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高模量沥青混凝土研究进展



摘要


为进一步提升路面结构与材料的耐久性,促进高模量沥青混凝土(high modulus asphalt concrete,HMAC)的研究与应用,系统梳理了国内外现有研究与应用成果,对比法国、欧洲及中国HMAC相关规范与评价指标,总结分析国内外试件成型方式及技术指标差异;调查了国内外HAMC相关研究动态,总结了各国高模量技术体系转换成果,对比评价了中国采用低标号(硬质)沥青、自调和沥青、添加聚烯烃类物质(外掺剂)3种方法制备的HMAC力学性能及路用性能,并针对其低温性能缺点提出了改善建议。结果表明:国内外HMAC相关规范对动态模量均要求大于14GPa,部分国家引入高模量技术后结合本国实情对技术体系进行了转换,导致不同地区试件成型方法与性能验证试验呈差异化;国外制备的HMAC高温性能多采用动态模量、动稳定度及车辙深度等指标评价,均值分别可达15836MPa、7393次/mm、2.34mm;中国则主要考虑动态模量与动稳定度等指标,其中采用低标号沥青时动态模量更高,均值可达20827MPa,采用外掺剂时动稳定度、疲劳寿命更优,均值分别可达11640次/mm、146173次(应变400×10-6),使用不同种类外掺剂的混合料路用性能差距明显;HMAC低温抗裂性能普遍较差,可掺入胶粉、聚乙烯等助剂予以提升。鉴于中国低标号沥青发展的局限,合理优选性能稳定的外掺剂并改善混合料低温性能是促进HMAC发展的基础。


 

关键词

道路工程 | 高模量沥青混凝土 | 性能评价 | 力学性能 | 路用性能


近年来,追求优质耐久、经济环保的品质工程及绿色可持续道路研究受到关注[1]。品质工程已成为践行现代工程管理发展的新要求,交通运输部发布《绿色交通设施评估技术要求》(JT/T1199.1-2018)与《公路水运品质工程评价标准(试行)》中,均将耐久性设计与长寿命路面建设作为项目评估的主要指标之一,预防重载、超载导致的路面车辙已成为当前路面品质建设的重要目标[2]。


高模量沥青混凝土(high modulus asphalt concrete,HMAC)动态模量高达14GPa,表现出优异的抗车辙、抗疲劳和耐久性[3],成为品质工程建设的可靠路面材料。HMAC温稳定性与动态模量受沥青种类直接影响,分析沥青流变性能可为其选用提供有益参考[4-6]。各国沥青混合料设计方法差异显著,不同级配体系下的HMAC性能差异明显[7],需因地制宜选用。当前HMAC研究主要集中于沥青胶结料、外掺剂的开发及级配调整,从动态模量、路用性能等方面检测其性能效果。Espersson采用低标号硬质沥青制备了HMAC并将其用于机场路面基层,有效减少基层厚度约25%[8]。熊子佳等将硬质沥青与70#石油沥青进行调和,所得改性沥青仍具备较好的抗车辙能力,能承受较高的交通等级[9]。赵毅等在普通70#沥青中掺入高模量添加剂时发现,需改变混合料的制备工艺才能使其疲劳寿命和模量达到更佳状态[10]。调整混合料级配是提高 HMAC路用性能的另一途径。肖倩等开发出了骨架嵌挤型粗粒式高模量混合料,进一步提高了其高温稳定性[11]。但HMAC也 存在着一定缺点。Rys等发现,HMAC用于路面基层时会增加道路在低温条件下开裂的风险[12]。Judycki等将其应用于低温地区时指出,低标号沥青的使用导致路面对低温气候更加敏感[13]。耿韩等建议,在低于-16℃的环境中使用HMAC时,需充分考虑低标号沥青的低温性能[14]。 Montanelli等推荐采用纤维/聚合物复合作为改性剂制备HMAC,以改善路面低温性能[15]。综上,当前学者从沥青性能、制备方式及级配等方面进行了大量HMAC性能优化工作。周骊巍等对高模量沥青混合料动态模量已有研究进行了总结[16]。为进一步揭示HMAC抵抗永久变形的性能及机理,改善并提高其不足之处,需更系统地整理不同种类HMAC的力学与路用性能变化规律,以便后续有针对性地展开深入研究。

 

鉴于此,本文系统梳理国内外高模量沥青混合料相关研究与应用成果,对比欧洲、法国、与 中国HMAC指标相关规范,调查高模量混合料研究动态,将HMAC制备方法归为采用低标号硬质沥青、自调和沥青、聚烯烃类物质等外掺剂制备3类。在此基础上,归纳总结不同种类HMAC的力学性能及路用性能特点,阐明其性能差异,以期为后续研究提供参考,进一步促进品质工程建设。

 


HMAC性能相关规范调查及评价


HMAC性能相关规范调查

20世纪80年代,重载交通的快速增长及道路养护需求不断提高,促使法国寻找一种抗车辙、抗疲劳、长寿命,并能减少路面结构层厚度的道路材料,由此一种特殊的沥青混合料设计方法被提出,其混合料动态模量高达14GPa。经过近十年的研究与应用,法国于20世纪90年代从性能出发分别针对EME(enrobésàmoduleélevé,中下面层或基层用高模量沥青混合料)与BBME(bétonbitumineuxàmoduleelevé,表面层和联结层用高模量沥青混凝土)编著了NFP98-140和NFP98-141规范。其中EME分为EME1、EME2、EME3三种类型,BBME在设计时则被分为3个等级。2种类型的混合料分别适用于不同的路面结构层位。2006年,欧盟提出了针对高模量沥青的标准《Bitumenandbi-tuminous binders-specificationsfor hard paving gradebitumens》(EN13924—2006)。该规范不仅提出了路用硬质沥青基本属性的技术要求,也提供了一些“信息收集属性”(如复数剪切模量、相位角等)用于收集来自于沥青供应商的试验数据,以便开发出能直接与混合料性能相关的沥青技术指标和试验方法,该标准后被EN13924—2015替代。2007年法国发布了NFEN13108-1—2007,此规范替代了原有NFP98-140和NFP98-141。沥青混合料性能试验分为4个等级,每个等级据适用情况而定:水平一为旋转压实、水敏感性;水平二为车辙试验;水平三为劲度模量;水平四为疲劳,后一水平均包含前一水平试验,进行混合料设计时,水平等级高的试验要在低水平试验满足要求后才能进行。


中国各省市及研究单位针对高模量沥青混合料性能进行了大量研究并提出了相关规定。辽宁省质量技术监督局于2009年发布了地方标准《高模量沥青混凝土施工技术规范》(DB21/T1754—2009)(下文简称辽宁规范),从车辙试验动稳定度、低温弯曲破坏应变、水稳定 性、渗水系数等指标规定了HMAC技术要求。山东省住房和城乡建设厅于2012年发布了《城镇道路高模量沥青混合料设计与施工技术规范》(DBJ14-090—2012)(下文简称山东规范)。相比辽宁规范,山东规范增加了对混合料动态模量的检验指标。2017年,中国公路学会发布了《高模量沥青路面施工技术指南》征求意见稿。该指南分别对混合料的力学性能、路用性能、体积参数等做了更详细的规定,并借鉴法国的理念,要求混合料疲劳试验、动态模量试验满足要求才能进行下一系列试验。同时自该指南发布后,中国高模量沥青混合料配合比设计过程开始推荐采用旋转压实法。2018年,中国国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布《道路用高模量抗疲劳沥青混合料》(GB/T36143—2018)(下文简称国标),其指标与中国公路学会推荐指标相近。同年9月,河北省质量技术监督局发布《公路高模量沥青路面施工技术指南》(DB13/T2823—2018)(下文简称河北规范),该规范除上述指标外,进一步提出了车辙变形率,与欧洲规范指标更为相近。


HMAC规范对比及评价

法国高模量沥青混凝土发展非常成熟,其设计方法自成体系,性能试验和评价指标与中国不尽相同。各国在研究HMAC时常参考法国经验,因此,本节以法国NFP98-140、NF P98-141、NFEN13108-1—2007规范为例,国内外各项技术要求对比见表1。




由表1空隙率指标可知,中国规范HMAC设计方法与国外有显著差异。法国标准主要采用旋转压实成型试件,要求旋转压实空隙率不大于6%,试验方法与沥青混合料实际结构及受力情况更接近。中国早期HMAC规范(山东规范、辽宁规范)规定,试件技术指标测试方法为马歇尔方法,空隙率分别规定为4%、3.5%~5.0%。但在新发布的国标与河北规范中指定采用旋转压实成型试件并测定其性能指标。法国早期采用“丰度系数K”的概念,通过限定K值大小以确定沥青用量,NFP98-140规定丰度系数不低于3.4,后于EN13108系列规范中,此概念被转换为对沥青黏结料用量的要求;而马歇尔设计方法则是综合分析多组沥青用量试件的稳定度、流值与体积参数后确定*佳沥青用量,在国标中参考法国标准丰度系数,推荐沥青用量不低于5.2%。


中国早期采用马歇尔设计方法的山东规范、辽宁规范中,性能验证试验主要包括马歇尔试验技术指标、车辙试验动稳定度、低温弯曲破坏应变、水稳定性、渗水系数、动态模量,并在后续规范中增加了对疲劳寿命的要求。法国早期混合料性能指标主要为水稳定性浸水和非浸水的抗压强度比(r/R)、车辙试验3万次相对永久变形、复数模量试验的动态模量及梯形疲劳性能试验验证,并建立回归方程以预估混合料的耐久性 。从表1可知 :高温性能评定时,法国主要采用相对永久变形,要求EME不大于7.5%,BBME高不大于10%;中国则主要采用动稳定度指标,普遍要求其不低于4000次/mm,高要求不低于8000次/mm。此外,法国规范缺乏低温抗裂性能的相关试验与指标,中国规范则将其列为必要指标,并采用低温弯拉应变进行评价,要求在-10℃,125px/min试验条件下,其值不小于1900×10-6~2200×10-6。在动态模量方面,中国规范与法国较为相近,高要求15℃,10Hz条件下,不低于14GPa。


由上可知,中法HMAC技术指标存在显著差异。级配设计时,中国规范参考法国EME级配的设计要求,将法国筛孔通过率转换为符合中国施工技术要求规定,其中EME2级配14型转换后相当于中国公称最大粒径为13.2mm的级配。在混合料设计时,法国采用了“丰度系数K”的概念,转为中国采用的马歇尔设计方法后,则主要从更低沥青用量的角度进行考虑。混合料成型时,中国早期采用马歇尔设计方法,后续推荐旋转压实,但旋转压实成型时,与法国相比中国推荐内部角更大,作用次数更少。此外,在混合料性能测试时,中国也对各试验方法进行了相应的调整:水稳定性试验采用冻融劈裂试验对应法国多列士(DURIEZ)试验;疲劳试验采用四点弯曲对应法国两点弯曲试验;车辙试验采用动稳定度对应法国车辙深度;动态模量试验采用单轴压缩动态模量试验对应法国复数模量试验。值得注意的是,中国水稳定性试验主要采用冻融劈裂强度比(tensilestrengthratio,TSR)表征,而国外则更多采用间接拉伸强度比(indirecttensilestrengthratio,ITSR)。经过系列转换后各试验与中国工程实际更为贴切,更利于HMAC的应用与推广。



国外HMAC性能调查与评价


鉴于法国高模量沥青混合料表现出的优良抗车辙性能,各国开始学习利用此技术,并在引进HMAC时结合本国特点对技术指标进行相应调整。

波兰由于气候比法国更寒冷,且优质硬质沥青供应不足,故引入HMAC时着重修改了混合料结构与沥青等级,如混合料设计时采用了更密实的结构(空隙率2%~4%,法国为6%)、更低动态模量(10℃下达14000MPa,法国为15℃),沥青推荐使用20/30#而非10/15# 或15/25# 。在应用HMAC时,低温开裂成为了波兰亟需解决的问题。Rys等研究指出采用HMAC基层的路面开裂率是常规沥青混凝土基层路面的2.45倍[12]。混合料模量过高易导致开裂破坏,但改善施工工艺可有效避免HMAC路面早期破损[13]。


加拿大引入HMAC后对混合料级配进行了系列优化,基于最大粒径,利用可压缩堆积模型 对EME12.5 与EME19进行了混合料填料等级优化[17]。同时,为使寒冷气候区硬质沥青开裂的风险降低,加拿大学者还对不同类型的改性沥青结合料及其制备的EME混合料流变性能进行了分析,以期开发出更高性能的聚合物改性沥青[18]。

南非在21世纪初引入HMAC以解决沥青路面损坏问题,但在实际应用时,优质低标号沥青产能问题以及法国规范与本国设计参数相关联系如何建立等问题需要进一步解决[19]。


澳大利亚对HMAC与本国相应标准的转换取得了一定成果。其国内生产的硬质沥青满足EN13924—2015规范对高模量结合料的要求,为HMAC的推广奠定了基础。但由于澳大利亚与法国各指标存在明显差异,引进HMAC时结合本地特点对EME级配进行了调整,并选择等效试验方法替代法国试验,具体体现在抗车辙性能采用AGPT/T23规定的车辙试验替代法国大型轮辙试验、动态模量与疲劳试验采用四点弯曲而非两点弯曲等[20]。


西班牙较注重HMAC在极端气候条件下的抗低温开裂能力。为开发适用于恶劣气候地区的长寿命路面材料,Moreno-Navarro等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[21]。

此外,各国引入HMAC后,利用其技术克服本地石料抵抗冲击、磨耗性能较差等缺点同样成为了学者关注的热点。研究表明,利用性能稍差的拉脱维亚弱白云石生产的HMAC也能满足混合料相关性能试验要求[22]。HMAC较好的抗疲劳、车辙和水损坏特性,可作为波兰中部和北部石灰石与沥青黏结强度低而无法充分利用的有利解决方案之一[23]。




由上可知,各国在引入HMAC后对性能试验进行了一定的转换,关注热点聚焦于HMAC低温性能改善与利用HMAC克服石料缺点等方面。为进一步说明国外HMAC研究状况,从性能角度出发,对国外研究动态进行总结与评价。


国外力学性能评价

车轮荷载是一种动态荷载,会对路面施以随时间变化的垂直振动冲击作用以及水平推挤作用,动态模量表征的应力应变响应与路面实际交通荷载状况相符,是评价HMAC力学性能的重要指标。箱形图能简明地表达样本数据的中心与离散特征,能显示样本数据中心、范围、分布等主要特征,故用其进行动态模量数据的归纳与总结。将国外用不同技术途径制备的 HMAC基质沥青比例与动态模量汇总,见图1。




由图1(a)可知,66%的试验采用低标号沥青制备HMAC,34%采用添加外掺剂的形式 制备HMAC。考虑到目前研究应用更广泛的高模量沥青混合料为EME,其本质是由硬质沥青混合而成的热拌沥青,因此国外多采用 EN13924—2015中推荐的低标号沥青制备HMAC。但由于各国硬质沥青工艺进展不同,出于环境、经济及工程考虑,部分地区偏向于采用外掺剂制备HMAC,并加入1.4%高分子聚合物与橡胶纳米复合物(AP-8)、3%~5%低分子量聚合物的混合物(SP)、多官能聚合物体系(PPS)、温室大棚回收塑料(P)等改性剂[24-25],改善其性能。


在评价力学性能时,国外学者参照EN12697-26试验方法,在10℃、20℃、30℃、40℃和0.1、0.5、1.5、10、20Hz加载条件下测试动态模量,绘制出动态模量主曲线分析HMAC性能。由图1(c)可知,国外制备的HMAC在10℃~15℃条件下动态模量均值达15836MPa,在15℃~20℃条件下动态模量均值达10326.5MPa,前者基本满足法国规范NFEN13108-1—2007中15℃、10Hz条件下动态模量不低于14000MPa的要求。


国外HMAC路用性能调查与评价

国外HMAC路用性能主要从抵抗永久变形、抵抗水损坏等方面进行考虑。将国外HMAC路用性能调查结果汇总,见图2。




由图2可知,国外学者在设计HMAC时,油石比在4.75%~5.10%之间,采用4.75%、4.9%、5.1%三者居多,仅2个文献中数据低于4.5%,说明较高的油石比能使混合料获得更优异性能。高温效果评价时主要考虑动稳定度与车辙深度,其中动稳定度合理的分布区 间为7168~8175次/mm。相比动稳定度指标,国外学者认为室内车辙试验应变与现场 性能相关性更高,因此倾向于采用EN12697-22所规定车辙试验判断混合料高温性能,加载次数从1万次到3万次不等。从图2还可看出,国外车辙试验加载1万次后深度的四分位数区间在1.75~2.97mm,变形较小,但上下边缘与四分位数相差较大,各研究成果性能差异明显。研究发现,添加聚合物添加剂可有效改善混凝土模量及抵抗永久变形性能[24],不同研究对添加剂的使用与否及使用种类差异,是导致箱形图中车辙深度上下边缘差距较大的因素之一。此外,水稳定性试验中残留稳定度低为88.06%,表现出良好的水稳定性。多数试验ITSR表现较好,其值集中于86.9%~91.0%,高可达97%以上。而部分试验结果仅为72%~75%,无法满足水稳定性要求,这可能是试验中采用了高黏度改性沥青使 沥青混合料空隙率较高所致[31]。



中国HMAC性能调查与评价


中国高模量沥青混凝土研究主要集中在黏结料的开发与混合料级配优化等方面。考虑到低标号硬质沥青具有较好的高温抗车辙能力,沙爱民等探索了中国产硬质沥青结合料的性能,研究了沥青指标与混合料路用性能之间的联系[34]。但中国沥青产业起步较晚,低标号硬质沥青在产业化生产、质量保证等方面仍存在一定缺陷,因此,采用天然沥青与普通石油沥青调和生产出的低标号沥青成为了制备高模量沥青混合料的有效途径。杨琳研究指出,天然沥青的掺量是调和沥青制备HMAC时的重要影响因素,其高温性能随掺量增大而显著提高,但低温开裂的几率也会进一步增加[35]。中国多采用外掺剂的方式制备HMAC,外掺剂的种类及掺量均会影响混合料性能[36],在应用时应进行室内试验对比优选后确定其*佳掺量。

为进一步说明中国不同途径制备HMAC的性能规律,梳理总结中国研究成果,分别从力学性能及路用性能2个方面对其进行评价。


中国力学性能对比评价

考虑到HMAC在力学方面的特殊性以及在应用中的实际需求,调查了在不同温度(主要包括10℃、15℃、20℃、30℃、40℃、60℃等)和加载频率下(主要包括0.1、0.5、1、5、10、25Hz等)测得的HMAC动态模量值,并利用数理统计原理,分析不同技术途径制备的HMAC动态模量差异。

不同制备方法力学性能对比

将不同途径制备的HMAC在15℃、10Hz条件下的动态模量数据绘成箱形图,见图3。



分析图3可知:采用低标号沥青制备的HMAC动态模量值较小四分位数Q1为17580MPa,中位数Q2为20737MPa,较大四分位数Q3为23893MPa,四分位间距Iqr=Q3-Q1=6313MPa,由Q1与Q3间距可知,该组50%数据处于17580~23893MPa之间,Iqr数据显示其集中程度较低,数据较为分散;采用自调和沥青制备的HMAC动态模量Q1~Q3分别为12954、14995、16916MPa,Iqr为3926MPa;采用外掺剂沥青制备HMAC的动态模量值Q1~Q3分别为12086、16065、17680MPa,Iqr为5594MPa。


由3类HMAC的Q2值可以看出,采用不同方法制备的HMAC动态模量在15℃、10Hz条件下较普通混合料均有很大提高,且均值都达到了法国规范及辽宁规范的要求(≥14000MPa)。对比3类HMAC的Iqr值可知,低标号沥青制备HMAC的数据分散性大,其次为外掺剂沥青制备HMAC。另一方面,采用低标号沥青制备HMAC的箱体明显高于其他2类,虽然其分散性较大,但整体效果仍好于其他2类HMAC。这是由于自调和沥青在技术生产及品质等方面相对不成熟,而多数外掺剂采用干法拌和工艺,通常添加剂熔点大于160℃,拌和时温度较普通沥青混凝土更高,若控制不当便会影响两者性能。


不同加载条件力学性能对比

不同外界条件下HMAC的性能受到广泛关注,研究动态模量随加载频率及温度变化规律有助于分析HMAC对不同交通荷载及气候区域的适用性。为分析加载频率对HMAC性能的影响,统计试验温度为15℃,0.1、0.5、1、5、10、25Hz六个加载频率下的模量数据;考虑温度变化对HMAC性能的影响,试验加载频率为10Hz,10℃、15℃、20℃、30℃、40℃、60℃六个温度条件下其动态模量,见图4。




由图4可知,动态模量与加载频率、温度存在一定相关性,这为HMAC模量预测奠定了基础。在15℃加载温度下,随着加载频率的升高,混合料动态模量显著增大,从0.1Hz时的5779MPa增长至25Hz时的18171MPa,总增幅达3倍。其中加载频率为0.1~0.5Hz及1~5Hz时增幅明显,分别达58%与33.5%。在10Hz加载条件下,随着温度升高,动态模量呈非线性减小,从10℃的17958MPa大幅降低到60℃的2245MPa。但随温度升高其降低幅度有所减缓,其中10℃~20℃段模量降低速率更大,约为-518MPa/℃,当温度升高至40℃后,模量降低幅度平缓至-201MPa/℃。


动态模量随加载频率的升高而升高,说明行车速度提高时混合料模量更好,处于弹性工作 状态;而行驶速度低、频率低,混合料则处于较低模量状态,易发生变形破坏。从图4可知,HMAC即使在0.1Hz下动态模量仍有5779MPa,当频率升至0.5Hz时其已升至9147MPa,说明高模量沥青混合料是重载上坡及车辆停靠区域应用的理想材料。同时,相同加 载频率下,环境温度越高,混合料的动态模量越小,应注重提升混合料模量;当HMAC应用于低温地区时,模量处于较高状态易断裂,应采取相应措施改善其低温性能。由模量随温度变化时斜率减缓规律分析可知,在温度较低时沥青对混合料高温性能影响较大,随着温度继续升高,混合料级配的影响开始突显。因此提升混合料高温性能不仅需要考虑结合料性 能,还应考虑混合料级配的优化。


中国HMAC的路用性能调查与评价

HMAC的高动态模量使其具有优异的力学性能,可有效避免车辙病害发生。然而由于动态 模量试验在中国推广进展尚不理想,在沥青混合料设计阶段,多数研究仍主要依靠车辙试验、低温弯曲试验、疲劳试验等来评价混合料路用性能。本研究调查了中国相关研究HMAC试验数据,并对比分析了不同技术途径制备HMAC的路用性能。


三类HMAC路用性能分析

采用低标号沥青制备HMAC的路用性能调查结果见图5;采用自调和沥青制备HMAC的路用性能调查结果见图6;采用外掺剂制备HMAC的路用性能调查结果见图7。








由图5~图7可知,低标号沥青制备HMAC的油石比四分位数区间为4.10%~4.97%,且 处于4.10%~4.4%范围的数据比较集中。动稳定50%数据分布范围为2110~6450次/mm,处于中位数2838下方的数据较为集中,其整体上表现为倾向Q1值,整体数据分散程度大。极限弯拉应变四分位数区间为1948×10-6~2872×10-6,整体数据较为分散,而其均值点位于中位线以下;说明部分低标号沥青低温性能较差,使用这类沥青将显著影响混合料低温性能。残留稳定度和TSR分布范围分别为86.4%~92.4%和84.3%~88.9%,前者Iqr比后者大,分散性大,但两者都能满足规范要求。疲劳寿命分为应力控制与应变控制2种,应力比测试在0.2、0.3、0.4、0.5四个水平居多,多采用三点、四点弯曲试验;应变水平则测试了130×10-6、160×10-6、190×10-6三个水平,采用两点弯曲试验。当控制应力比为0.2时,疲劳寿命分布为0.9万~3万次;控制应变水平为130×10-6时,疲劳寿命均值大于113万次,满足河北规范中不低于100万次的要求。值得注意的是通常采用两点弯曲试验时考虑应变水平为130×10-6,而采用三点、四点弯曲试验时则常考虑应变水平为200×10-6以上。


自调和沥青制备HMAC的油石比50%数据分布范围为4.35%~4.80%,处于4.35%~4.50%范围的数据较为集中。动稳定度四分位数区间为4870~8115次/mm,处于中位数6069次/mm 下方的数据较为集中,其趋势与低标号沥青HMAC相似。极限弯拉应变四分位数区间为2331×10-6~3648×10-6,数据整体具有对称性。残留稳定度和TSR分布范围分别为90.7%~94.2%和85.4%~90.2%。疲劳寿命多采用三点、四点弯曲试验,在300×10-6、400×10-6、500×10-6应变条件下测试,从300×10-6~400×10-6时曲线斜率更大,降幅更明显,在400×10-6水平下均值能达13万次。


外掺剂制备HMAC的油石比四分位数区间为4.20%~4.90%,中位数以上数据分散程度大,少数值偏大,尾重较大。动稳定度四分位数区间为6838~12651次/mm,中位数9200次/mm 下方的数据分布较为集中,说明大部分外掺剂高温性能相近;而其均值达到11640次/mm,均值点远高于中位线,说明部分种类的外掺剂对混合料高温性能贡献更大,在实际应用时这部分外掺剂以及与之适应的HMAC工艺更值得关注。极限弯拉应变四分位数区间为2238×10-6~2994×10-6,数据整体分布集中于中位数2573×10-6左右,在数据趋势上并未与上述低标号沥青、自调和沥青制备HMAC有较大差异;残留稳定度和TSR分布范围分别为93.7%~96.1%和84.1%~92.9%,后者数据分布比前者分散。疲劳寿命测试条件与低标号沥青相似,分为应力控制与应变控制2类,但采用两点弯曲的试验较少。当控制应力比为0.2时,疲劳寿命为8.5万~23.5万次;应变水平为400×10-6时,疲劳寿命分布在8.3万~19.3万次。


三类HMAC路用性能对比

依据图5~图7数据,作不同技术途径制备的HMAC的油石比及路用性能指标对比,见图8。




分析图8可知:对于油石比,采用低标号沥青制备HMAC的Iqr为0.87%,采用自调和 沥青制备HMAC的Iqr为0.45%,采用外掺剂制备HMAC的动稳定度Iqr为0.7%;低标号沥青HMAC的油石比分布范围很大,外掺剂HMAC的油石比尾重更大,而自调和HMAC的数据分布较为集中。说明在选择低标号和外掺剂制备HMAC时,采用的级配类型可能更加丰富,不同级配对应的油石比差别较大。


对于动稳定度指标,低标号沥青制备HMAC的Iqr为4340次/mm,采用自调和沥青制备HMAC的Iqr为3245次/mm,采用外掺剂制备HMAC的Iqr为5813次/mm;其中外掺剂制备HMAC动稳定度数据集中于6838~12651次/mm 之间,整体效果好于另2种HMAC,然而其Iqr值更大,数据分散性较大。同时从图8(b)可看出,三者中值线及均值点呈上升趋势。低标号沥青HMAC动稳定度低而外掺剂HMAC高,分别达4009、11640次/mm,相差近2.8倍。对于动稳定度而言,外掺剂HMAC更符合山东规范中高模量沥青混凝土要求。其原因可能是低标号沥青HMAC受限于中国硬质沥青生产工艺,同时自调和沥青生产处于探索状态,无法与成品高模量外掺剂媲美。


分析极限弯拉应变指标,采用低标号沥青制备HMAC的Iqr为924×10-6;采用自调和沥青制备HMAC的Iqr为1317×10-6;采用外掺剂制备HMAC的Iqr为756×10-6。从Q2看,自调和沥青HMAC的中位数较其他两者大,但其数据分散性大也更大。低标号沥青HMAC与外掺剂沥青HMAC均值相对较低,分别为2461×10-6与2662×10-6,自调和沥青HMAC弯拉应变更高,达到3009×10-6。总体来说,3类HMAC的低温性能不如高温性能好,仅自调和沥青HMAC表现良好。而其余两者虽能满足前述高模量沥青混合料规范的要求,但考虑中国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)要求时,其低温性能还有待提升。因此在低温环境下应用HMAC需要采取一定措施改善其低温性能。


添加外掺剂制备 HMAC 的残留稳定度、劈裂强度比(TSR)均有微弱优势。残留稳定度与劈裂强度比均能反映混合料的水稳定性,其中低标号沥青HMAC残留稳定度Q1值更低,为86.4%;外掺剂沥青HMAC劈裂强度比Q1值小,但也能达到84.1%,两者均满足各规范中对残留稳定度与劈裂强度比不低于80%的要求。3种技术途径制备的HMAC在此方面相差不大。


疲劳寿命测试方法有多种,主要分为两点弯曲、三点弯曲及四点弯曲疲劳试验。调查的HMAC性能测试中疲劳试验以三点弯曲、四点弯曲为主,控制应力比加载条件时,多数试验测 试了应力水平为0.2~0.4的疲劳寿命;控制应变水平加载条件时,多数试验测试变形为300×10-6~600×10-6时的疲劳寿命。

由图8(e)、图8(f)可知:同等加载条件下外掺剂沥青HMAC的疲劳寿命均值曲线均高于其余两者,在应力比为0.2条件下,外掺剂沥青HMAC疲劳寿命均值达168977次,远高于低标号沥青HAMC的16908次;应变水平为400×10-6时,外掺剂沥青HMAC疲劳寿命均值达146173次,高于自调和沥青的134698次,表现出更好的抗疲劳性能。


综上可知,3类制备工艺下的HMAC低温性能与水稳定性相近,低温性能普遍较差,而其动态模量、动稳定度及抗车辙性表现优异,其中采用外掺剂沥青HMAC高温性能尤为突出。然而HMAC性能随外掺剂种类波动较大,其性能受外掺剂成分、基质沥青组分及拌和施工工艺影响,外部控制因素较多,易受到干扰,实际应用时需在选取高性能外掺剂同时控制好施工工艺。低标号硬质沥青和自调和沥青高温性能稍差但表现相对稳定,其主要影响因素为沥青组分中的沥青质、胶质及其分子结构,控制沥青生产工艺与产品质量可为此2种途径 制备的HMAC性能提供保障。


HMAC低温性能改性效果分析

由于HMAC低温性能表现较差,研究者常采用柔韧性添加剂以改善HMAC低温性能。当前研究结果表明,将聚酯纤维、乙烯-乙酸乙烯脂、胶粉等常用柔韧性添加剂与硬质沥青、高模量外掺剂复配可在不影响高温性能的前提下,有效改善HMAC低温性能[51,63]与疲劳性能[66]。为说明柔韧性添加剂对HMAC低温性能的改善效果,基于图5~图7中弯拉应变数据,将其分为只掺加高模量剂的第1类HMAC和同时掺加SBS、橡胶粉和纤维等辅助改性剂的第2类HMAC,如图9所示。




由图9可知,第1类HMAC极限弯拉应变四分位数区间为2235×10-6~2889×10-6,第2类HMAC极限弯拉应变四分位数区间为2691×10-6~3219×10-6,明显高于第1类HMAC,这说明掺加SBS、橡胶粉和纤维等辅助改性剂后,HMAC的低温极限弯拉应变有明显提升。以两者均值代表其整体水平可知,第1类HMAC弯曲应变 均值仅2581×10-6,而经过改性后第2类HMAC可达3021×10-6,满足了中国现行沥青路面设计规范中冬季严寒区域的要求(不小于3000×10-6)。在混合料中加入上述材料能有效改善HMAC的低温抗裂性能,这为HMAC在冬季寒冷地区的推广奠定了基础。



结语


(1)本文系统整理了法国、欧洲及中国HMAC相关规范与评价指标,对比结果显示:国外推荐旋转压实成型试件,更接近路面真实状态;中国早期规范规定采用马歇尔成型方式,后推荐为旋转压实;性能指标方面,国外倾向于采用车辙深度评价高温性能而中国采用动稳定度指标,且国外较少考虑低温性能试验,中国则普遍将低温弯曲应变纳入了考虑。

(2)国外研究制备的HMAC动态模量均值为15836MPa,油石比范围为4.75%~5.10%,动稳定度、1万次车辙深度分别为7393次/mm、2.34mm,残留稳定度均值达92.18%;中国制备的HMAC动态模量均值范围为15489~20827MPa,油石比、动稳定度、弯拉应变、残留稳定度与400×10-6应变下疲劳寿命均值范围分别为4.48%~4.67%、4009~11640次/mm、2461×10-6~3009×10-6、88.95%~94.50%、134698~146173次,其力学与路用性能随制备途径不同而波动。

(3)分析中国3种技术途径制备的HMAC力学性能可知,力学性能从高到底排序为低标号沥青HMAC、外掺剂沥青HMAC、自调和沥青HMAC,其均值分别为20827、15489、15229MPa。结合动态模量随加载频率变化规律,推荐重载上坡及车辆停靠区域优先考虑采用低标号沥青HMAC。

(4)高温稳定性能从高到低排序依次为外掺剂沥青HMAC、自调和沥青HMAC、低标号 沥青HMAC,其中采用外掺剂制备时其动稳定度均值高达11640次/mm,而低标号沥青制备时仅为4009次/mm。同时考虑到动态模量会随温度升高而大幅降低,高温性能优异的外掺剂HMAC更适用于夏季气候炎热地区。

(5)由于HMAC低温性能普遍较差,易产生低温开裂,采用SBS或橡胶粉等材料改善HMAC低温抗裂性是未来研究的一大方向。此外,鉴于中国低标号沥青发展局限,外掺剂沥青HMAC需进一步开发性能稳定且优异的添加剂材料。

 

文章来源:沥青新视界

参考文献:略

长安大学学报(自然科学版) 2020年01期





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