劉合鋒，田周義，許 輝，寇小舟，韓 森

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064;2.甘肅省公路局，蘭州 730000)

0 引 言

瀝青路面因具有良好的行車舒適性和低噪聲特性，在已建或在建高等級公路中其比例高達(dá)90%以上。我國高等級瀝青路面的設(shè)計壽命為15年，但是隨著交通量的快速增長以及極端天氣的影響，許多瀝青路面在運營后不久即出現(xiàn)車轍、坑槽、裂縫等病害[1]，這不僅增加了道路維修養(yǎng)護的成本，造成資源浪費，同時也會降低行車舒適性和道路通行能力，影響行車安全。如何在不改變路面結(jié)構(gòu)的前提下，經(jīng)濟高效地提高瀝青混合料的路用性能，延長道路使用壽命，是當(dāng)前的一項重要任務(wù)。

提高瀝青混合料路用性能的方式主要分為兩大類，一是對瀝青改性(濕拌法)，二是直接對瀝青混合料改性(干拌法)。改性瀝青技術(shù)的發(fā)展已有百年歷史，國內(nèi)外學(xué)者研究了各種改性材料，但真正能在工程中得到推廣實踐的卻很有限。比較突出的瀝青改性劑有：熱塑性丁苯橡膠(SBS)、丁苯橡膠(SBR)、聚乙烯(PE)等。胡楊[2]通過研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青混合料摻入5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))SBS改性劑后，動穩(wěn)定度提高近6倍，低溫彎拉應(yīng)力提高約60%；姚歡等[3]采用SBS、廢膠粉(WTR)和廢塑料(EVA)對基質(zhì)瀝青進行改性，結(jié)果表明SBS改性瀝青高溫性能最強，EVA改性瀝青最弱；Azam等[4]研究指出聚合物產(chǎn)品或蠟作為改性劑有助于改善路面性能；張永輝[5]研究了SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青，指出SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性更好，而橡膠粉改性瀝青混合料的低溫性能和溫度敏感性更好。與單一改性技術(shù)相比，復(fù)合改性技術(shù)通過優(yōu)勢互補而具有較為明顯的綜合優(yōu)勢。張爭奇等[6]通過試驗證明基于熱塑性丁苯橡膠-聚氨酯(SBS-PU)復(fù)合改性瀝青混凝土，比SBS、PU單一改性瀝青混凝土有更好的高溫性能和抗疲勞性能；Ezzat等[7]認(rèn)為聚氯乙烯-熱塑性丁苯橡膠(PVC-SBS)復(fù)合改性瀝青混凝土的耐久性、抗車轍能力及抗疲勞開裂能力比單一改性更優(yōu)；王笑風(fēng)等[8]通過研究指出硫化橡膠粉和SBS復(fù)合改性效果更好。雖然改性瀝青技術(shù)制備的瀝青混合料路用性能較好，但是由于瀝青與改性劑之間并未發(fā)生明顯的化學(xué)作用，僅僅依靠微弱的界面作用聯(lián)結(jié)，因此受工藝、設(shè)備的影響較大，此外瀝青與改性劑相容性不佳、改性瀝青儲存穩(wěn)定性不良且SBS實際添加量不易控制等原因，使改性瀝青應(yīng)用效果不盡如人意[9]。

如采用干拌法直接對瀝青混合料改性，就能很好地解決濕拌法的局限性。抗車轍劑作為一種有效抵抗車轍減輕路面損害的措施，已被廣泛研究及應(yīng)用。國外研究起步較早，代表產(chǎn)品有德國RUB公司生產(chǎn)的Duroflex、美國的路孚8000抗車轍劑、法國PRI公司生產(chǎn)的PR PLAST.S等。韋洪峰[10]通過試驗研究指出Duroflex改性瀝青混合料高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料；敖清文等[11]通過研究指出，摻加0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))路孚8000抗車轍劑的瀝青混合料在路用性能和經(jīng)濟性方面均優(yōu)于普通SBS改性瀝青混合料；賀鵬宇[12]研究了PR PLAST.S對高模量瀝青混合料高溫性能的影響，給出了PR PLAST.S的合理摻量；馬峰等[13]研究了不同工況下PR PLAST.S對瀝青混合料的影響，指出濕拌法改性效果明顯優(yōu)于干拌法。而國內(nèi)發(fā)展時間尚短，目前市面上的抗車轍劑種類繁多,價格較低，有的價格甚至只有國外產(chǎn)品價格的1/3～1/4[14]，能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但是低溫抗裂性和水穩(wěn)定性往往有所降低，對于瀝青路面整體性能的提升效果并不理想。

補強劑作為近幾年新興的一種瀝青混合料改性劑，以全面提高瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性而得名，在陜西、甘肅等地部分工程施工中表現(xiàn)出不俗的效果。然而目前關(guān)于補強劑的研究尚少，對于其具體的作用效果及內(nèi)在作用機理缺乏科學(xué)認(rèn)知。因此，本文以驗證補強劑對瀝青混合料的作用效果為目的，將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的補強劑(0%、0.2%、0.35%、0.5%)加入AC-13瀝青混合料中，從高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性等方面對補強劑的路用性能進行驗證，分析補強劑的作用機理，同時將摻補強劑的瀝青混合料與摻某國產(chǎn)抗車轍劑A及SBS改性瀝青混合料從路用性能、成本、工法等方面進行綜合比較，并結(jié)合試驗路使用情況對補強劑進行分析評價。

圖1 補強劑

1 實 驗

1.1 原材料

采用的瀝青為SK70#-A級瀝青，其針入度(0.1 mm)、軟化點、10 ℃延度分別是69.8、47.5 ℃、>100 cm；采用的粗集料和細(xì)集料均是閃長巖，礦粉為石灰?guī)r。瀝青與集料的技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[15]中的規(guī)定。采用的補強劑外觀形態(tài)如圖1所示，主要的物理指標(biāo)如表1所示。本文中摻量未經(jīng)特別說明，%均代表質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即改性劑質(zhì)量與瀝青混合料總質(zhì)量的比值(%)。

表1 補強劑物理技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗內(nèi)容及方法

1.2.1 瀝青混合料設(shè)計

圖2 AC-13混合料集料級配

采用AC-13瀝青混合料，集料級配如圖2所示。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[16]進行馬歇爾試驗，最終確定最佳油石比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%。

1.2.2 瀝青混合料制備

基質(zhì)瀝青混合料參照規(guī)定的試驗方法進行拌合制備。嚴(yán)格控制摻加補強劑的瀝青混合料的拌合過程，根據(jù)前期試驗對加熱溫度、摻料順序及拌合時間的優(yōu)化，最終確定按如下方法制備：

(1)加熱集料與瀝青。將集料在180～190 ℃恒溫烘箱內(nèi)加熱4 h，瀝青在160～170 ℃恒溫烘箱內(nèi)加熱1 h。

(2)拌合。分為三個階段，首先將集料與設(shè)計劑量補強劑投入恒溫180 ℃的攪拌鍋內(nèi)攪拌90 s，然后加入基質(zhì)瀝青拌合90 s，最后再加入礦粉拌合90 s。

(3)制件。參照規(guī)定的試驗方法制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件與300 mm×300 mm×50 mm板狀試件，成型試件在室溫下放置24 h后測試其各項路用性能。

1.2.3 路用性能試驗

(1)高溫性能

采用車轍試驗驗證補強劑(0%、0.2%、0.35%、0.5%)對瀝青混合料高溫性能的影響。按照規(guī)定的試驗方法成型試件，分為4組，每組5個試件，采用車轍深度和動穩(wěn)定度2個評價指標(biāo)。

(2)低溫性能

采用低溫彎曲試驗驗證補強劑(0%、0.2%、0.35%、0.5%)對瀝青混合料低溫性能的影響。試件為按照規(guī)范成型的板狀試件切制而成的棱柱體小梁(長(250±2.0) mm、寬(30±2.0) mm、高(35±2.0) mm)，分為4組，每組5個試件，采用試件破壞時的抗彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變2個評價指標(biāo)。

(3)水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗驗證補強劑(0%、0.2%、0.35%、0.5%)對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果。浸水馬歇爾試驗按規(guī)定的試驗方法成型試件，分為4組，每組8個試件，其中4個試件浸水48 h作為試驗組，另外4個不浸水作為對照組，測算浸水后馬歇爾試件殘留穩(wěn)定度指標(biāo)；凍融劈裂試驗按照規(guī)范要求成型試件，分為4組，每組8個試件，其中4個試件進行凍融循環(huán)作為試驗組，另外4個不進行凍融循環(huán)作為對照組，測算經(jīng)過凍融后試件的凍融劈裂強度比指標(biāo)。

(4)漢堡車轍試驗

采用漢堡車轍試驗(HWTD)進一步研究瀝青混合料在高溫、動水及動荷載條件耦合作用下的破壞效應(yīng)，驗證補強劑對瀝青混合料路用性能的影響。借鑒已有研究成果[17-20]，確定漢堡車轍試驗的試驗條件如表2所示。

表2 漢堡車轍試驗的實驗條件

1.2.4 綜合性能對比

根據(jù)以上路用性能試驗優(yōu)選出補強劑最佳摻量后，從路用性能、工法、成本等角度對補強劑、SBS及某國產(chǎn)抗車轍劑A進行綜合比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫性能試驗

圖3為不同摻量補強劑瀝青混合料車轍試驗結(jié)果，動穩(wěn)定度值計算方法參照規(guī)范JTG E20—2011[16]和JTG D50—2017[21]。根據(jù)張爭奇等[6]的研究結(jié)果，前者得出的穩(wěn)定度值準(zhǔn)確度低，而后者能有效避免儀器精度造成的誤差從而提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此增補后者計算方法。

由圖3可知，盡管兩種計算方法得出的動穩(wěn)定度值差別較大，但是兩者結(jié)論基本一致。在相同的礦料級配與油石比下，隨著補強劑摻量的增加，瀝青混合料的車轍深度呈減小趨勢，動穩(wěn)定次數(shù)(DS)呈增大趨勢，試驗結(jié)果表明摻入補強劑能顯著提高AC-13瀝青混合料的高溫抗車轍性能。其作用機理可分為以下三部分：高溫拌合時，呈黏流態(tài)的補強劑裹附在集料表面，改善了瀝青與集料的黏附性；在室內(nèi)擊實或施工碾壓時，可塑狀態(tài)下的補強劑在外力作用下形成各種形態(tài)填充于混合料間隙內(nèi)，提高了混合料整體性與抵抗變形的能力；施工完畢后，補強劑逐漸結(jié)晶硬化并維持壓實后的形態(tài)，其形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)限制了集料顆粒的相對滑動，從而使瀝青混合料高溫抗車轍性能顯著提高。

圖3 不同摻量補強劑瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

圖4 不同摻量補強劑瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果

2.2 低溫性能試驗

圖4為不同摻量補強劑瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果。由圖4可知，在相同的礦料級配與油石比下，隨著補強劑用量的增加，瀝青混合料的抗彎拉強度與破壞應(yīng)變逐漸增大，這表明瀝青混合料的低溫性能得到改善。這是由于：一方面，補強劑中低交聯(lián)度聚合的高吸油性高分子材料形成的三維交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有一定的微孔，冬季溫度降低時瀝青硬化，其通過范德華力對油分的束縛作用，使油分很難釋放，從而減少了裂縫的產(chǎn)生；另一方面，當(dāng)裂縫擴展到補強劑變形體與瀝青膠漿界面時，界面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力對裂縫的擴展起到約束作用。當(dāng)摻量超過0.35%時，補強劑對低溫性能的改善效果呈減弱趨勢。

2.3 水穩(wěn)定性試驗

2.3.1 浸水馬歇爾試驗

首先采用浸水馬歇爾試驗的殘留穩(wěn)定度指標(biāo)來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，隨補強劑摻量的提高，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值有小幅度提升，同時穩(wěn)定度逐漸增大。這是由于：一方面，補強劑在拌合過程中處于黏流狀態(tài)，增大了瀝青的黏度，同時裹附于集料表面，從而提高了瀝青與集料間的黏結(jié)力；另一方面，呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的補強劑變形體在瀝青混合料中起到嵌擠及填充作用，提高了混合料的整體性，從而使水穩(wěn)定性得到改善。

2.3.2 凍融劈裂試驗

采用凍融劈裂試驗，測定試件在受到水損害前后劈裂破壞強度的變化，進一步評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，隨補強劑摻量的提高，瀝青混合料的凍融劈裂強度比(TSR)有由明顯提升。試驗結(jié)果表明，補強劑的摻入能起到改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的作用，這與浸水馬歇爾試驗結(jié)果一致。同時可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻量超過0.35%時，補強劑對水穩(wěn)定性的改善效果呈減弱趨勢。

圖5 不同摻量補強劑瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果

圖6 不同摻量補強劑瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

2.4 漢堡車轍試驗

采用漢堡車轍試驗(HWTD)進一步評價瀝青混合料在高溫、動水及動荷載條件耦合作用下的路用性能，漢堡車轍試驗車轍深度隨加載次數(shù)變化曲線如圖7所示。通常用車轍深度和蠕變速率(creeping slope)來評價瀝青混合料的高溫性能，車轍深度和蠕變速率越大表明瀝青混合料的高溫性能越差；用剝落反彎點(SIP)和剝落速率(stripping slope)來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，剝落反彎點越小，剝落斜率越大，說明瀝青混合料的水穩(wěn)定性越差。

4種瀝青混合料的漢堡車轍試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，基質(zhì)瀝青混合料的車轍發(fā)展較快，碾壓次數(shù)還未達(dá)到20 000次就達(dá)到了最大車轍深度20 mm，而摻入補強劑后瀝青混合料碾壓次數(shù)均達(dá)到了20 000次，因此難以用車轍深度統(tǒng)一評價。另外在選取剝落反彎點時，通常是依靠經(jīng)驗人為劃分曲線中的蠕變和剝落部分，其準(zhǔn)確性易受到人為因素干擾；同時在計算蠕變斜率和剝落斜率時，采用計算法和回歸法得到的結(jié)果并不一致。為了提高計算精度，借鑒栗培龍等[19]的研究成果，采用車轍變形率指標(biāo)取代最大車轍深度和蠕變斜率來評價瀝青混合料的高溫性能，計算公式見式(1)；借鑒Yin等[22]的研究成果，采用擬合法計算剝落反彎點和剝落斜率值來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，擬合公式見式(2)，剝落反彎點按式(3)計算，剝落斜率即剝落反彎點至最大車轍深度時曲線的斜率。計算結(jié)果如表3所示。

rRD=dRD/t

(1)

式中：rRD是車轍變形率，mm/h；dRD是最大車轍深度，mm；t為車輪碾壓時間，h，t=n/(52×60)，其中52是漢堡車轍車輪1 min往返碾壓次數(shù)，52×60是漢堡車轍車輪一小時往返碾壓次數(shù)，n為達(dá)到最大車轍深度時的碾壓次數(shù)。

圖7 漢堡車轍試驗車轍深度隨加載次數(shù)變化曲線

圖8 不同摻量補強劑瀝青混合料漢堡車轍試驗結(jié)果

(2)

式中：NLC為車輪碾壓次數(shù)；dLC為車輪碾壓次數(shù)對應(yīng)的車轍深度；Auit、ρ、β為模型參數(shù)。

(3)

式中：NSN為剝落反彎點對應(yīng)的碾壓次數(shù)，即剝落次數(shù)。

表3 漢堡車轍試驗計算及曲線擬合結(jié)果

由表3可知，隨著補強劑摻量的提高，車轍變形率逐漸減小，與未摻加補強劑的瀝青混合料相比，摻加0.2%、0.35%、0.5%補強劑分別使車轍變形率減小了48.6%、59.2%、61.9%，說明補強劑的摻入提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能。隨著補強劑摻量的提高，剝落反彎點逐漸增大而剝落斜率逐漸減小，說明瀝青混合料的水穩(wěn)定性逐漸提高。同時也可以看出，補強劑摻量由0.35%增加至0.5%時，車轍變形率、剝落反彎點和剝落斜率三個評價指標(biāo)變化均不大，這說明補強劑摻量存在一個合理值，當(dāng)超過該值后繼續(xù)增加摻量對瀝青混合料性能的提升作用不顯著，這與低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗等結(jié)果相一致。因此，綜合考慮路用效果與施工成本，推薦補強劑摻量為0.35%。

2.5 綜合性能對比

選擇抗車轍劑A及燕山石化生產(chǎn)的SBS改性劑分別對基質(zhì)瀝青混合料進行改性，與補強劑使用效果進行對比。借鑒孫國偉[23]的研究成果，抗車轍劑A的摻量選為0.4%，SBS改性劑的摻量選為5%?？管囖H劑A及補強劑在混合料拌合時投入，SBS改性劑與瀝青通過高速剪切機制成SBS改性瀝青后拌制瀝青混合料。3種瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果及成本、工法對比見表4。

由表4可知，3種改性瀝青混合料的路用性能均能滿足規(guī)范要求，高溫性能優(yōu)劣順序依次為：補強劑>抗車轍劑A>SBS；低溫性能優(yōu)劣順序依次為：SBS>補強劑>抗車轍劑A；水穩(wěn)定性優(yōu)劣順序依次為：SBS>補強劑>抗車轍劑A。與抗車轍劑A相比，補強劑具有明顯的性能優(yōu)勢；與SBS改性劑相比，補強劑改性瀝青混合料高溫性能具有顯著優(yōu)勢，水穩(wěn)定性相近，而低溫抗裂性能稍低但仍滿足規(guī)范要求。同時可知，SBS改性瀝青混合料的材料成本最高，抗車轍劑A改性瀝青混合料成本最低，補強劑改性瀝青混合料的成本介于兩者之間。此外，補強劑采用干拌法施工，不需要添加機械設(shè)備，適用于任何瀝青混合料，使用方便快捷，省去了普通改性方式中的加熱環(huán)節(jié)及儲存過程，同時能夠長期庫存不變質(zhì)。因此，綜合路用性能、成本及工法等因素，認(rèn)為補強劑具有推廣使用的價值。

表4 3種瀝青混合料路用性能對比

3 補強劑應(yīng)用

甘肅張掖G30連霍高速公路臨清段就地?zé)嵩偕B(yǎng)護工程：連霍高速公路臨清段始建于2004年，采用雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路面寬度22.5 m，設(shè)計時速120 km/h。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該段高速公路出現(xiàn)了車轍、坑槽、裂縫等不同類型的病害，需要進行養(yǎng)護維修。因此于2018年6月20日—2018年6月25日，采用補強劑對起止樁號K2288～K2285共3 km路段進行就地?zé)嵩偕囼灺蜂佒?。試驗路鋪筑方案如?所示。

表5 試驗路鋪筑方案

該試驗路采用復(fù)拌型就地?zé)嵩偕ǎ瑸r青路面回收銑刨料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)與新瀝青混合料的質(zhì)量比為70 ∶30，補強劑摻量為0.35%，分別在現(xiàn)場與拌合樓摻入，質(zhì)量比也為70 ∶30。施工時銑刨車緊跟加熱車，將原路面4 cm厚的上面層銑刨在路中央形成料壟，撒布預(yù)定量的補強劑后，由料車撒布新瀝青混合料覆蓋，再進行拌合、碾壓，施工過程如圖9所示。試驗路鋪筑過程中，從施工現(xiàn)場取料進行路用性能試驗，結(jié)果與室內(nèi)試驗基本一致。試驗路通車1年多來，通過觀測未發(fā)現(xiàn)明顯病害，路用效果顯著。根據(jù)試驗路結(jié)果可知，補強劑使用方便快捷，維修后路用性能得到了有效提升。

圖9 試驗路就地?zé)嵩偕┕み^程

4 結(jié) 論

(1)車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗結(jié)果表明，摻入補強劑能顯著提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能，同時低溫抗開裂性能及水穩(wěn)定性也有一定程度改善。綜合考慮路用性能及施工成本，對于AC-13瀝青混合料，推薦補強劑摻量為0.35%。

(2)漢堡車轍試驗中，采用車轍變形率、剝落反彎點和剝落斜率指標(biāo)，能夠簡單直觀地橫向?qū)Ρ雀鞣N瀝青混合料的性能。試驗結(jié)果表明，摻入補強劑能顯著提高瀝青混合料在動水、高溫、動荷載耦合作用下的抗水損害能力。

(3)與SBS改性劑相比，補強劑的摻加使瀝青混合料具有更高的高溫抗車轍性能，盡管低溫抗裂性稍低，但成本更低，工法更簡單，可節(jié)約建設(shè)資金；與抗車轍劑A相比，盡管瀝青混合料成本稍高，但高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性更優(yōu)，能有效延長瀝青路面的使用壽命。

(4)就地?zé)嵩偕囼灺肥褂们闆r結(jié)果表明，補強劑具有工法簡單、使用方便、效果顯著的優(yōu)點，具有廣闊的推廣使用前景，同時對于瀝青混合料改性技術(shù)的研究及再生路面性能的提升具有參考價值。