摘 要： 为应对寒冷地区沥青路面温缩裂缝问题，通过添加高模量剂与使用高标号沥青的方法研究其对沥青混合料路用性能的影响。采用马歇尔设计方法设计了 2 种级配共 6 种沥青混合料，并通过试验评价了沥青混合料的路用性能。试验结果表明：高模量剂的加入能有效提升沥青混合料的高温性能，但显著降低了其低温性能；与普通沥青（90 号）混合料相比，高标号沥青（110 号）混合料的低温性能更为优越，但其高温性能与水稳定性能稍差。
摘 要：
为应对寒冷地区沥青路面温缩裂缝问题，通过添加高模量剂与使用高标号沥青的方法研究其对沥青混合料路用性能的影响。采用马歇尔设计方法设计了 2 种级配共 6 种沥青混合料，并通过试验评价了沥青混合料的路用性能。试验结果表明：高模量剂的加入能有效提升沥青混合料的高温性能，但显著降低了其低温性能；与普通沥青（90 号）混合料相比，高标号沥青（110 号）混合料的低温性能更为优越，但其高温性能与水稳定性能稍差。
关键词: 沥青路面；沥青混合料；路用性能；对比分析
截至 2020 年底，全国公路总里程达 519.81 万 km，公路密度 54.15 km/100 km2，但道路病害也随着道路里程的不断增加而显著攀升。尤其在寒冷地区，温缩裂缝是沥青路面主要的病害之一［1］，沥青路面开裂会导致唧泥、冻胀、翻浆、网裂等次生病害出现，极大降低了道路的路用性能及其使用寿命，并严重影响行车安全性与舒适性［2］。有研究表明［3-5］，沥青路面的温缩裂缝与环境温度、降温速率、面层与基层的厚度及模量值、沥青用量及品质等诸多因素有关。为了应对寒冷地区沥青路面温缩裂缝问题，笔者以添加高模量剂与使用高标号沥青的方法探究其对沥青混合料路用性能的影响。通过马歇尔设计方法进行沥青混合料的配合比设计，并通过路用性能试验评价其路用性能，以期为类似工程提供借鉴与指导。
1 原材料与试验方案
1. 1 原材料
1. 1. 1 沥青
试验所用沥青为 90 号沥青与 110 号沥青，依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其相关性能进行检测，结果见表 1。
1. 1. 2 集料
试验所用集料均为石灰岩质集料。依据 JTGE42—2005《公路工程集料试验规程》对粒径为 4.75～26.5 mm 的粗集料、0.075～4.75 mm 的细集料与 0～0.075 mm 的矿粉进行相关性能测试，结果见表 2～4。
1. 1. 3 高模量剂
试验所用高模量剂为直投式 PR MODULE 高模量剂，其在常温下为深色无味的片状颗粒。PR MODULE高模量剂中的高分子聚合物可以与沥青分子链形成稳定性及强度较高的网络结构，并且能够增强集料与沥青的粘结性，从而提高沥青混合料的模量和高温性能。PR MODULE 高模量剂的基本性能见表 5。
1. 2 试验方案
1）试验所用集料均为公称粒径≤26.5 mm 的天然石灰岩，按加工粒径分为 1 号集料（19～26.5 mm）、2 号集料（9.5～19 mm）、3 号集料（4.75～9.5 mm）和4 号集料（0～4.75 mm），将各档集料进行筛分，结果见表 6。
2）采用 AC-16C 和 AC-25C 分别作为沥青路面的上面层与下面层，根据表 6 中各档集料的筛分结果和 JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》（下文简称《规范》）中配合比设计级配要求，经掺配试算调整后确定 AC-16C 型沥青混合料中各档集料的掺配比例为：9.5～16 mm 集料、4.75～9.5 mm 集料、2.36～4.75 mm 集料、0～2.36 mm 集料、矿粉分别为26%、23%、20%、26%、5%；AC-25C 型沥青混合料中各档集料的掺配比例为：19～26.5 mm 集料、9.5～16 mm 集料、4.75～9.5 mm 集料、2.36～4.75 mm 集料、0～2.36 mm 集料、矿粉分别为 20%、22%、18%、16%、20%、4%。设计级配满足配合比设计要求，级配设计结果见表 7。
3）采用马歇尔设计方法确定出上、下面层沥青混合料的最佳沥青用量分别为 5.2%与 4.2%，上、下面层分别设计 3 种沥青混合料，试验设计方案见表 8。
2 试验结果与讨论
2. 1 高温性能
采用车辙仪在 60 ℃风热恒温、轮压恒载 0.7 MPa条件下对沥青混合料试件（300 mm×300 mm×50 mm）进行高温车辙试验，以动稳定度指标来评价 6 种沥青混合料的高温性能，试验结果见图 1。
由图 1 可知：
1）对于 AC-16C，3 种沥青混合料的高温性能均满足《规范》要求，动稳定度从大到小依次为：C（3 088 次/mm）、A（2 067 次/mm）、B（1 638 次/mm）。添加 0.6‰高模量剂的 C 的抗车辙能力最强，与 A相比，其动稳定度提升了 49.4%，45 min 和 60 min 时的车辙深度分别下降了 25.3%与 26.1%。B 的抗车辙能力最差，与 A 相比，其动稳定度与抗车辙能力均有所下降。
2）对于 AC-25C，3 种沥青混合料的高温性能均满足《规范》要求，动稳定度从大到小依次为：F（4 542 次/mm）、E（1 995 次/mm）、D（1 624 次/mm）。添加 0.6‰高模量剂的 F 的抗车辙能力最强，与 D 相比，其动稳定度提升了 127.7%，45 min 和 60 min 时的车辙深度分别下降了 37.6%与 39.9%。E 的高温性能同样略优于 D，其动稳定度提升了 26.2%，45 min和 60 min 时的车辙深度均下降了约 21%。
3）对于沥青混合料的高温性能，高模量剂的加入使沥青混合料有更高的刚度，其抵抗车轮荷载反复作用的能力得到大幅提升，即高模量剂能够显著提高面层沥青混合料的高温性能［6］。采用不同沥青制备的混合料在不同级配下的高温性能有所不同，这是因为 AC-16C 中 0～2.36 mm 集料要多于 AC-25C，并且 AC-16C 中的沥青用量更高，由于 110 号沥青的软化点较低，当路面温度超过沥青的软化点时，会加剧沥青及沥青胶浆的侧向流动，致使路面在短时间内产生较深的车辙［7］，使 AC-16C 中 B 的高温性能略差于 A。而由于 AC-25C 中的最大公称粒径较大，可以有效增强集料颗粒间的咬合力和内摩阻力，使沥青混合料具有较高的强度与结构承载能力，即E 能够产生较小的塑形变形［8］，因此 AC-25C 中 D的高温性能略差于 E。
2. 2 低温性能
使用 UTM 试验机在－10 ℃条件下对沥青混合料小梁试件（300 mm×30 mm×35 mm）进行低温弯曲试验，以低温弯曲破坏应变指标来评价 6 种沥青混合料的低温性能，试验结果见图 2。
由图 2 可知：
1）对于 AC-16C，沥青混合料的低温破坏应变从大到小依次为：B（2 739×10-6）、A（2 561×10-6）、C（2 515×10-6）。3 种沥青混合料中 B 的低温抗开裂能力最强，与 A 相比，其低温破坏应变提升了 7.1%；C的低温抗开裂能力最差，与 A 相比有略微削弱，但其低温性能不满足《规范》要求（冬寒区低温破坏应变应≥2 800×10-6）。
2）对于 AC-25C，沥青混合料的低温破坏应变从大到小依次为：E（2 485×10-6）、D（2 284×10-6）、F（2 051×10-6）。3 种沥青混合料中 E 的低温抗开裂能力最强，与 D 相比，其低温破坏应变提升了 8.8%；添加 0.6‰高模量剂的 F 低温性能最差，与 D 相比，其低温破坏应变下降了 10.2%，已不满足《规范》中对沥青混合料低温性能的要求。
3）对于沥青混合料的低温性能，由于 110 号沥青比 90 号沥青有较高的延度与较低的温度敏感性［9］，因此使用 110 号沥青制备的沥青混合料在AC-16C与 AC-25C 中均表现出较强的低温抗开裂性能。而C 与 F 的低温性能均有所下降，这是因为当环境温度快速变化，环境温度与路面温度的温差较大时，沥青面层内会形成瞬变的温度应力场，温度应力迅速累积，此时路面极易开裂。而温度应力的峰值与各结构层的模量密切相关，高模量剂的加入使沥青混合料的模量增大，在低温条件下温度应力迅速累积，混合料表现出应力松弛能力不足，使得沥青混合料的低温破坏应变显著降低［10-11］。可见，高模量剂的加入对沥青混合料的低温性能有较大的损伤。
2. 3 水稳定性能
使用马歇尔稳定度仪，通过更换不同压头的方式分别对不同养生条件下的沥青混合料马歇尔试件（直径 101.6 mm、高 64 mm）进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，并以标准马歇尔稳定度、残留稳定度、劈裂强度比指标来综合评价 6 种沥青混合料的水稳定性能，试验结果见图 3。
1）对于 AC-16C，3 种沥青混合料的水稳定性能均满足《规范》要求，与 A 相比，B 的标准马歇尔稳定度、劈裂强度比降幅分别为 14.5%与 2.6%，残留稳定度提升 3.6%；而 C 的标准马歇尔稳定度、劈裂强度比降幅分别为 7.9%、8.5%，残留稳定度提升 2.8%。由此可见，A 的水稳定性能最优，其次为 B，而添加了高模量剂的 C 水稳定性能最差。
2）对于 AC-25C，3 种沥青混合料的水稳定性能均满足《规范》要求，与 D 相比，E 的标准马歇尔稳定度、残留稳定度、劈裂强度比均有略微下降，降幅约为 2%；而 F 的标准马歇尔稳定度、残留稳定度、劈裂强度比均有所提升，其提升幅度分别为 2.3%、3.3%和5.5%。整体而言，3 种沥青混合料的水稳定性能相差不大，其性能从优到劣依次为 F、D、E。
3 结语
通过配合比设计得到了沥青路面上、下面层的各项参数，并对 6 种沥青混合料进行了高温性能、低温性能与水稳定性能试验。试验结果表明，高模量剂的加入能有效提升沥青混合料的高温性能，但显著降低了其低温性能；与普通沥青（90 号）混合料相比，高标号沥青（110 号）混合料的低温性能更为优越，但其高温性能与水稳定性能稍差。因此，在寒区选择高标号沥青（110 号）铺筑沥青路面对提升道路品质、延长道路使用寿命具有重要意义。
参考文献：
