高模量沥青混凝土应用技术研究西部交通建设科技项目管理中心.docx

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高模量沥青混凝土应用技术研究西部交通建设科技项目管理中心

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：

200531877306。

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。

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。

表4-2静态蠕变试验结果汇总表　

材料　

蠕变时间s　

应变量　　

500s应变　　

10000s　

应变　

蠕变前　

变化　　

蠕变后

变化　　

90#沥青

3297　　

21304　

14920　　

50000　

2.282　

6.852　

SBS改性沥青

9468　　

15549　　

10780　　

15678

0.532　　

0.242　

高模量沥青　

8438　

3652　　

2880

3696

0.097

0.028　

掺量%

PR-M

0.2　　

6133　　

8212　　

7290　

8949　

0.164　

0.191　

0.35　　

6784

4618

3908　　

4725　　

0.113　

0.033　

0.8　

9045　

5150　

3958　　

5197　

0.139　　

0.049　

DUROFLEX　

0.3　

6667

14428　　

11115

15120

0.537　

0.208　　

0.6　

5217　

11289

9225　　

11930　

0.438　　

0.134　

0.9　　

8946

6131　

4900

6184　　

0.146

0.050　

PR-S　

0.2　

5682　　

10692　

8400　

11520　

0.442　

0.192

0.35　

9130　

3055　　

2334　

3155　

0.084　　

0.115　

0.8　

5306　

14701　

11400　

15529

0.687　　

0.176

路宝　　

0.2　　

9723　　

13220　　

9025

13280　

0.455　

0.217　

0.4

9356

6758　

5763

6823　　

0.112　　

0.101

0.8　　

8951

9986

6710　

10110

0.388　　

0.118

课题组发现高模量低标号沥青的应变变化率最小，90#沥青的变化率最大，其变化率是高模量沥青的200倍以上。

SBS改性沥青亦表现出较好的抗静态蠕变性能，但它的应变变化率仍是高模量沥青的9倍，是路宝或PR-M的4倍。

4.3.2动态蠕变试验　　

给试件施加脉冲荷载为一正矢荷载，加载时间为0.1秒，间歇时间为0.9秒，动载压应力为0.2MPa，总加载次数为10000次。

不同混合料掺量蠕变速率和蠕变次数关系曲线见图4-2、图4-3。

图4-2不同混合料掺量和蠕变速率曲线　

图4-3不同混合料掺量和蠕变次数曲线　

从图4-2、图4-3看，外掺剂类材料的重复加载试验的表现与高模量沥青混合料相似，并且大于0.35%掺量后，蠕变次数相差很小，蠕变速率变缓。

4.4高模量沥青混合料强度特性　

本课题选择此项试验作为评价指标的目的是为高模量沥青混凝土在路面结构中应用提供拉伸强度依据。

与冻融劈裂试验相比，其试件的空隙率定为4%，试验温度控制为15℃，因此劈裂强度较25℃时显著增加。

试验结果见下表4-3。

表4-3劈裂抗拉强度试验结果汇总

材料

15℃劈裂抗拉强度（MPa）

25℃劈裂抗拉强度（MPa）　　

90#沥青

1.5557　

0.6178　

SBS改性沥青　

1.5973　

0.9092　

高模量沥青　

1.3168

0.7683　　

PR-M　　

0.20%　

1.4406　

0.9079　

0.35%　

1.8096　

0.9987　

0.80%　　

2.2639

1.3148　

PR-S　　

0.20%　

2.0297　　

0.6633　

0.35%　　

2.1412　

0.7300　

0.80%　　

2.5574　　

1.0861　　

DUROFLEX　　

0.30%　　

1.7231　　

0.9551　　

0.60%　

2.2270　

1.0077　　

0.90%

2.1762

0.9996　

路宝　　

0.20%　

1.4773　　

0.8546　

0.40%　　

1.7908

1.0785　

0.80%　

2.2376　

1.3563　　

分析表4-3所列结果，90#沥青混合料15℃时的劈裂强度较25℃有很大提高，低温状态时，90#沥青足以抵抗荷载产生的拉应力。

SBS改性沥青混合料的表现与90#沥青混合料相同，高模量低标号沥青混合料的劈裂强度最低。

PR-M、PR-S、路宝等外掺剂类混合料的劈裂强度随掺量的增加而增大，DUROFLEX混合料则受掺量影响较小。

总体上说，高模量沥青和外掺剂类材料对低温时的混合料抗拉能力贡献不很大。

4.5小结　　

四种外掺剂材料中，我们更倾向于采用“路宝牌”和PR-M来提高沥青混合料的高温动态模量，这两种材料对沥青混合料高温动态模量、蠕变性能的提高尤为明显。

高模量沥青混凝土用于路面中面层将是最佳选择，即可发挥其高温动态模量高，抗蠕变性能好的特点，又可避免材料受拉，从而提高路面整体承力状态。

5高模量沥青混合料路用性能研究　

5.1高模量沥青混合料高温性能　　

本项目采用车辙试验评价高模量沥青混合料的高温性能。

试验结果表明，使用高模量沥青的混合料，其动稳定度较普通90#沥青混合料高285%，较4%SBS改性沥青混合料高56%。

不同掺量外掺剂动稳定度试验结果绘制图形见图5-1。

图5-1几种外掺剂动稳定度与掺量关系比较　　

由图5-1可以看出，在试验掺量范围内，随着掺量的增加，混合料的动稳定度也逐渐增加。

5.2高模量沥青混合料低温性能

高模量沥青混台料低温抗裂性能采用小梁弯曲试验来评价，试验结果绘制图形见图5-2.。

图5-6混合料低温弯曲应变试验　　　

图5-2不同混合料低温破坏应变比较　　　

由图5-2可以看出，高模量低标号沥青混凝土、采用外掺剂的沥青混凝土的低温弯曲破坏应变均不低于普通90#沥青混凝土，但均不及SBS改性沥青混合料。

5.3高模量沥青混合料抗水损害性能

课题组采用冻融劈裂强度试验评价混合料抗水损害性能。

不同材料的冻融劈裂强度见下表5-1。

表5-1水损害试验　　

试样说明

劈裂强度　

（MPa）　　

冻融劈裂强度（MPa）

残留强度比　　

（%）　

辽河90#沥青，未掺加外掺剂　

0.6178

0.6074

97.8

SBS改性沥青　

0.9092　　

0.8442

92.85

高模量低标号沥青　　

0.7683　　

0.7713　

100.4　

掺加法国PR-M高模量沥青混凝土外掺剂

0.2%

0.9079

0.8625

95.0

0.35%　　

0.9987

0.8923　　

89.7　　

0.8%　

1.3148　

1.1148　　

84.7　

掺加法国PR-S抗车辙　

沥青混凝土外掺剂　

0.2%　

0.6633　

0.5987　

90.2　

0.35%　　

0.7300

0.7287

99.8

0.8%　　

1.0861　

1.0653　

98.1　

掺加德国DUROFLEX沥青混凝土外掺剂　　

0.3%　

0.9551　　

0.8426

88.2

0.6%　　

1.0077　　

0.8278　　

82.1　　

0.9%　

0.9996　

0.8343　

83.5

路宝牌沥青混凝土　　

外掺剂　

0.2%　

0.8546　

0.7539　

88.2

0.4%　　

1.0785　　

0.9717　　

90.1　

0.8%

1.3563　

1.1447

84.4　　

依据以上数据分析，各种材料的劈裂强度和冻融劈裂强度都高于基质沥青，残留强度比都满足要求。

5.4高模量沥青混合料抗疲劳性能　　

课题研究采用四点弯曲梁疲劳试验来评价沥青混合料的疲劳特性，选择了控制应变模式。

试验温度为15℃，加载频率为10Hz。

试验结果绘制成图形见图5-3。

图5-3几种混合料疲劳试验代表值　

SBS改性沥青混合料表现出很好的抗应变疲劳能力，高模量沥青混合料的疲劳性能次之，其它外掺剂类混合料的疲劳性能与90#沥青的性能相差不大。

5.5小结　

通过混合料高温、低温、疲劳、抗水损害等试验验证，混合料中掺加路宝、PR-M两种方式皆可得到高温性能明显优于SBS改性沥青的混合料，高模量低标号沥青的疲劳性能与SBS改性沥青混合料相当。

证明了SBS改性沥青的低温性能和抗弯曲疲劳能力是其它材料不可比拟的。

综合混合料室内试验和试验路验证，课题组提出了高模量沥青混合料高低温性能指标。

表5-2高模量沥青混合料性能指标　　

项目　　

指标　

劈裂强度,大于（MPa）　　

15℃　

1.2

25℃

0.7　

冻融劈裂强度比，不小于（%）　

80　　

低温弯曲破坏应变,不小于（με）

1800　　

动稳定度（60℃），不小于（次/mm）　　

5000

动态模量，大于（MPa）　

15℃,10Hz　

14000　

45℃,10Hz　

2000　

45℃,0.1Hz　　

500

饱和度，大于（%）　

65　

粉胶比，小于　　

1.1　

6高模量沥青混合料路面施工技术　　

6.1试验路段　　

鹤岗-大连二级公路（东港段）表面层K1516+110～K1518+110从检测和观测结果看，混合料性能指标稳定，试验路效果良好。

6.2试验推广路段　

2007年6月~9月项目组利用路宝牌高模量外掺剂在沈阳-彰武高速公路铺筑高模量沥青混凝土试验路21km。

在辽宁全省10个市的普通公路铺筑试验推广路段88.6km。

检测和观测表明，路面密实，没有出现推移、拥包、松散、坑槽、车辙及水损害等早期破坏。

7项目研究成果与创新点

7.1主要研究成果　　

（1）高模量沥青混凝土的动稳定度DS值达到5000次/mm以上，提出了45℃，10Hz条件下动态模量达到2000Mpa以上，0.1Hz条件下达到500Mpa以上，作为高模量沥青混凝土的界定标准；　　

（2）开发出高模量低标号沥青、并提出其技术指标；　　

（3）提出了高模量沥青混凝土的技术要求；　

（4）自主研制开发出“路宝牌”高模量沥青混凝土外掺剂，填补了我国路用改性聚乙烯/丙烯的空白；　

（5）铺筑试验路段114.3km，总结了施工工艺和质量控制指标；　　

（6）提交项目研究报告、工作报告等技术文件；　

（7）编制出《高模量沥青路面施工技术指南》；　

（8）发表学术论文6篇。

7.2主要创新点　　

（1）开发了高模量低标号沥青，总结出高模量低标号沥青技术指标，弥补了我国低标号沥青低温性能不好的状态；　　

（2）自主研发了“路宝牌”高模量沥青混凝土外掺剂，为生产高模量沥青混凝土多一条途径；　

（3）提出了高模量沥青混凝土的界定标准。

初步揭示提高高温模量对路面结构受力的影响。

7.3进一步研究建议

（1）试验路的裂缝观测结果与低温弯曲试验结果不对应，需要多一种方法评价沥青混合料的低温性能；　　

（2）沥青混凝土在15℃时的模量与45℃时相去甚远，建议路面结构设计时引入高温模量；　　

（3）高模量沥青混凝土的应用使路面受力状况与材料抵抗荷载能力相对应，建议开展基于高模量沥青混凝土的长寿命路面研究。