高模量沥青混凝土应用技术研究阶段成果汇报

高模量沥青混凝土应用技术研究

报告简本

1 前言

“高模量沥青混凝土应用技术研究” 是2005年交通部西部交通建设科技项目，项目编号：2005 318 773 06。项目旨在采用低标号高模量沥青和混合料中掺加外掺剂两种工艺方法，来提高沥青混凝土的模量，达到大幅度提高沥青混凝土的高温稳定性且不降低其低温性能和耐疲劳性能，充分发挥路面各结构层功能，延长路面使用寿命的目的。

2 沥青路面车辙形成机理分析

2.1 沥青路面车辙调查

课题组对辽宁省高速公路路面车辙情况进行了调查和取样分析。这里仅对沈阳-山海关高速公路车辙病害作以简要分析。项目组从2001年~2007年对沈山高速公路K450+000~K520+100的车辙检测，数据绘图见图2-1。

图2-1 路面车辙变化趋势

从2001年通车后车辙发展较快，特别是2003年到2004年。2004年后对路面进行全面维修后车辙大幅度减小，也是逐年增大的趋势。车辙成为目前高速公路沥青路面最严重的路面病害之一。项目探求以提高中面层材料的高温模量和抗剪强度来控制车辙产生的途径。

2.2 基于车辙的沥青路面力学分析

在建立力学模型基础上，根据路面荷载的作用形式及路面结构的受力特点，结合常温季节和高温季节，变化中面层模量后的路面结构应力、应变分析表明：半刚性沥青路面结构中4~10cm范围内为等效压应力的高值区，3~8cm范围内为剪应力高值区，这两个应力高值区正是沥青路面结构中面层所在的位置。增加路面中面层模量后，荷载产生的最大剪应力和压应力变化不大，而模量提高一倍，剪应变减少50%，压应变减少近60%，因此提高中面层高温时模量将有效抑制路面车辙的产生。

2.3 沥青路面温度实测分析

课题组观测分析了辽宁地区五个地点的路面20mm和100mm的温度数据，得出以下结论：我国北方地区高温季节气温能达到30～35℃，路面表面温度可达到60℃以上，路面下20mm处温度可达到55℃，路面下100mm处温度也可达到45℃。持续高温使沥青路面模量降低是车辙产生的主要原因之一。

3 高模量沥青及外掺剂研究开发

3.1 高模量低标号沥青研发

课题组依据国内外调研结果，考虑目前低标号沥青低温性能的不足，结合当前的沥青生产工艺，最终采用硬质沥青改性剂的工艺生产高模量沥青。课题组通过研究分析，提出了高模量沥青的技术指标要求。其中60℃时的动态剪切劲度模量G*大于10KPa以及相位角δ小于70；其SHRP分级达到PG76-22以上。3.2 路宝牌高模量沥青混凝土添加剂研发

课题组大量研究后认为PE/PP加入极性助剂后可有效提高沥青混凝土高温模量。通过试验研究和实体工程的验证，效果显著。目前，路宝牌外掺剂产品已经批量生产。“路宝牌”高模量沥青混凝土外掺剂的研发丰富了我国解决沥青路面病害问题的方法和手段。

4 高模量沥青混合料力学特性研究

4.1 高模量沥青混合料静态模量

课题组采用圆柱体单轴压缩法来测试沥青混和料的静态模量特性。试验结果

平均值列于表4-1中。

表4-1静态模量试验结果汇总表试验温度15℃20℃

材料最大荷载

（KN）

抗压回弹模量

(MPa)

最大荷载

（KN）

抗压回弹模量

(MPa)

90#沥青33.3 2627 22.9 2065 SBS改性沥青32.3 1790 23 1466 高模量沥青36.2 2113 28.5 1686

PR-M 0.20% 62.1 3507 34.9 2136 0.35% 36.6 2814 27.3 2070 0.80% 59.3 3486 49.9 2846

PR-S 0.20% 35.8 2427 21.8 1707 0.35% 41.4 2795 27.8 1704 0.80% 60.6 3490 35.3 2219

DUROFLEX 0.30% 41.5 2717 24.9 1951 0.60% 45.8 2943 34 2049 0.90% 57.8 3563 37.6 2263

路宝0.20% 57.5 3172 31.9 2097 0.40% 43.3 2916 34.2 2078 0.80% 60.7 3495 48.4 2764

从表4-1中的试验结果可以看到，高模量低标号沥青及外掺剂类混合料所能施加的荷载远大于90#沥青混合料，而静态模量都没有显著提高。该试验温度范围较窄，不足以说明沥青混合料高温状态时的模量表现，作为路面结构设计参数值得进一步商榷。

4.2 高模量沥青混合料动态模量

沥青混合料多数的情况下承受的是动态荷载，因此动态荷载作用下沥青混凝土的力学反应特性直接影响着沥青混合料乃至整个路面结构层的长、短期性能。

课题组在不同温度、不同加载频率试验条件下，对基质90#沥青、SBS改性沥青、高模量沥青以及路宝、PR-M等四种外掺剂进行了动态模量试验。通过数值优化的方法，建立了45℃时90#沥青、SBS改性沥青、高模量低标号沥青、掺加4%路宝、0.35%PR-M沥青混合料的动态模量的主曲线，见图4-1。

图4-1 动态模量主曲线(参考温度45℃)

从图4-1动态模量主曲线图可以明显看到，在高频区域，四种材料的动态模量趋于一致，而在低频区域使用路宝外掺剂、PR-M和高模量沥青的混合料表现出较高的动态模量值，表明其抗高温或低频加载能力强。

依据路面温度监测结果和路面结构不同模量计算结果，课题组认为，高模量沥青应以路面高温时模量的提高来定义，即高模量沥青混凝土在45℃的温度条件、10Hz加载频率时其动态模量大于2000MPa、0.1Hz加载频率时其动态模量大于500MPa。

4.3 高模量沥青混合料蠕变特性

4.3.1静态蠕变试验

课题组采用的试验条件为试验温度45℃，恒载控制为0.2MPa，持续时间10000秒。不同材料的试验结果见表4-2。