嚴寒地區高黏高彈改性瀝青應力吸收層瀝青混合料路用性能研究

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074； 2.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

河北省張家口市北部壩上地區由于受到內蒙古高壓控制，冬季寒冷，冰凍期長。受氣候條件和交通荷載影響，當地瀝青路面存在嚴重的反射裂縫問題。通過調查發現，當地公路基層大量采用穩定類半剛性材料，這種材料雖然有著很高的強度和較低的成本，但由于其本身的溫縮和干縮裂縫會隨著車輛荷載作用而反射到瀝青層[1，2]，因而產生了大量的反射裂縫。在當地的舊路加鋪改建過程中，許多舊瀝青路面加鋪瀝青面層后，短時間內又出現了大量的反射裂縫，它會影響新鋪設的瀝青路面的質量，并降低路面完整性和使用壽命。鑒于如何延緩反射裂縫的產生與擴展，國內外已采取了許多措施，并開展了大量研究和工程實踐[3-7]。近年來，在歐洲、美國及我國的經驗表明，應力吸收層可有效防治反射裂縫。本文主要研究了3種應力吸收層瀝青結合料的性能及其混合料的路用性能，為解決河北省張家口市北部壩上地區瀝青路面反射裂縫嚴重的問題提供技術支撐。

1 瀝青原材料

應力吸收層瀝青混合料是由大量的細骨料、礦物填料和特殊高含量、高彈性聚合物改性瀝青結合料組成，瀝青在應力吸收層瀝青混合料中所占比重大，其性能直接決定了應力吸收層瀝青混合料路用性能的優劣，也是能否實現混合料路用性能優良的保障。本研究通過對不同生產商生產的高黏高彈Ⅰ型改性瀝青(以下稱A瀝青)、高黏高彈Ⅱ型改性瀝青(以下稱B瀝青)和I-D SBS改性瀝青(以下稱C瀝青)的技術性能進行研究，來評價3種瀝青結合料。

1.1 應力吸收層瀝青結合料的常規試驗評價

3種改性瀝青常規技術指標，試驗結果見表1。

表1 3種改性瀝青的常規技術指標的測試結果Table1 Testresultsofroutinetechnicalindexesofthreemodifiedasphalts瀝青品種針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(5℃,5cm/min)/cm軟化點TR&B/℃60℃動力粘度/(Pa·s)布氏黏度135℃/(Pa·s)閃點/℃彈性恢復25℃/%離析,48h/℃旋轉薄膜老化質量變化/%針入度比25℃/%延度5℃/cmA瀝青8963.5852179813.95288981.6-0.1958036B瀝青85.265.7892547942.5613181000.54-0.098555C瀝青56.632.989.3647402.664334921.60.0627815.1試驗方法T0604T0605T0606T0620T0619T0611T0662T0661T0610T0604T0605

從3種瀝青的常規指標值來看，3種瀝青的軟化點和135 ℃的布氏黏度相差不多，然而，就針入度、延度、60 ℃的動力黏度及RTFOT老化后的延度等技術指標而言，通過添加各種改性劑制成的A、B兩種高黏高彈改性瀝青，與普通改性瀝青C相比，均有大幅提高。

1.2 按PG分級評價應力吸收層瀝青結合料

美國SHRP瀝青結合料規范主要是根據瀝青老化前后的性能變化對瀝青結合料進行分級，本研究基于SHRP的分級試驗，研究了3種應力吸收層瀝青結合料的性能。

1.2.1高溫PG分級

a.原樣瀝青結合料的高溫流變性能研究。

采用動態剪切流變試驗對3種瀝青原樣樣品進行檢測，試驗結果如圖1所示。

圖1 原樣瀝青結合料抗車轍因子(G*/sinδ)值Figure 1 Primary asphalt anti-rutting factor G*/sinδ

b.RTFOT殘留物瀝青結合料高溫流變性能研究。

對上述3種瀝青原樣樣品進行旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)，以模擬拌合、運輸及施工過程中瀝青材料實際發生的短期老化。然后進行老化瀝青樣品的動態剪切流變試驗，試驗結果見圖2。

圖2 RTFOT殘留瀝青抗車轍因子(G*/sinδ)值Figure 2 RTFOT leftover asphalt anti-rutting factor G*/sinδ

瀝青結合料的抗車轍因子(G*/sinδ)用來表征瀝青的抗車轍變形能力，其值越大，說明其流動變形能力越小，其瀝青混合料的抗永久變形能力越強。從圖1和圖2可以清楚地看出3種瀝青結合料之間的差別，A、B瀝青原樣的抗車轍因子要顯著高于C瀝青原樣，但經旋轉薄膜老化后，這種優勢明顯減弱。B瀝青無論是原樣瀝青還是經過旋轉薄膜老化后的瀝青，都具有良好的高溫性能(82 ℃)，A瀝青原樣表現出了良好的高溫性能，但經過短期老化后，其高溫性能與C瀝青相接近。

1.2.2低溫PG分級

瀝青路面在寒冷的氣候狀況下容易產生裂縫，防裂是應力吸收層的基本功能。瀝青結合料的低溫變形能力是瀝青混合料低溫抗裂性能的主要影響因素。為了確定3種瀝青結合料的低溫性能，對3種瀝青進行了RTFOT短期老化和PAV長期老化，然后對老化殘留瀝青樣品進行了彎曲梁試驗。試驗結果表明：A瀝青的低溫PG分級為PG34，B、C瀝青的低溫PG分級為PG22。A瀝青的低溫性能明顯優于B和C，考慮到應力吸收層的結構功能特點，對于壩上氣候嚴寒地區，建議使用具有更好低溫性能的A瀝青，進行應力吸收層技術的推廣應用。

2 不同應力吸收層瀝青混合料路用性能研究

本研究的礦料級配設計采用美國科氏推薦的礦料級配范圍，礦料合成級配如表2所示。采用8.2%的油石比成型混合料，然后研究其路用性能。

表2 3種應力吸收層瀝青混合料礦料合成級配Table2 Syntheticgradationofthreeasphaltmixturewithstressabsorbinglayers篩孔尺寸/mm級配上限下限合成級配篩孔尺寸/mm級配上限下限合成級配13.2100100100.00.6552529.69.510010099.80.3351520.24.751008091.90.1520815.92.36856074.90.07514612.51.18704043.0

2.1 高溫穩定性

應力吸收層屬于砂粒式瀝青混合料，集料偏細，礦粉和瀝青用量偏多，它的強度主要是依靠集料跟瀝青與礦粉組成的膠漿之間的黏結力。在本文中，車轍試驗被用來評價3種應力吸收層瀝青混合料的高溫穩定性，其試驗結果見圖3。

圖3 不同應力吸收層瀝青混合料車轍試驗結果Figure 3 Rutting test results of asphalt mixtures with different stress absorbing layers

根據圖3的試驗數據，由于礦料級配偏細和高瀝青含量，3種應力吸收層瀝青混合料的動穩定度都比較低，國內技術規范對應力吸收層瀝青混合料的高溫性能也沒相關技術要求，考慮到應力吸收層主要是用來抑制受氣候條件影響產生的低溫開裂和反復行車荷載造成的疲勞破壞而非高溫車轍破壞，對其高溫穩定性的要求并不是很嚴格。此外，應力吸收層主要用作結構層，攤鋪在舊瀝青路面與瀝青加鋪層之間，只要設置適當厚度的瀝青加鋪層，路面整體結構便可以擁有良好的抗車轍能力。

2.2 低溫彎曲性能

在低溫下，瀝青混合料的勁度將增加，其抗變形能力將顯著降低，比較容易產生開裂。在壩上氣候嚴寒地區，應力吸收層的低溫抗裂性能更顯得重要。本文采用小梁彎曲試驗來對應力吸收層瀝青混合料的低溫抗裂性能進行評價，試驗結果見圖4。

圖4 不同應力吸收層瀝青混合料-10 ℃低溫彎曲試驗結果Figure 4 Low temperature bending test results of asphalt mixtures with different stress absorbing layers at-10 ℃

從圖4的結果可知，A、B兩種瀝青混合料在-10 ℃的低溫彎拉應變滿足冬嚴寒區≥3 000 με的技術要求，表明A、B兩種高黏高彈改性瀝青應力吸收層瀝青混合料具有優良的低溫抗裂性能，且A瀝青混合料的低溫彎曲性能明顯優于B和C。

2.3 水穩定性

水損害在瀝青路面損害中較為常見，許多瀝青路面的早期破損多是由于水損害而引起的。應力吸收層混合料攤鋪在舊瀝青路面上，如果水穩定性不好，結構層滲水或混合料自身產生水損害，則會進一步導致原基層的水損害，進而引起整體路面結構的承載力下降。浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗是用來評價瀝青混合料水穩定性的2種最常用的試驗方法，本文也采用這2種試驗方法評價3種應力吸收層瀝青混合料的水穩定性，試驗結果見圖5。

圖5 不同應力吸收層瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果Figure 5 Test results of marshall immerion test and freeze-thaw spilitting test of asphalt mixtures with different stress absorbing layers

根據圖5中的試驗結果，3種瀝青混合料的殘留穩定度都高于85%，凍融劈裂殘留強度比也都大于80%，三者都具有良好的抗水損害能力。分析其原因，可能與應力吸收層的材料組成特點有關，級配連續、集料細、瀝青含量高且孔隙率小，水分很難浸入。綜合對比3種瀝青混合料的水穩定性，C瀝青混合料的水穩定性要優于A和B。

2.4 抗疲勞性能

應力吸收層瀝青混合料應具備很強的抗疲勞性能，這是其防治反射裂縫的特定功能所必需的。本文通過四點彎曲疲勞試驗，來分析3種瀝青混合料的疲勞性能，試驗結果如表3所示。

表3 不同應力吸收層瀝青混合料疲勞試驗結果Table3 Fatiguetestresultsofasphaltmixtureswithdifferentstressabsorbinglayers混合料類型試驗條件疲勞作用次數Nf/次A瀝青混合料266740B瀝青混合料20℃,2000με,10Hz163546C瀝青混合料6580

3 結論

a.從3種瀝青的常規指標來看，A、B兩種高黏高彈改性瀝青的針入度、延度和60 ℃的動力黏度都要明顯高于普通改性瀝青C。

b.根據3種瀝青結合料的高低溫PG分級結果，A瀝青的PG分級是76-34，B瀝青的PG分級是82-22，C瀝青的PG分級是76-22，A瀝青的低溫性能要優于B和C。

c.從高溫車轍試驗結果來看，3種應力吸收層瀝青混合料由于礦料級配偏細，瀝青含量較高，高溫穩定性均不是很好。從低溫彎曲試驗結果來看，A、B兩種高黏高彈改性瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能，且A的低溫性能要明顯優于B和C。從水穩定性來看來看，3種瀝青混合料都具有良好的水穩定性，且C瀝青混合料的水穩定性要優于A和B。從四點彎曲疲勞試驗的結果來看，3種應力吸收層瀝青混合料的疲勞壽命排序為A>B>C。

d.通過對3種應力吸收層瀝青混合料的路用性能的研究發現，高黏高彈改性瀝青混合料相比常規的改性瀝青混合料，具有更好的路用性能，推薦在河北省張家口市北部壩上地區和國內氣候類似地區采用高黏高彈Ⅰ型改性瀝青進行應力吸收層技術的推廣應用。