥青混合料改性剂，通过比较明确了高模量沥青混合料制备方法，并对比评价了两种高模量沥青混合料力学性能和路用性能，后期可进一步揭示改性剂微观改性机理，并通过控制改性剂掺入比例或与其它改性材料复配等方式增强UC和PC 高模量沥青混合料的高温稳定性，为今后的工程应用奠定基础。