沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的路用性能, 成为城市道路和高等级公路中使用最多的路面形式。近年来随着经济发展, 道路交通量持续大幅增长, 其中重载车比例也在提高, 在车轮高胎压的作用下, 路面普遍出现车辙损坏现象, 尤其在高速公路重载车道、长大纵坡、城市道路交叉口、公交专用道 (BRT) 、公交停泊港湾等路段车辙病害更加突出。主要原因是当夏季混合料表面温度达60℃以上时稳定性不足, 产生较大的高温变形, 车轮边缘高胎压处路面易发生剪切变形破坏。

同时, 油蚀现象也越来越引起公路管养部门的重视。在频繁启、制动的交叉路口, 公交港湾、高速进出口, 沥青路面油蚀现象往往伴随着车辙病害, 可以通过检测破损路面石子是否有柴油或汽油味鉴别油蚀破坏。怠速状态车辆燃烧不充分冷凝油滴、局部漏机油以及抛锚检修, 都会使沥青路面落下油痕, 当油痕逐渐成片时, 沥青易在轻质油中溶解, 石料表面沥青膜逐渐脱离。

解决道路车辙及油蚀问题的方法为提高混合料的劲度模量, 减小沥青混合料高温重载环境下的应变, 增强高温变形能力, 达到延长路面使用寿命的目的。普遍做法是在沥青混合料中掺加高模量改性剂。

试验选用北京某公司生产的高模量改性剂FRP, 外观为黑色颗粒物。FRP改性剂与沥青发生熔胀反应的同时, 还会与集料发生反应。物理作用过程为:首先改性剂高温时熔化与沥青结合, 改性剂与沥青的结合料一部分碾压成型填充在集料骨架间的空隙中起胶结作用;另一部分挤压裹覆在集料表面, 冷却后, 改性外掺剂间相互交织、相互搭接形成胶结面, 如网状“加筋”, 整体改性沥青混合料“加筋”“胶结”作用如图1所示。

FRP高模量沥青混合料的现场生产拌合工艺如图2所示, 与普通沥青混合料的生产拌合工艺基本类似, 属于干拌流程:首先热集料与改性剂同时加入拌合锅干拌, 然后将热沥青喷入拌合锅进行湿拌, 最后加入碱性石料矿粉直至拌合均匀。通常比普通沥青混合料拌合温度提高约10℃, 油石比基础增加0.1%～0.3%。

选取秦皇岛A-70基质沥青, 集料、矿粉材质为石灰岩, 将集料筛分成各档试验标准料。按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对矿料进行性能检验, 技术指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求。

目标级配采用常用的AC-20级配, 且取中值。矿料级配设计时, 为了形成优质的骨架密实型结构, 增强集料间的嵌挤作用, 减小0.6mm以下细集料的通过率以及部分最大公称粒径26.5mm附近较粗集料的通过率, 适当增加了中间粒径集料含量, 形成近似于“S”形的级配曲线。AC-20沥青混合料目标级配如表1所示, 级配曲线如图3所示。

最佳沥青用量按照《公路沥青路面施工技术规范》中马歇尔试验法来确定, 其过程大致为:按初始预估油石比、预估油石比±0.5%、预估油石比±1%成型5组油石比间隔为0.5%的试件, 每组试件4～6个, 室温放置12h以上后脱模测试试件的各项体积参数、马歇尔稳定度与流值, 以油石比为横坐标, 以马歇尔试验物理力学参数为纵坐标做曲线, 据曲线分析得到OAC₁, 根据满足规范要求的沥青用量范围OAC_min～OAC_max得到OAC₂, 最后取OAC₁和OAC₂的平均值为最佳油石比OAC。

马歇尔试验得到AC-20混合料目标孔隙率4.2%, 最佳油石比 (VV) 为4.3%, 矿料间隙率 (VMA) 为13.4%, 毛体积密度2.485g/cm³, 饱和度 (VFA) 为67.28%, FRP掺配比例为0.6%, 试验数据如表2所示。

马歇尔试验实际上可以认为是沥青混合料在60℃高温下的一种特殊剪切蠕变试验, 在一定程度上会间接反映高温下抗剪切流变性, 是高温稳定性能的参考指标。试验结果如表3所示。

由表3可得:与基质沥青相比, 混合料掺加FRP改性剂后流值减小, 马歇尔稳定度变大, 对高温稳定性能提高比较明显。

采用车辙试验模拟实际道路的受力状态, 通过在一定温度 (通常为60℃) 下用一定接地压强 (通常为0.7MPa) 来回往复碾压车辙板, 产生1mm车辙变形所作用的次数称为动稳定度。北京处于“夏炎热-冬冷-湿润”气候分区, 夏季沥青路面温度往往达60℃以上, 且高温持续时间较长。对比不同掺量FRP改性沥青混合料抗车辙性能, 除进行常规试验温度60℃、轮压0.7MPa试验外, 还进行了试验温度70℃、轮压1.0MPa试验。试验结果如表4所示。

由车辙试验动稳定度DS和变形量可得:随着改性剂FRP掺量的逐渐增加, 变形量逐渐减小, 动稳定度DS逐渐增大, 变形量和动稳定度DS变化率均递减, 达到一定掺量后提高高温性能幅度有限;当FRP掺量0.3%时, 动稳定度DS为4 462次/mm, 已经满足规范≥2 800次/mm的要求;FRP掺量0.4%时, 与SBS改性沥青混合料抗车辙能力相差不大;FRP掺量0.6%时, 60℃, 0.7MPa下动稳定度DS为8 136次/mm, 70℃, 1.0MPa下动稳定度DS达3 912次/mm, 较基质沥青混合料分别提高约4倍和13倍, 说明FRP提高混合料高温变形能力明显, 特别是在70℃, 1.0MPa模拟炎热重载下的抗车辙能力尤为优异, 考虑到实验室配合比与生产配合比差异, 以及北京市抗车辙混合料地方标准要求上面层动稳定度>7 000次/mm, 高模量剂典型掺量定为0.6%。

浸水马歇尔试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行操作, 其评价沥青混合料的水稳定性指标是马歇尔残留稳定度, 结果如表5所示。

冻融劈裂试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》操作, 评价沥青混合料的水稳定性为冻融劈裂强度比TSR, 试验结果如表6所示。

FRP掺量逐渐变大, 冻融劈裂强度比和马歇尔残留稳定度均变大, 冻融劈裂强度比增长更为明显, 对提高混合料水稳定性有效果;掺量0.4%FRP冻融劈裂强度比为82.2%, 满足规范改性沥青混合料冻融劈裂强度比≥80%的要求;掺量0.5%的FRP达到SBS改性沥青混合料水稳定性能。

沥青路面应具有一定的应力松弛性能, 即低温应变能力。当出现寒流或剧烈的温差变化时, 剧烈降温将使路面应力来不及松弛, 导致应力积累过大, 当超过混合料的极限抗拉强度时, 路面产生开裂。

小梁低温弯曲试验是现行评价沥青混合料低温性能方法, 评价沥青混合料的低温抗裂性能指标是破坏应变。不同掺量的FRP改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料和普通70号沥青混合料小梁低温弯曲试验结果如表7所示。

由表7可知:破坏劲度模量随FRP掺量的增加而增大, 破坏应变随FRP掺量的增加而减小, 说明掺入FRP会减弱沥青混合料的低温性能;低温性能表现最好的是SBS改性沥青, 其破坏劲度模量最小, 破坏应变最大;FRP掺量在0.6%以内均满足破坏应变≥2 500με (北京所属气候分区要求) , 当掺量提高至0.7%时低温破坏应变2 399.5με, 不满足规范要求;考量FRP改性沥青混合料, 在以提高沥青混合料高温性能为主, 兼顾低温性能的原则下, 综合高、低温性能指标, 确定FRP改性剂的合理掺量范围为0.5%～0.6%, 典型掺量为0.6%。

为试验高模量抗剥落改性剂是否具有良好的抗油蚀性能, 将试件在汽油中浸泡24h, 每隔4h记录试件外形变化, 在浸泡8h时, 取部分试件进行水稳定性试验。

经过8h汽油浸泡, 普通试件表面出现掉粒、石料剥离坑槽现象, 而添加改性剂的试件表面基本完好, 石料表面沥青包裹完好;24h汽油浸泡, 普通试件丧失完整性, 大部分石料剥离, 而添加改性剂的试件基本保持完整, 只出现少量石料剥落。根据汽油浸泡8h后浸水马歇尔试验结果, 浸水马歇尔试验残留稳定度、普通试件马歇尔稳定度数据均很差, 均达不到规范要求;加入高模量改性剂后, 浸水马歇尔试验残留稳定度和马歇尔稳定度明显上升, 流值和马歇尔稳定度均满足规范要求。

以沥青混合料的各项路用性能试验为基础, 对比研究了不同掺量的FRP改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料路用性能差异, 结论如下。

1) 高温性能试验考虑实验室配合比与生产配合比差异, 在以提高沥青混合料高温性能为主, 兼顾低温性能的原则及北京市抗车辙混合料地方标准要求, 确定高模量改性剂典型掺量为0.6%。

2) 水稳定性试验FRP掺量逐渐变大, 冻融劈裂强度比和马歇尔残留稳定度均变大, 冻融劈裂强度比增长更为明显, 对提高混合料水稳定性效果明显;掺量0.4%FRP满足改性沥青混合料规范要求;掺量0.5%的FRP达到SBS改性沥青混合料水稳定性能。

3) 低温性能试验掺入FRP会减弱沥青混合料的低温性能, FRP掺量在0.6%以内均满足破坏应变≥2 500με (北京所属气候分区要求) ;综合考虑沥青混合料高、低温性能指标, 确定FRP改性剂的合理掺量范围为0.5%～0.6%, 典型掺量为0.6%。

4) 油蚀对水稳定性影响试验0.6%FRP掺量的沥青混合料试件抗汽油侵蚀能力明显, 大大提高了混合料抗剥离性能。