低标号高模量剂在沥青混合料中的应用.pdf

第 1 期吴 强,等.低标号高模量剂在沥青混合料中的应用低标号高模量剂在沥青混合料中的应用吴 强1,晏 应2,卢文银2,(1.江苏宁杭高速公路有限公司,南京 210004;2.江苏现代路桥有限责任公司,南京 210018)采用日期:2023 07 10第一作者:吴强(1989),男,工程师,主要从事高速公路工程研究工作。摘 要:通过高温车辙试验、低温小梁试验、冻融劈裂试验和动态模量试验,研究低标号高模量剂与集料的拌和温度及拌和时间对高模量沥青混合料的动态模量和路用性能的影响。研究结果表明:拌和温度升高,有利于提高低标号高模量剂的改性效果,但存在最佳的温度区间,180190 时,高模量沥青混合料的各项性能满足技术指标,温度高于 190,高模量沥青混合料的性能衰减过快;拌和时间延长,可以提高低标号高模量剂与集料的拌和效果,但时间过长,沥青容易发生老化,影响高模量沥青混合料的性能,推荐低标号高模量剂与集料的拌和时间为 15 s。关键词:高模量剂;高模量沥青混合料;动态模量;拌和温度中图分类号:U416 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2024)01 0041 05Application of Low Grade High Modulus Agent in Asphalt MixturesWU Qiang1,YAN Ying2,LU Wenyin2,(1.Jiangsu Ninghang Expressway Co.,Ltd.,Nanjing 210004,China;2.Jiangsu Xiandai Road&Bridge Co.,Ltd.,Nanjing 210018,China)Abstract:Through high-temperature rutting test,low-temperature small beam test,freeze-thaw splitting test,and dynam-ic modulus test,the influence of mixing temperature and time of low grade high modulus agent and aggregate on the dynam-ic modulus and road performance of high modulus asphalt mixtures is studied.The research results indicate that an increase in mixing temperature is beneficial for the modification effect of low grade high modulus agents,but there is an opti-mal temperature range,at a mixing temperature of 180 to 190,the performance of high modulus asphalt mixture meets the technical indicators,when the temperature is higher than 190,the performance decays too quickly;extending the mix-ing time can improve the mixing effect of low grade high modulus agents and aggregates,but if the mixing time is too long,the asphalt will be easily aged,which will affect the performance of high modulus asphalt mixtures,it is recommended that the mixing time of low grade high modulus and aggregate be 15 seconds.Key words:high modulus agent;high modulus asphalt mixture;dynamic modulus;mixing temperature 随着社会经济的发展,我国机动车保有量持续增加。尤其在高速公路上,日均交通量不断增长,且存在大量的重载车辆,对沥青路面的抗车辙性能提出了挑战。车辙病害关系到高速公路沥青路面的舒适性与安全性,引起了人们的广泛关注1。因此,对具备抗车辙性能的沥青混合料进行研究很有必要2 3。研究表明,高模量沥青混合料可提高沥青路面的整体刚度,进而改善其高温抗车辙性能4 5。高模量沥青混合料最早由法国提出与推广,其因出色的抗车辙和延长沥青路面寿命的性能,一度成为欧洲主导的抗车辙路面材料。英国从 21 世纪开始进行沥青路面耐久性研究,并在沥青路面工程中应用高模量沥青混合料6。在美国,由于重载车辆较多,车辙病害突出,研究人员提出根据受力特点将高模量沥青混合料用于沥青路面的中面层来治理车辙路面7。而我国对高模量沥青混合料的应用起步较晚。高国华等8研究了环保型高模量沥青混合料的多项指标,认为其能满足重载交通的需要。周震宇等9针对高模量沥青混合料,提出了基于马歇尔法的高模量沥青混合料配合比设计指标,并验证了其可行性。第 21 卷 第 1 期2024 年 2 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation Technology Vol.21 No.1Feb.2024现 代 交 通 技 术2024 年然而,在高模量沥青混合料应用中,硬质沥青作为高模量剂在混合料中的抗水稳定性与低温性能存在不满足规范技术要求的情况。本文主要研究低标号高模量剂在沥青混合料中的应用,分析其与集料的拌和温度及拌和时间对高模量沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性能的影响,为其在高速公路中的应用提供参考。1 试验材料与方案1.1 基质沥青高模量沥青混合料由 70#基质沥青与高模量添加剂拌和而成。基质沥青的主要技术指标如表 1 所示,满足公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E202011,下文简称试验规程)10要求。表 1 基质沥青的主要技术指标项目技术要求测试方法针入度(25)/0.1 mm6080T 06042011软化点/46T 06062011延度(5 cm/min,10)/cm15T 0605201160 动力黏度/(Pas)180T 06202000薄膜烘箱加热后残留物质量损失/%0.8T 06102011针入度(25)/0.1 mm 61T 06042011延度(10)/cm6T 060520111.2 低标号高模量剂高模量沥青混合料所用低标号高模量剂的主要技术指标如表 2 所示。表 2 低标号高模量剂的主要技术指标项目技术要求测试方法针入度(25)/0.1 mm5GB/T 45092010软化点/110140GB/T 45072014灰分/%1SH/T 002990熔滴点/100145ASTM D39541.3 高模量沥青混合料粗集料高模量沥青混合料的粗集料应采用质地坚硬、清洁的碎石,并严格控制细长扁平颗粒含量。粗集料的技术要求如表 3 所示。表 3 粗集料的技术要求项目单位技术要求石料压碎值%24洛杉矶磨耗损失%28吸水率%2.0针片状颗粒含量%151.4 高模量沥青混合料的级配高模量沥青混合料的级配要求如表 4 所示。表 4 高模量沥青混合料的级配要求筛孔尺寸/mm各筛孔通过百分率/%筛孔尺寸/mm各筛孔通过百分率/%161001.1822.813.2930.616.69.570.40.310.84.7547.80.159.22.3633.40.0756.51.5 试验方案高模量沥青混合料的制备过程为先将低标号沥青颗粒与集料进行干拌,然后加入 70#基质沥青拌和。在施工试拌时,设置低标号高模量剂与集料的不同拌和时间(5 s、10 s、15 s、20 s、25 s)和不同拌和温度(175、180、185、190、195),并分别取样,进行高模量沥青混合料的室内试验性能研究。2 成型方法与试验方法2.1 成型方法高模量沥青混合料试件采用旋转压实成型方法制作。主要旋转成型条件如下:旋转次数为 80 次,转速为(300.5)r/min,竖向压力为(0.60.018)MPa。成型试件直径为(1500.1)mm。2.2 试验方法2.2.1 车辙试验本文采用车辙试验评价高模量沥青混合料在高温环境下的性能。试验操作按照试验规程中的 T 07192011 进行10,测试 60 时高模量沥青混合料抵抗车辙的能力。评价指标为车辙动稳定度。2.2.2 低温小梁弯曲试验本文采用低温小梁弯曲试验评价高模量沥青混合料在低温环境下的性能。试验温度为-10,利用万能试验机对沥青混合料小梁试件的性能进行测试。评价指标为试件产生破坏时的最大弯拉应变。2.2.3 冻融劈裂试验本文采用冻融劈裂试验评价高模量沥青混合料的水稳定性能。试验操作按照试验规程中的T 07292000 进行。评价指标包括沥青混合料试件的冻融劈裂抗拉强度比和二次冻融劈裂(即经历两次冻融循环)抗拉强度比。24第 1 期吴 强,等.低标号高模量剂在沥青混合料中的应用2.2.4 动态模量试验本文采用动态模量试验评价高模量沥青混合料的性能。试验温度为 15,测试仪器为多功能试验机,加载频率为 10 Hz,评价指标为动态模量数值。3 高模量沥青混合料的性能试验对高模量沥青混合料进行试拌取样,并通过旋转压实成型制作试件,开展室内路用性能试验。主要包括高温性能试验、低温性能试验、水稳定性试验和动态模量试验。3.1 高温性能试验(1)设置拌和时间为 15 s,改变低标号高模量剂与集料的拌和温度。不同拌和温度下高模量沥青混合料的高温性能如图 1 所示。图 1 不同拌和温度下高模量沥青混合料的高温性能由图 1 可以看出,高模量沥青混合料的动稳定度随着拌和温度的升高呈现先增大后减小的趋势。185 时动稳定度最高,达到了 7 137 次/mm,表明此温度下高模量沥青混合料的性能较好。195 时动稳定度最低,为 4 611 次/mm,此时的高温性能最差。本文选用的高温下车辙动稳定度技术指标为6 000 次/mm,可以看出 180190 区间内动稳定度指标均满足技术要求,而在拌和温度为 175 和195 时,高模量沥青混合料的性能不满足要求。分析其原因为,在低温拌和条件下低标号高模量剂与集料混合不充分,因而高温性能较差;而在高温拌和条件下,沥青存在老化行为,对混合料的性能影响较大。(2)设置拌和温度为 185,改变低标号高模量剂与集料的拌和时间。不同拌和时间下高模量沥青混合料的高温性能如图 2 所示。由图 2 可以看出,高模量沥青混合料的动稳定度随着拌和时间的延长呈现先增大后减小的趋势。在拌和时间为 15 s时,动稳定度最高,达到 7 137 次/mm,表明此时高模量沥青混合料的高温性能较好;拌和时间为 5 s时动稳定度最低,为 4 696 次/mm,此时的高温性能最差。参考相应技术指标,可以看出拌和时间为10 s 和 15 s 时,动稳定度指标均满足要求;其他拌和时间下,高模量沥青混合料的高温性能不满足要求。分析其原因为,拌和 5 s 时,低标号高模量剂与集料未充分混合,发生熔融,在与沥青拌和时也存在融合不充分,改性效果不佳,进而影响了高模量沥青混合料的高温性能;当拌和时间为 25 s 时,沥青在与集料拌和的过程中存在老化行为,高温性能降低。图 2 不同拌和时间下高模量沥青混合料的高温性能3.2 低温性能试验(1)设置拌和时间为 15 s,改变低标号高模量剂与集料的拌和温度。不同拌和温度下高模量沥青混合料的低温性能如图 3 所示。图 3 不同拌和温度下高模量沥青混合料的低温性能由图 3 可以看出,高模量沥青混合料的最大弯拉应变随着拌和温度的升高,呈现先增大后减小的趋势。在 185 时,最大弯拉应变最大,达到了2 217,表明此温度下高模量沥青混合料的低温性能较好;在 195 时,最大弯拉应变最小,为1 593,低温性能最差。本文选用的低温下最大弯拉应变的技术指标为 1 800,可以看出 180 190 区间内,最大弯拉应变指标均满足技术要求,而拌和温度175 和195 时高模量沥青混合料的低温性能不满足要求。分析其原因为,在低温拌和34现 代 交 通 技 术2024 年条件下低标号高模量剂与集料拌和不充分,进而与沥青拌和的效果不好,低温性能较差;在高温拌和条件下,温度过高,沥青在与集料拌和过程中存在老化行为,使得混合料的低温性能降低。(2)设置拌和温度为 185,改变低标号高模量剂与集料的拌和时间。不同拌和时间下高模量沥青混合料的低温性能如图 4 所示。图 4 不同拌和时间下高模量沥青混合料的低温性能由图 4 可以看出,高模量沥青混合料的最大弯拉应变随着拌和时间的延长,呈现先增大后减小的趋势。在拌和时间为 15 s 时,最大弯拉应变最大,达到 2 217;在拌和时间为 5 s 时,最大弯拉应变最小,为 1 603,此时的低温性能最差。参考技术指标,可以看出拌和时间为 10 s、15 s 和 20 s 时,低温指标均满足要求。故推荐低标号高模量剂与集料的拌和时间为 15 s。3.3 水稳定性试验(1)设置拌和时间为 15 s,改变低标号高模量剂与集料的拌和温度,测试高模量沥青混合料的水稳定性能(用冻融劈裂抗拉强度比衡量)。为了进一步测试水稳定性能,本节同时计算了二次冻融劈裂抗拉强度比,不同拌和温度下高模量沥青混合料的水稳定性能如图 5 所示。图 5 不同拌和温度下高模量沥青混合料的水稳定性能由图 5 可以看出,随着拌和温度的升高,高模量沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比整体呈现先增大后减小的趋势。在 185 时,冻融劈裂抗拉强度比和二次冻融劈裂抗拉强度比均达到最高,表明此温度下高模量沥青混合料的水稳定性能较好;在195 时,低温性能最差。本文选用的水稳定性能技术指标为冻融劈裂抗拉强度比为 80%,可以看出180190 区间内性能均满足技术要求,同时得到二次冻融劈裂抗拉强度比均在 70%以上,得到相应指标可选用 70%;拌和温度在 175 和 195 时性能不满足要求。分析其原因为,在低温拌和条件下低标号高模量剂与集料拌和不充分,而在高温拌和条件下,沥青存在老化行为,造成混合料的水稳定性能有所降低。(2)设置拌和温度为 185,改变低标号高模量剂与集料的拌和时间。不同拌和时间下高模量沥青混合料的水稳定性能如图 6 所示。图 6 不同拌和时间下高模量沥青混合料的水稳定性能由图 6 可以看出,高模量沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比随着拌和时间的延长,呈现先增大后减小的趋势。在拌和时间为 15 s 时,冻融劈裂抗拉强度比和二次冻融劈裂抗拉强度比均达到最高,表明此时高模量沥青混合料的水稳定性能较好。参考技术指标,可以看出拌和时间为 10 s 和 15 s 时,水稳定指标均满足技术要求;在其他拌和时间下,高模量沥青混合料的二次冻融劈裂抗拉强度比不满足要求。故推荐低标号高模量剂与集料的拌和时间为 15 s。3.4 动态模量试验(1)设置拌和时间为 15 s,改变低标号高模量剂与集料的拌和温度。不同拌和温度下高模量沥青混合料的动态模量如图 7 所示。由图 7 可以看出,随着拌和温度的升高,高模量沥青混合料的动态模量整体呈现先增大后减小的趋势。在 185 时动态模量达到最高;在 195 时动态模量最低,为 11 220 MPa。本文选用的动态模量技术指标为 14 000 MPa,可以看出 180190 区间内,动态模量均满足技术要求;而在拌和温度44第 1 期吴 强,等.低标号高模量剂在沥青混合料中的应用为 175 和 195 时,动态模量不满足要求。分析其原因,可能是低温拌和条件下低标号高模量剂与集料混合不充分。因此推荐低标号高模量剂与集料的拌和温度为 180190。图 7 不同拌和温度下高模量沥青混合料的动态模量(2)设置拌和温度为 185,改变低标号高模量剂与集料的拌和时间。不同拌和时间下高模量沥青混合料的动态模量如图 8 所示。图 8 不同拌和时间下高模量沥青混合料的动态模量由图 8 可以看出,随着拌和时间的延长,高模量沥青混合料的动态模量整体呈现先增大后减小的趋势。在拌和时间 15 s 时,动态模量达到最高;在拌和时间为 5 s 时,动态模量最低。参考技术指标,可以看出拌和时间为10 s、15 s 和20 s 时动态模量均满足技术要求,在其他拌和时间下则不满足要求。分析其原因为,拌和时间过短时,低标号高模量剂与集料拌和不充分。因此推荐低标号高模量剂与集料的拌和时间为 15 s。4 结论本文通过车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验和动态模量试验,探究了高模量剂与集料的拌和时间和拌和温度对沥青混合料性能的影响,得出如下结论:(1)在低标号高模量剂应用于沥青混合料的过程中,提出二次冻融劈裂抗拉强度比指标大于等于 70%,有效对高模量沥青混合料的水稳定性能进行评价。(2)拌和温度升高有利于高模量剂与集料、沥青充分融合,产生良好的改性作用,提高沥青混合料的动态模量与路用性能,但温度超过 190 时混合料性能衰减幅度较大,综合各项性能指标,推荐拌和温度为 180190。(3)拌和时间延长对高模量剂与集料的拌和有明显提升效果,时间过短,拌和不充分,时间过长,沥青存在老化行为,影响高模量沥青混合料的动态模量与路用性能。综合各项性能指标,推荐拌和时间为 15 s。参考文献 1 张志祥,孙文州.沥青混凝土路面车辙病害原因的调查分析与评价J.公路,2004(6):138 145.2 李帆.高模量沥青混合料在公路工程中的应用J.交通世界,2020(9):31 32.3 徐德根,王小虎,张生军.不同高模量 EME 14 沥青混合料路用性能研究J.广东建材,2022,38(10):6 8.4 靳澍.高模量沥青混合料在宁高高速公路改造工程中的应用J.现代交通技术,2014,11(3):19 21.5 夏洋洋.不同高模量外掺剂对沥青混合料路用性能影响的研究D.哈尔滨:东北林业大学,2017.6 苏凯,孙立军.沥青路面车辙产生机理J.石油沥青,2006,20(4):1 7.7 TIMM D H,ROBBINS M M,WILLIS J R,et al.Evaluation of mixture performance and structural capacity of pave-ments utilizing shell thiopave R.NCAT Report 1103,2011.8 高国华,黄卫东,白玉铎.环保型高模量沥青混合料性能试验研究J.公路工程,2017,42(5):18 21,31.9 周震宇,曾峰,郝玮,等.高模量沥青混合料马歇尔法配合比设计指标研究J.公路,2021,66(7):69 75.10 交通运输部公路科学研究院.公路工程沥青及沥青混合料试验规程:JTG E202011S.北京:人民交通出版社,2011.(责任编辑 林景怡 冯道霞)54