基于复合改性的沥青路面耐久性与抗车辙性能研究 Research on Durability and Anti-Rutting Performance of Asphalt Pavement Based on Compound Modification

为有效减轻车辙病害对沥青路面服役性能的影响，本文采用高分散橡胶粉和再生PE进行沥青混合料的复合改性，经过两组不同配比的研究，最终确定添加15%橡胶粉 + 0.3%再生PE的沥青混合料的综合性能优异，其高温抗车辙能力明显优于SBS沥青混合料，同时低温稳定性和水稳定性较普通沥青混合料显著提升。通过基于温度–轴载的路面车辙预估模型计算和实验路铺筑验证，表明中面层采用复合改性沥青混合料，其车辙量大幅减小，具有良好的抗车辙性能，同时实现了固体废弃物资源化，经济与环境效益显著。

关键词

沥青路面，废弃物资源化，复合改性，车辙预估模型，高温抗车辙性能

Research on Durability and Anti-Rutting Performance of Asphalt Pavement Based on Compound Modification

Hui Li¹, Tingting Ding², Shengjie Liu³, Hailong Han¹, Tianyu Lyu⁴, Yongqiang Zhang¹, Jianxiu Sun², Ye Tian⁴, Wei Liu⁴, Xin Lyu⁵

¹Binzhou Branch of Shandong Hi-SPEED Group Co., Ltd., Binzhou Guangdong

²Shandong Province Communications Planning and Design Institute Group Co., Ltd., Jinan Shandong

³Zhengzhou Institute of Industrial Application Technology, Zhengzhou Henan

⁴Shandong Hi-SPEED Maintenance Group Co., Ltd., Jinan Shandong

⁵Shandong University, Jinan Shandong

Received: Nov. 27^th, 2021; accepted: Dec. 11^th, 2021; published: Dec. 28^th, 2021

ABSTRACT

In order to effectively reduce the influence of the transaction performance of asphalt pavement disease, this paper uses high-dispersed rubber powder and regenerated PE for the composite modification of asphalt mixing materials. After two sets of different ratios, it is finally determined to add 15% rubber powder + 0.3%. The overall performance of the asphalt mixture of the regeneration PE is excellent, the high temperature anti-rutting performance can be significantly better than the SBS asphalt mixture, and the low temperature stability and water stability are significantly improved than those of ordinary asphalt mixtures. By temperature-axial road rutting estimation model calculation and experimental road feature verification, when the medium-sided layer uses a composite modified asphalt mixture, the number of cars has a large decrease, with a good anti-rutting performance, while achieving recycling solid waste and having remarkable economic and environmental efficiency.

Keywords:Asphalt Pavement, Recycling Solid Waste, Composite Modification, Rutting Estimation Model, High Temperature Anti-Rutting Performance

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1. 引言

高速公路通常采用沥青作为面层材料，但在温度、空气、紫外线等自然因素和外界载荷的综合作用下 [1]，导致沥青材料发生老化，情况严重时会产生车辙等病害，降低了沥青路面的服役性能。

为解决沥青路面的车辙病害，国内外学者对沥青混合料进行了大量的研究。目前常采用对沥青进行改性的措施，但是单一改性常注重改善某一性能指标，对沥青混合料的综合性能考虑不足，因此越来越多的学者开始研究复合改性工艺，通过几种改性剂的综合使用来改善沥青混合料的综合性能。但相关研究仍停留在室内试验测试，对复合改性的改性机理、改善效果评价研究不足。

目前市场上常见的抗车辙剂可分为三类，第一种主要原料为各种密度的塑料，同时添加一些改性剂；第二种主要原料为天然岩沥青，同时添加部分SBS及其他塑料改性剂，与沥青的相容性稍好；第三种以硫磺为主要成分，同时添加部分塑料改性剂。本课题拟采用高性能再生PE、高分散橡胶粉作为主要原料，研发高低温性能良好、成本可控的沥青路面抗车辙材料。

2. 复合改性抗车辙混合料

本文首先制备了两种改性剂，进行不同掺量组合的配比设计，进而研制了多种复合改性沥青混合料，同时进行相应的室内试验研究其改性机理和改性效果，进而研发性能稳定、高低温性能良好、成本可控的沥青路面抗车辙材料。

2.1. 复合改性材料

本文选用废旧橡胶粉作为沥青改性剂A。废旧橡胶粉可显著增强沥青的弹性恢复性能，但难以改善其高温性能 [2]。在研究中将废旧轮胎切割成碎片，然后经过磨削得到粒径0.4~0.6 mm的橡胶粉颗粒，如图1(a)所示，其物理化学组成详见表1。

选用废旧塑料制备的再生PE为沥青改性剂B，其可改善沥青混合料的高温性能，但会导致沥青的脆性增强，削弱沥青混合料的低温抗裂性 [3]。研究中将废旧塑料经过预处理后，经挤出得到粒径为2~3 mm的再生聚乙烯颗粒，再添加少量其他物质，经过二次造粒得到沥青改性剂B，如图1(b)所示；其物理性能试验结果见表2。

(a) (b)

Figure 1. Two additives. (a) Waste rubber; (b) Waste plastics

图1. 两种添加剂。(a) 废旧橡胶；(b) 废旧塑料

Table 1. Physical chemistry composition of modifier A (%)

表1. 改性剂A的物理化学组成(%)

Table 2. Physical properties test results of modifier B

表2. 改性剂B物理性能试验结果

2.2. 试验分析

本文共制备了四种沥青混合料，详细方案见表3所示。其中鉴于再生PE在沥青中难以分散的特点，在沥青混合料制备过程中考虑将其直接与集料预拌，再加入橡胶粉改性沥青制备混合料。

Table 3. Mixed material ratio

表3. 混合料配比方案

橡胶沥青实验室制备方法：先将一定量的70号基质沥青倒入不锈钢容器加热至135℃，再将一定量废旧胶粉加入熔融的沥青中搅拌均匀并放入烘箱中160℃保温30 min。将保温后的沥青用电炉加热至180℃~190℃后加入高分散性橡胶粉，通过搅拌机进行简单搅拌，制备出所需的橡胶沥青备用。

沥青混合料实验室制备方法：集料在185℃~190℃条件下加热4小时，加入190℃拌和锅干拌30秒，添加再生PE干拌15秒，加入160℃~165℃橡胶改性沥青拌和60秒，最后加矿粉拌和30秒。击实温度确定为160℃~165℃。

对制备的沥青混合料进行相关性能试验，对比分析其高低温及水稳定性。

1) 动稳定度

采用车辙试验测试沥青混合料在高温条件下每产生1 mm变形时所承受标准轴载的行走次数 [4]。本文测试了11A + 0.25B和15A + 0.3B两组复合抗车辙改性沥青混合料、基质沥青和SBS混合料的马歇尔试件在60℃条件下的动稳定度，评价沥青混合料高温稳定性。

将四种沥青混合料的车辙深度随时间变化绘制为曲线，如图2所示。加载3600 s后，两种复合改性沥青混合料的车辙深度较基质沥青和SBS沥青混合料均明显减小，表明复合改性后混合料的高温稳定性优异。

Figure 2. Curve of the depth of four asphalt mixture vehicles

图2. 四种沥青混合料车辙深度随时间变化曲线

参照规范中的动稳定度计算公式，可以计算得到四种沥青混合料的动稳定度，如表4所示。可以看出15A + 0.3B组合的动稳定度为9131次/mm，约为SBS的两倍，基质沥青混合料的6倍，表明沥青混合料在复合改性后其高温抗变形能力大幅提升。这是由于废旧塑料在与集料拌和过程中遇热融化拉丝，使集料胶结更加紧密，永久变形量小，有效提升混合料的高温抗车辙性能。

Table 4. Four asphalt mixture stability

表4. 四种沥青混合料动稳定度

2) 弯曲破坏应变

在−10℃低温条件下，采用万能试验机测试11A + 0.25B和15A + 0.3B两组复合改性沥青混合料和基质沥青、SBS沥青混合料的最大弯拉应变，进行对比分析，评价其低温性能。

表5为四种沥青混合料弯曲破坏应变，可以发现11A + 0.25B和15A + 0.3B两种组合比SBS沥青混合料的值稍小，但均明显优于基质沥青混合料，这说明改性剂A橡胶粉的低温性能补偿作用明显，可以提高沥青混合料的低温抗裂性。

Table 5. Four asphalt mixes bending damage strain (με)

表5. 四种沥青混合料弯曲破坏应变(με)

3) 浸水残留稳定度

采用马歇尔浸水残留稳定度试验测试11A + 0.25B、15A + 0.3B、基质沥青、SBS沥青四种混合料的浸水残留稳定度，评价混合料进行复合改性后的水稳定性。

表6为四种沥青混合料的浸水残留稳定度，可以看出11A + 0.25B和15A + 0.3B两组混合料的浸水残留稳定度分别为92.3%和92.7%，基本接近SBS沥青混合料的93%，说明复合改性混合料的水稳定性比基质沥青优异，与SBS沥青混合料相当。这是由于废旧塑料与橡胶沥青共同作用使得与集料的粘附性增强，故水稳定性增加 [5]。

Table 6. Four asphalt mixture immersed water stability

表6. 四种沥青混合料浸水残留稳定度

综上可以发现采用本文所研发的复合改性工艺后，沥青混合料的高温稳定性改善显著，并且其低温性能及水稳定性也均较基质沥青有所提升，表明废旧胶粉起到了低温性能补偿的作用，复合改性效果较优。并且对比11A + 0.25B和15A + 0.3B两组的综合指标，最终推荐15A + 0.3B复合改性组合。

3. 抗车辙性能评价

根据前期研究，高速公路的车辙病害常发生于中面层。故本文在研究中将复合改性抗车辙沥青混合料用作中面层，采用模型预测和实验路实测的两种方式对路面的抗车辙性能进行评价。

3.1. 基于温度–轴载的车辙预估

通过ABAQUS有限元软件将路面温度场与真实交通量通过二次开发进行耦合，利用时间硬化蠕变模型，基于温度场和轴载数据对改性前后沥青混合料用于中面层后进行车辙预估。

1) 外界参数及路面材料参数获取

外界参数包括温度参数和交通量参数，本研究首先获取了试验路位置1~12月典型日代表性温度数据，以此为基础模拟路面结构内部的温度场。同时从高速收费站获取往年的实测轴载数据，将每个月的数据归一化到典型日的各小时内，可换算得到标准轴载作用次数如图3所示。

Figure 3. Transport variation in January to December

图3. 1~12月交通量变化图

路面材料参数中的蠕变参数采用单轴蠕变试验确定 [6]。在研究中对基质沥青AC-20混合料和复合改性沥青AC-20混合料分别进行20℃~60℃ (间隔10℃)条件下的单轴静态蠕变试验，获取各温度下的蠕变参数，结果如表7所示。

Table 7. Creep parameters of asphalt mixing materials

表7. 沥青混合料的蠕变参数

2) 基于温度–轴载的车辙模型

首先基于1~12月的外界环境参数，模拟路面内部的温度场情况，结合时间硬化蠕变模型，将温度场与轴载耦合，建立基于温度–轴载的车辙模型(图4)。

Figure 4. Rutting model based on temperature field-shaft loading

图4. 基于温度场–轴载的车辙模型

3) 预估车辙量分析

利用上述车辙模型，计算了不同月份的路面车辙情况，其中11~4月的车辙量占比约为0.1%，在后续分析将5~10月的车辙量作为年车辙量。提取每月的上中下三面层的车辙量绘制为柱状堆积图，见图5所示。可以看出每个月中面层的车辙量占比最大，说明车辙主要发生在中面层，与前人研究相符合。

Figure 5. Changes in ruts from May to October

图5. 5~10月的车辙量

同时中面层采用复合改性沥青混合料后，5~10月份的车辙量较普通混合料明显减小，其总车辙量约为基质沥青混合料的一半，说明复合改性混合料的抗车辙性能得到明显提升，复合改性的效果明显。

3.2. 实验路验证

依托山东省泰新高速公路养护项目，进行抗车辙沥青混合料试验段铺筑。该路段养护方案为铣刨沥青层，并回填4 cm SMA-13、6 cm AC-20、8 cm AC-25 的面层材料，具体路面结构如图6所示。同实验路段的中面层采用复合改性抗车辙沥青混合料，与普通沥青混合料进行对比验证。

Figure 6. Comparative comparison of common road sections and test sections

图6. 普通路段与试验段路面结构对比

经过一年的温度及交通荷载的综合作用后，对试验路段进行了车辙量检测，发现使用复合改性抗车辙沥青混合料作为中面层的路段未出现明显车辙，测量值仅为3~4 mm，而普通沥青混合料做中面层的路段车辙为6~8 mm，表明复合改性沥青混合料作为中面层具有优秀的路用性能。

3.3. 车辙预估值与试验段实测值对比

车辙预估值与试验段车辙实测值如表8所示，二者的结果都表明采用复合改性抗车辙沥青混合料作为中面层可有效减小路面车辙量，保证路面优异的路用性能。同时可以发现二者数据吻合程度较好，验证了基于温度–轴载的车辙模型的可靠性，表明其可模拟路面车辙的真实发展情况。

Table 8. Comparison of rutting estimates and test segments

表8. 车辙预估值与试验段车辙观测值对比

4. 结论

本文采用改性剂A (高分散橡胶粉)和改性剂B (再生PE)作为复合改性材料，制备的沥青混合料高低温性能良好、成本低廉。依托所建立的车辙预估模型和实体工程，验证了复合改性沥青混合料作为中面层具有优秀的工程效果。主要研究结论如下：

1) 本文的复合抗车辙改性工艺可大幅提高沥青混合料的高温性能，超过SBS改性沥青混合料；低温性能较基质沥青混合料有较大改善，抗水损害能力与SBS改性沥青混合料相当。

2) 复合改性材料中，改性剂B (再生PE)可作为基础抗车辙剂，改性剂A (高分散橡胶粉)可以很好地补偿改性剂B带来的低温性能损失。

3) 现场试验路表明，采用复合改性沥青混合料后，每个月中面层的车辙量较普通沥青明显降低，总车辙量降低一半，路用性能优异。

4) 与试验路段的车辙实测值相比较，本文的基于温度–轴载的车辙预估模型的车辙预估值计算误差较小，可以反映路面车辙的真实发展情况，为以后的车辙预估研究提供参考。

文章引用

李辉,丁婷婷,刘胜杰,韩海龙,吕天宇,张永强,孙建秀,田野,刘伟,吕鑫. 基于复合改性的沥青路面耐久性与抗车辙性能研究
Research on Durability and Anti-Rutting Performance of Asphalt Pavement Based on Compound Modification[J]. 土木工程, 2021, 10(12): 1272-1280. https://doi.org/10.12677/HJCE.2021.1012140

参考文献

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2. 韦大川, 王云鹏, 李世武, 邱雪鹏, 冉祥海, 姬相玲. 橡胶粉与SBS复合改性沥青路用性能与微观结构[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(3): 525-529.

3. 杨朋, 张肖宁. PE和SBS复合改性沥青混合料路用性能[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(10): 4044-4049.

4. Cao, W., Liu, S., Li, Y., et al. (2016) Rutting-Resistance Performance of SBS and Anti-Rutting Additive Composite-Modified Asphalt-Concrete Mixtures. Journal of Testing and Evaluation, 44, Article ID: 20150024.
https://doi.org/10.1520/JTE20150024

5. 缪逸辰. 水-荷载耦合作用下沥青混合料细观尺度域损伤特性研究[D]: [硕士学位论文]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2017.

6. 李小江. 温度-荷载耦合作用下改性沥青混合料高温稳定性研究[D]: [硕士学位论文]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2018.

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