文章来源：微信公众号“沥青路面”
引言
高模量沥青混合料的理念来源于法国和美国永
久性路面中的承重层高模量沥青混合料，其目的是改善沥青路面的抗车辙和抗疲劳性能，同时减薄沥青路面厚度，提高耐久性。随着高模量沥青混合料在国省干线交叉口车辙处治和山区高速公路长大纵坡等一系列公路建设工程的成功运用，高模量混合料提高路面结构的坑车辙性能均体现了较好的使用效果，高模量沥青混合料的抗车辙性能得到了业内一致认可。国内获得高模量沥青混合料的技术途径主要有3类:①低标号硬质沥青;②石油沥青掺配天然沥青或抗车辙剂以及将橡胶粉与聚合物改性剂复配，如掺加BRA岩沥青，TLA湖沥青，TLA与橡胶粉复配等;③添加高模量剂，如法国PR.S，PR.M和国产高模量剂等。目前，关于高模量沥青及其混合料的研究主要集中在高模量剂研发，高模量沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳性能的改善，高模量沥青混合料的适用性和作用机理，以及高模量沥青混合料的工厂化生产参数等问题上，而对高模量沥青及其混合料低温性能研究较少，对高温重载作用下高模量沥青混合料高温性能的关注远超过了低温性能。工程实践证明，低温开裂是高模量沥青混凝土路面早期的主要破坏形式之一，低温抗裂性不足是制约高模量沥青混合料在季节性冰冻地区大规模推广应用主要因素，但目前对高模量沥青混合料低温抗裂性缺乏系统研究，还没有形成系统、合理的评价方法及评价指标。此外，由于高模量整体模量较高，抗变形能力较弱，其低温抗裂性能并不明确，加之国内高模量剂质量良莠不齐，高模量沥青混凝土的抗裂性能值得引起更多关注。为此，本文选用国内最常用的四种高模量改性剂，采用BBR、0℃蠕变、低温弯曲、约束试件温度应力和控制应变疲劳试验从不同角度揭示了高模量沥青混凝土低温抗裂性和抗疲劳开裂性能，分析了这几种评价方法的适用性，进而通过抗裂性能试验分析了纤维、橡胶粉、SBR、硅藻土多种改性剂对高模量沥青混合料抗裂性能的改善作用，研究成果对高模量混合料工程实践和推广提供借鉴。
沥青低温抗裂性能试验
试验原料
试验中石化AH－70#中交道路石油沥青，30#硬质高模量沥青，对照组采用shell成品SBS改性沥青，沥青各项指标均满足规范要求。另外选用法国PR.S，PR.M高模量剂，为了组内对比不同高模量沥青抗裂性能优劣，采用BRA岩沥青和国产高模量剂，参考既有研究成果，BRA掺量确定为70#沥青质量的20%，PR.S和PR.M高模量剂掺量为沥青质量的10%、12%，国产高模量剂HMN掺量为沥青质量的8%。
高模量沥青制备及性能试验
采用室内Fluke－FA25高速剪切机以70#基质沥青作为基础沥青生产高模量沥青，生产工艺流程主要包括:将基质沥青加热至165～170℃，分别加入预定质量的BRA、PR.S、PR.M和国产高模量剂，边加入改性剂边匀速搅拌，以便BRA和高模量剂能在短时间内混合均匀避免造成局部温度过低而影响溶胀效率，待改性剂全部掺加完成后，保持试验温度170℃，5500rad/min连续剪切30min后高模量沥青制备完成。
我国现行公路沥青路面施工技术规范采用低温延度评价改性沥青的低温抗裂性能。研究室内试验发现，由于BRA岩沥青中所含的灰分并不能被沥青溶解，灰分大量聚集处于一种不均匀状态，沉淀于针入度试件底部，BRA岩沥青改性沥青中大量矿物质存在，在用湿法工艺进行沥青混合料设计时改性沥青稳定性差，离析问题严重。此外，掺加高模量剂后沥青的脆性增大，低温延度普遍较低，并不能明显区分各种高模量剂的抗裂性能优劣，因此，低温延度试验并不能真实地衡量BRA岩沥青和高模量剂对沥青低温性能的改性效果。按照SHRP提出的基于路用性能的PG分级，采用BBR试验研究BRA和高模量剂改性沥青的低温性能，试验方法参照AASHTOT315相关标准进行。
BBR试验结果表明:以同时满足弯曲劲度模量小于300MPa，蠕变斜率大于0.3作为判别标准，劲度模量越大，蠕变斜率越小沥青的应力松弛性能越弱，低温抗裂性能越差，确定表2各改性沥青的低温分级性能由好到劣依次是SBS＞AH－70#＞10%PR.S＞10%PR.M＞30#＞20%BRA，可见掺加四种高模量剂均对沥青的低温性能有不利影响。分析高模量剂对沥青低温性能的影响机理，将BRA岩沥青加入70#沥青中，由于灰分具有很强的吸附性，使得基质沥青的胶束破裂，胶体结构被打散，高温作用下岩沥青与基质沥青重新填充、饱和，形成一种全新的胶体结构，沥青结构由溶胶型转变为凝胶型，劲度增大，抗变形能力减弱，低温性能降低，而PR.S和PR.M等高模量剂一般难溶于沥青，加入高模量剂后改变了沥青的流变特性。
高模量沥青混合料组成设计
根据0～3mm(石灰岩)、3～5mm(石灰岩)、5～10mm(玄武岩)、10～20mm(玄武岩)4档集料筛分试验结果，试验采用AC－16C型级配，以混合料合成级配最接近现行施工规范工程级配范围中值为原则。
按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40－2004)的要求，采用马歇尔法进行高模量沥青混合料的配合比设计。BRA、PR.M、PR.S，HNM共4种高模量剂以干法工艺添加，由于高模量剂对沥青混合料增粘、改性作用主要发生在混合料拌合过程中，集料的加热温度、混合料拌合温度以及混合料拌合时间对高模量剂改性效果的发挥起着决定性作用，通过方差分析研究混合料拌合温度和搅拌时间对高模量沥青混合料高温性能的影响最终确定集料加热温度为195～200℃，基质沥青加热温度为165～170℃。4种高模量剂与集料的干拌时间为90s，混合料拌合时先将预定质量的PMR改性剂和集料一起干拌90s，使其在矿料中充分融化、分散均匀，最后再加入70#基质沥青，拌合60s，最后加入矿粉，拌合60s，总拌合时间为3.5min。
试验结果表明:马歇尔法确定的最佳沥青用量条件下的高模量沥青混合料各项体积指标和力学性能均满足规范要求，其中30#、8%PR.S、10%PR.M、HNM、20%BRA共4种高模量沥青混合料的模量满足大于14000MPa的要求。
高模量沥青混合料低温抗裂性
试验方法与试验方案
目前关于沥青混合料抗裂性评价方法有低温弯曲蠕变试验、约束试件温度应力试验、收缩系数试验、低温SCB试验、低温等应变加载破坏试验(压缩试验、弯曲试验、拉伸试验)、低温三分点J积分试验等。研究表明，抗裂强度、抗变形能力(收缩性能)和低温应力松弛能力是影响沥青混凝土的抗裂性能的3个重要参数。抗拉强度和抗变形能力越强，混合料破坏时需要的能量越大，所能承受极端最低气温越低，低温应力松弛能力越强，低温环境温度产生的荷载应力能够得到及时释放，抵抗低温疲劳作用的能力越强。大量研究成果表明，低温弯曲试验与沥青路面开裂时的能量积累、能量释放过程比较吻合，现场芯样验证采用低温蠕变试验作为沥青混合料的低温评价指标是可靠的，且该法试验简单，能适应不同品种沥青混合料。沥青混合料具有储存能量的能力，储存能量越大其抵抗低温破坏的能量越强，评价沥青混合料的抗裂性应以能力为基准，J积分理论可以定量描述车辆荷载和低温环境温度作用下沥青混合料应力应变场强度，约束试件温度应力试验(冻断试验)能模拟环境温度变化，试件受力明确，可用来预估沥青混合料能够承受的极端最低气温。
低温弯曲试验
低温开裂是沥青混凝土路面主要的破坏形式之一，严重影响了道路的使用寿命。按照现行施工技术规范要求采用低温弯曲试验评价高模量沥青混合料的低温抗裂性，《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)的要求成型车辙板，切割为30mm×35mm×250mm的小梁试件，试验温度为－10℃，试验时采用单点加载方式，支点间距200mm，加载速率为50mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以破坏应变和破坏应能指标综合评价高模量沥青混合料的低温抗裂性能。
低温试验结果表明:相比AH－70基质沥青混合料，使用低标号沥青和高模量改性剂后沥青混合料的低温抗弯拉强度增大，最大弯拉应变减小，破坏应变能减小，可见低标号沥青和高模量剂会对沥青混合料的低温性能产生不利影响，这与BBR试验结果相吻合，高模量剂类添加剂对沥青混合料低温性能的不利影响主要与添加高模量剂后沥青混合料劲度模量增大，释放荷载应力的能力减弱等因素有关。以弯曲应变和单位体积破坏应变能作为评价指标，7种沥青混合料的低温抗裂性能由优到劣依次是SBS≥AH－70#＞20%BRA＞10%PR.M＞8%PR.S＞HNM＞30#，20%BRA、10%PR.M、8%PR.S和HNM4这4种高模量沥青混合料的最大弯拉应变均小于2800με，不满足现行施工规范JTGF40－2004冬严寒区弯拉应变技术指标要求，按照现行施工技术规范要求低温抗裂性不足是制约高模量沥青混合料在冬严寒区推广应用的技术瓶颈。
约束试件温度应力试验
约束试件温度应力试验(冻断试验)是在固定小梁试件两端距离不变的条件下，在环境箱内以一定的降温速率模拟沥青路面温度的变化，直至试件断裂，以试件断裂时的极限最低温度、温度－应力曲线的转折点温度和冻断温度等指标评价沥青混合料的低温性能。冻断试验按照SHRP试验方法进行，试验时成型车辙板，切割尺寸为240mm×40mm×40mm小梁试件，降温速率为20℃/h。
约束试件温度应力试验结果表明:与低温弯曲试验结果相类似，掺加高模量剂后沥青混合料的冻断应力降低，断裂温度升高，转折点温度升高。温度应力曲线斜率增大，冻断应力越大，试件破坏时需要的力越大，其低温抗裂性越好，而断裂温度和转折点温度越低，沥青混合料的低温抗裂性越好，温度应力曲线斜率越大，沥青混合料低温应力松弛越快，短时间内释放的温度应力越大，混合料低温抗裂性越差。由此可知，使用低标号沥青和掺加BRA、高模量剂后沥青混合料的抵抗低温抗裂性能越差，且低温应力释放能力越差，这与低温小梁弯曲试验结果相一致。以冻断试验的冻断强度、转折点温度、温度应力曲线斜率综合评定高模量沥青混合料的低温抗裂性能，SBS＞AH－70#＞20%BRA＞10%PR.M＞8%PR.S＞HNM＞30#。
高模量沥青混合料抗裂性改善措施
从本文低温弯曲和冻断试验结果来看，掺加BRA、使用低标号沥青、高模量剂后混合料低温抗裂性降低，低温抗裂性不足是制约高模量沥青混合料大面积推广应用的主要技术瓶颈，本文将通过掺加添加剂来改善高模量沥青混合料的低温性能，参考已有研究成果，试验选用的添加剂有木质素纤维、玄武岩纤维、橡胶粉、硅藻土、SBR改性剂。选用的这5种改性剂其技术指标均满足规范要求，经室内初步研究，并结合已有研究成果，5种添加剂的掺量分别为木质素纤维3‰(占集料质量的百分比)、玄武岩纤维3‰(占集料质量的百分比)、橡胶粉18%(占沥青质量百分比)、硅藻土13%(占沥青质量的百分比)、SBR改性剂4%(占沥青质量的百分比)。采用马歇尔法确定掺加添加剂后PR.M高模量沥青混合料的最佳沥青。
掺添加剂的高模量沥青混合料低温抗裂性
采用低温弯曲和冻断试验评价高模量沥青混合料的低温抗裂性，低温弯曲试验方法严格按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》执行，冻断试验按照SHRP试验方法进行。
低温弯曲和冻断试验结果表明:掺加添加剂后高模量沥青混合料低温性能显著提高，5种添加剂高模量沥青混合料抗弯拉强度和弯拉应变由大到小依次是:3‰玄武岩纤维＞4%SBR改性剂＞3‰木质素纤维＞13%硅藻土＞18%橡胶粉，冻断温度、转折点温度和温度应力曲线斜率试验结果由优到劣也有类似变化趋势。其中掺加木质素纤维、玄武岩纤维和SBR改性剂后高模量沥青混合料弯拉强度大于3000με，满足规范所有气候分区内低温抗裂性要求，掺加硅藻土后弯拉强度大于2800με，满足冬寒区抗裂性要求，而橡胶粉对高模量混合料低温性能的改善效果稍差。因此，为了改善高模量沥青混合料的低温技术缺陷，需通过掺加添加剂以改善其低温抗裂性，纤维对高模量沥青混合料低温抗裂性改善效果最好，而橡胶粉改善效果最差。
掺添加剂的高模量沥青混合料抗疲劳性能
沥青路面抗裂性不足主要表现在低温开裂和疲劳开裂，高模量沥青混合料通常作为高速公路的中下面层和柔性基层使用，随着高模量沥青混合料在国省干线、高速公路等重载交通道路大面积推广应用，高模量沥青混合料的抗疲劳开裂能力需引起足够的重视。通常采用间接拉伸疲劳试验和小梁弯曲疲劳试验研究沥青混合料的抗疲劳性能，加载方式以控制应力加载为主，这种加载方式疲劳寿命往往不超过几十万次，数据离散性大，且与路面结构实际受力状况相差较大。研究表明，在应变控制疲劳试验过程中，沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况，而沥青层底拉应变也是计算路面结构厚度的重要控制指标之一。本文采用四分点控制应变疲劳试验研究高模量沥青混合料的抗疲劳耐久性。试件尺寸为400mm×50mm×63mm，试验温度为15℃，采用控制应变加载模式，应变水平为100、200、300、400με，疲劳试验在UTM液压疲劳机上进行。
试验结果表明:掺入添加剂对高模量沥青混合料疲劳寿命有很大的提升，掺加6种添加剂后高模量沥青混合料疲劳寿命均显著提高，尤其是掺加木质素和玄武岩纤维后疲劳寿命增加幅度更加明显。相同应变水平下，疲劳寿命由大到小依次是:玄武岩纤维＞木质素纤维＞SBR改性剂＞橡胶粉＞硅藻土。
实体工程运用
本课题结合2013年陕西省国省干线大中修工程，铺筑了4km木质素纤维+0.6%PR.M改性沥青AC－16C、玄武岩纤维+0.6%PR.M改性沥青AC－16C、橡胶粉+0.6%PR.M改性沥青AC－16C、硅藻土+0.6%PR.M改性沥青AC－16C高模量沥青混合料，厚度为4cm，每种改性剂试验路段长度为1km，对比组采用4cm厚0.6%PR.M改性沥青AC－16C。工程实践证明，采用PR.M和纤维、橡胶粉、硅藻土复合改性沥青混合料的生产不需要对传统的拌合楼进行改造，现场检测压实度、平整度等各项指标均符合设计要求，通过长达近3a的试验路检测，PR.M高模量改性沥青混合料路段有少量横向裂缝，掺加木质素纤维、玄武岩纤维、硅藻土路段目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，可见掺加添加剂后复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。
结论
①基于低温弯曲和受限试件温度应力试验研究了添加BRA、高模量改性剂、低标号沥青3类技术途径的高模量沥青混合料的低温抗裂性能，受限试件温度应力试验数据离散性小，试件受力明确，可用于评价高模量沥青混合料的低温抗裂性。三分点控制应变疲劳试验数据稳定，与高模量沥青混凝土路面实际受力环境较为接近，可用于评价高模量沥青混合料的抗疲劳性能。
②BBR和高模量沥青混凝土低温性能试验结果表明，掺加高模量剂后沥青混凝土的低温抗裂性下降，低应变水平下的抗疲劳开裂性能略有提高，低温抗裂性不足是制约冬严寒和寒冷区高模量沥青混凝土大范围推广应用的技术瓶颈，工程实践中需要添加添加剂以改善高模量沥青混合料低温抗裂性。
③添加木质素纤维、玄武岩纤维、橡胶粉、硅藻土、SBR改性剂均能改善高模量沥青混合料的低温抗裂性，提高混合料的抗疲劳耐久性，其中玄武岩、木质素纤维对高模量沥青混合料低温开裂和抗疲劳性能改善效果最好，而BRA岩沥青的改善效果最差，建议优先采用玄武岩纤维来改善高模量沥青混凝土的抗裂性能。
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