泡沫沥青跟70号沥青(市政道路HMB沥青混合料路用性能对比研究)

Posted 2023-05-31

篇首语：只愿我永远在爱里，不断地学习，即使悲伤本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了泡沫沥青跟70号沥青(市政道路HMB沥青混合料路用性能对比研究)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

泡沫沥青跟70号沥青(市政道路HMB沥青混合料路用性能对比研究)

王陕郡 张钊 陈世轩 王保成 任杰 谢希望

陕西华山路桥集团有限公司 长安大学材料科学与工程学院

摘 要：为提高西安市奥体中心周边市政道路服务质量，开展室内试验，对比研究HMB高模量天然沥青(BBME-13)、SBS改性沥青混合料(SBSAC-13)、橡胶沥青混合料(ARAC-13)与70号基质沥青混合料(BAC-13)路用性能，并应用有限元程序BISAR对沥青路面结构力学响应规律进行分析。试验结果表明：BBME-13的动稳定度比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13分别高1 965、2 705、4 693次/mm,残留稳定度比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13分别高4.1%、9.9%、14.2%,低温破坏应变比ARAC-13、BAC-13分别高290.57με、840.06με,比SBSAC-13低133.7με,且远高于规范要求值。在室内试验研究基础上，将HMB应用于西安市奥体中心北侧柳新路工程中。试验段摆值、构造深度的均值分别比技术要求高21.2%、23%,渗水系数比技术要求低26%,路面抗渗性能优异，抗滑性满足设计要求。结合室内试验和实体工程，采用BISAR进行计算分析，结果表明BBME-13路面的使用寿命比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13分别高52.38%、123.75%和271.2%。

关键词：道路工程;高模量天然沥青混合料;SBS改性沥青;橡胶沥青;路用性能;

基金：陕西省住房城乡建设科技科研开发计划项目，项目编号2020-K11、2020-K03;陕西华山路桥集团有限公司科技项目，项目编号HSLQ-KYHT-2020-002;陕西省重点研发计划项目，项目编号2021SF-514;

为提高路面抗车辙能力，保证行车安全和舒适性，我国引入了法国提出的高模量沥青混凝土(high modulus asphalt concrete, HMAC)技术[1],并要求在15℃、10 Hz的条件下HMAC的动态模量大于14 GPa, 以增强其高温抗车辙能力[2,3]。HMAC制备方法分两类：(1)将高模量剂外掺至沥青混合料中制备HMAC[4,5];(2)以低标号硬质沥青或天然沥青作为改性剂，与基质沥青共混制备高模量沥青[6,7,8]。与前者相比，后一种方法制备的高模量沥青具有更好的抗低温开裂和耐疲劳性能，因此研究与应用较多。熊子佳等[9]采用低标号硬质沥青与70号沥青制备改性沥青，发现其高温抗变形能力明显提高。Judycki等[10]发现在气候寒冷地区，硬质沥青的加入会使HMAC易出现横向裂缝。Li等[11]发现添加岩沥青可提高沥青材料的抗老化性能，但会影响其在低温下松弛应力的能力。Zhou等[12]利用湖沥青制备高模量沥青，发现沥青混合料的抗车辙性能较好，抗疲劳和抗开裂性能较低。

上述研究表明，将低标号硬质沥青或天然沥青与基质沥青共混，可明显提高沥青及沥青混合料的动态模量和路面的高温性能，但对低温性能不利。有学者尝试通过与聚合物改性剂复合改性手段提高其综合路用性能。夏全平等[13]选取6种硬质沥青与SBS改性沥青进行复合改性，结果表明沥青混合料的动态模量可达到16 GPa, 低温性能有一定提高；但尚未对其存储稳定性和耐久性进行验证，且由于硬质沥青与天然沥青来源的不同，高模量沥青的生产质量不易控制。

基于此，某公司[14]通过研磨、过滤等处理手段得到天然沥青母液，通过石油沥青、聚合物改性剂、交联剂、偶联剂等复合改性开发出高模量沥青胶结料(high modulus asphalt binder, HMB)。在163℃条件下，HMB存储7 d后的软化点差值为1.6℃,具有十分优异的长期高温存储稳定性。周震宇等[15]依据法国标准验证了采用马歇尔法进行高模量沥青混合料配合比设计的可行性。郭寅川等[16]根据法国关键筛孔级配范围转换的BBME-13型级配，利用修正马歇尔体积法制备了HMB沥青混合料。

综上所述，为提高西安市奥体中心周边市政道路服务质量，本文结合奥体中心北侧柳新路工程，开展室内试验，对比研究HMB高模量沥青与SBS改性沥青、橡胶沥青和70号沥青混合料路用性能，并将HMB作为路面上面层材料应用于柳新路工程。然后，通过有限元程序BISAR分析HMB沥青混合料的性能效益。研究成果对HMB沥青混合料的应用和推广具有一定的参考价值。

1 原材料及级配

1.1原材料

试验用沥青采用西安奥体中心柳新路工程项目部提供的HMB、SBS改性沥青、70号基质沥青及实验室采购的橡胶改性沥青，基本性质如表1所示。HMB主要成分为天然沥青，占比30%～70%,其他组分包含石油沥青、聚合物改性剂、交联剂、偶联剂等[14]。碎石技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

表1 沥青基本性质 导出到EXCEL

1.2配合比

西安奥体中心柳新路工程项目部采用BBME-13(béton bitumineux module elevé-13)级配作为上面层，参照《天然沥青高模量混合料施工技术规范》(DB61/T 1332-2020)进行设计，最佳油石比为6%。SBS改性沥青、橡胶沥青、70号沥青级配采用以往室内研究级配，最佳油石比分别为4.8%、6.1%和4.3%。级配如表2所示。

表2 BBME-13和AC-13混合料级配 导出到EXCEL

1.3马歇尔体积参数

部分沥青混合料的马歇尔体积参数如表3所示。HMB沥青混合料(BBME-13)的空隙率比SBS改性沥青混合料(SBS modified asphalt concrete, SBSAC-13)、橡胶沥青混合料(asphalt rubber modified asphalt concrete, ARAC-13)、70号基质沥青混合料(base asphalt concrete, BAC-13)分别低78.3%、-8.7%、87.3%,BBME-13的空隙率、稳定度、动态模量比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13分别高30.35%、50.83%、59.14%和40.5%、57.2%、71.1%,BBME-13的力学性能优异。相较于ARAC-13,由于BBME-13油石比低，因此其空隙率低，但BBME-13的动态模量远高于橡胶沥青混合料。总体而言，BBME-13的高温性能、低温性能和水稳定性能有较大提升。

2 路用性能

2.1高温稳定性

表3 沥青混合料马歇尔体积参数 导出到EXCEL

不同类型混合料车辙试验结果如图1所示。由图1分析可得，BBME-13的动稳定度比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13分别高1 965、2 705、4 693次/mm; 45 min变形量最低，为1.25 mm, 比SBSAC-13、ARAC-13、BAC分别低46.6%、62.2%、78.1%;60 min变形量也是最低值，为2.13 mm, 比SBSAC-13、ARAC-13、BAC分别低37.7%、51%、68.7%。这是由于天然沥青经研磨、三氯乙烯处理后得到的天然沥青母液，在HMB中占比大，其沥青质、胶质含量高，因此HMB的温度敏感性低[14,17],高温稳定性好，且聚合物改性剂、交联剂在吸收轻质组分后，在沥青相中形成稳定性好、强度高的大分子网络结构[4],可承受更高的能量冲击，从而提高了BBME-13的高温抗车辙性能。

图1 车辙试验结果 下载原图

2.2低温抗开裂性

不同类型混合料弯曲蠕变试验结果如图2所示。由图2分析可得，BBME-13的破坏应变比SBSAC-13低133.7 με,比ARAC-13、BAC-13分别高290.57 με、840.06 με,比规范要求高526.51 με。这是由于HMB中的大分子空间网络结构增强了沥青的黏聚力和韧性，进而提升了混合料内部的团聚力，增强了混合料抵抗开裂变形的能力。而BBME-13的低温性能弱于SBSAC-13的原因可能是，相较于SBSAC-13,HMB组分复杂且助剂较多，在低温作用下，其性能表现不如高温时优异，但仍远满足规范要求。

图2 弯曲蠕变试验结果 下载原图

2.3水稳定性能

不同类型混合料浸水马歇尔试验结果如图3所示。由图3分析可得，BBME-13的残留稳定度比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13分别高4.1%、9.9%、14.2%,比规范要求值高16.5%。这主要是由于HMB中天然沥青分子极性大，其吸附自由能高[18],可显著提高沥青与集料间的抗剥落性能。同时，BBME-13级配中细集料含量较多，油石比高，可有效填充粗集料间的空隙，具有较好的防水性，而对实体工程渗水系数的检测结果也证明了这一点。

3 工程应用

3.1工程概况

柳新路是西安国际港务区东西向次干路之一，位于西安市奥体中心北侧，西起迎宾大道，东至港务西路。西安奥体中心是第十四届全运会主会场，也将成为西安地标建筑，预期周边道路交通量日益增长，通行保畅与路面抗车辙能力要求高。其桩号范围为K0+369.48～K2+477.362,道路长度为2 107.882 m, 道路宽度为40～50 m。项目采用HMB实现路面强承载、耐疲劳、防水降噪、安全舒适环保等功能性需求。为此，全路段加铺5 cm厚BBME-13上面层+0.3 kg/m2 PC-3乳化沥青黏层+7 cm中粒式沥青混凝土(AC-20)+0.7 kg/m2 PC-2乳化沥青透层+36 cm二灰稳定碎石基层+20 cm石灰土底基层。

图3 浸水马歇尔试验结果 下载原图

3.2路面检测

施工后全路段按间隔200 m从K0+370至K2+370取点检测，结果如图4所示。每检测点在轮迹带上平行检测3处，可知该路段压实度均在99%以上。抗滑性和渗水性检测指标如表4所示。

图4 现场检测 下载原图

表4 路面检测结果 导出到EXCEL

由表4分析可得，柳新路路面摆值最大值为64,最小值为45,均值为55,均值比技术要求高21.2%;构造深度最大值为0.81 mm, 最小值为0.58 mm, 均值为0.68 mm, 均值比技术要求高23%。这表明路面的抗滑性能满足规范要求。路面渗水系数的最大值为71 mL/min, 最小值为47 mL/min, 均值为59 mL/min, 均值比技术要求低26%,表明路面抗渗性完全满足设计要求。

4 性能效益分析

力学经验法可模拟实际路面荷载作用下沥青混合料的力学响应，并将分析参数作为经济效益的评价依据[19]。基于此，本文采用弹性层状体系理论计算程序BISAR对沥青面层层底水平拉应变εt与基层顶的垂直压应变εc进行计算[20]。单轴双轮轴载接地压力为0.7 MPa, 当量圆半径为106.5 mm, 沥青混合料的抗压回弹模量由沥青混合料单轴压缩试验测定。路面结构方案与柳新路设计方案一致，如表5所示。模型计算参数如表6所示。计算结果如表7所示。

由模型计算结果可获得交通效益比(Traffic Benefit Ratio, TBR),可用于量化分析BBME-13作为路面材料的性能效益[21]。计算公式为：

表5 路面结构方案 导出到EXCEL

表6 BISAR模型计算参数 导出到EXCEL

表7 不同沥青面层性能效益对比分析 导出到EXCEL

TBR=NMN70=(εMε70)−BΤBR=ΝΜΝ70=(εΜε70)-B

式中：N为永久变形的标准轴载累积量；ε为路基层顶的压应变；B为延长路面使用寿命计算系数，取4.533 7;M和70分别表示改性沥青路面和BAC-13路面。

由表7分析可得，BBME-13的层底水平拉应变比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13面层分别高32.54%、236.75%、444.22%,基层顶的垂直压应变比SBSAC-13路面低19.16%,比ARAC-13、BAC-13路面高146.66%、321.04%。从TBR指标看，相较于BAC-13路面，HMB沥青路面、SBSAC-13路面、ARAC-13路面的使用寿命分别是BAC-13路面的3.712倍、2.436倍和1.659倍，即BBME-13路面的使用寿命比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13路面分别高52.38%、123.75%和271.2%。

5 结语

本文结合西安市奥体中心周边市政道路实体工程，对比研究了BBME-13与SBSAC-13、ARAC-13和BAC-13的路用性能和力学响应，得到如下结论。

(1)BBME-13的稳定度、动态模量比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13分别高30.35%、50.83%、59.14%和40.5%、57.2%、71.1%,BBME-13的力学性能优异。

(2)BBME-13的动稳定度、破坏应变和残留稳定度比SBSAC-13分别高1 965次/mm、低133.7 με、高4.1%,比ARAC-13分别高2 705次/mm、290.57 με、9.9%,比BAC-13分别高4 693次/mm、840.06 με、14.2%,且远高于规范要求值，沥青路面路用性能满足使用要求。

(3)试验段路面抗滑性和压实度等均能满足设计要求，抗渗性能十分优异。BISAR计算结果表明，BBME-13路面的使用寿命比SBSAC-13、ARAC-13、BAC-13路面分别高52.38%、123.75%和271.2%,HMB可作为优良的市政道路上面层材料使用。

参考文献

[1] 钱喜红，关永胜，臧国帅，等.高模量沥青混合料技术路径与合理评价指标应用研究[J].公路，2020,65(1):231-238.

[2] 周庆华，沙爱民.高模量沥青混凝土路面永久变形[J].长安大学学报：自然科学版，2013,33(5):13-16+22.

[3] 赵玉肖，赵玉冕，赵毅.PR-Module高模量沥青混合料动态模量-温度分布研究[J].中外公路，2021,41(3):280-285.

[4] 卢桂林，许新权，唐志赟，等.高模量改性剂的作用机理及应用研究[J].建筑材料学报，2021,24(2):355-361.

[5] 黄育华，李善强，龚侥斌，等.高模量外掺剂改性机理研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2019,43(3):476-480.

[6] 徐钦升.基于15号硬质沥青的高模量沥青混合料性能研究[D].山东建筑大学，2020.

[7] 彭煜.高模量沥青混合料专用硬质沥青的研制与应用[D].长安大学，2014.

[8] 王知乐.硬质沥青与岩沥青改性沥青高模量混合料路用性能对比试验研究[J].工业建筑，2019,49(5):121-125.

[9] 熊子佳，洪锦祥，邓成，等.硬质沥青对沥青及混合料路用性能影响研究[J].中外公路，2016,36(6):238-241.

[10] Judycki J,Jaskula P,Dolzycki B,et al.Investigation of low-temperature cracking in newly constructed high-modulus asphalt concrete base course of a motorway pavement[J].Road Materials and Pavement Design,2015,16(1):362-388.

[11] Li R,Karki P,Hao P,et al.Rheological and low temperature properties of asphalt composites containing rock asphalts[J].Construction and Building Materials,2015,96:47-54.

[12] Zhou J,Li J,Liu G,et al.Recycling Aged Asphalt Using Hard Asphalt Binder for Hot-Mixing Recycled Asphalt Mixture[J].Applied Sciences,2021,11(12):5698.

[13] 夏全平，高江平，张其功，等.用于高模量沥青砼的复合改性硬质沥青低温性能[J].吉林大学学报：工学版，2022,52(3):541-549.

[14] 曾赟，张俊搏，张玲，等.一种可存储的高模量天然沥青胶结料制备及应用方法：中国，CN107118578A[P].2017-09-01.

[15] 周震宇，曾峰，郝玮，等.高模量沥青混合料马歇尔法配合比设计指标研究[J].公路，2021,66(7):69-75.

[16] 郭寅川，张争明，邵东野，等.高模量天然沥青混合料设计及路用性能对比研究[J].硅酸盐通报，2021,40(8):2811-2821.

[17] 张凯伟.天然岩沥青改性沥青及其混合料技术性能研究[D].郑州大学，2018.

[18] 朱艳贵.欧洲岩沥青改性沥青混合料使用性能研究[D].湖南大学，2017.

[19] 牛冬瑜，韩森，徐鸥明，等.聚乙烯类添加剂对橡胶沥青混合料路用性能的影响[J].江苏大学学报：自然科学版，2016,37(4):479-484.

[20] 牛冬瑜，韩森，徐鸥明，等.废旧LDPE/SBS复合改性沥青SMA混合料的路用性能研究[J].武汉理工大学学报，2014,36(2):49-53.

[21] Al-Hadidy A,Yi-Qiu T.Effect of polyethylene on life of flexible pavements[J].Construction and Building Materials,2009,23(3):1456-1464.

声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。

相关参考

沥青玻璃纤维布用途(玻璃纤维对沥青混合料路用性能的影响)

文章来源：微信公众号“沥青路面”

沥青玻璃纤维布用途(玻璃纤维对沥青混合料路用性能的影响)

文章来源：微信公众号“沥青路面”

温拌沥青(温拌沥青混合料降温机理及路用性能对比)

文章来源：微信公众号“沥青路面”中国沥青路面大多采用热拌的方法，一方面热拌沥青混合料在拌和和施工过程中产生大量废气和粉尘，且加热温度较高，能耗较大，无论从环保还是节能的角度上讲都是不利的；另一方面，在...

温拌沥青(温拌沥青混合料降温机理及路用性能对比)

文章来源：微信公众号“沥青路面”中国沥青路面大多采用热拌的方法，一方面热拌沥青混合料在拌和和施工过程中产生大量废气和粉尘，且加热温度较高，能耗较大，无论从环保还是节能的角度上讲都是不利的；另一方面，在...

沥青油洒布机(市政建造师 城市道路工程 热拌沥青混合料面层施工)

热拌沥青混合料面层施工这次课讲热拌沥青混合料面层施工，包括沥青混合料的摊铺、压实成型、接缝，开放交通等内容。前面讲过沥青混合料按按生产工艺划分为热拌沥青混合料，冷拌沥青混合料，再生沥青混合料等。沥青路...

沥青油洒布机(市政建造师 城市道路工程 热拌沥青混合料面层施工)

热拌沥青混合料面层施工这次课讲热拌沥青混合料面层施工，包括沥青混合料的摊铺、压实成型、接缝，开放交通等内容。前面讲过沥青混合料按按生产工艺划分为热拌沥青混合料，冷拌沥青混合料，再生沥青混合料等。沥青路...

水泥混凝土路面设计(水泥混凝土路面施工工艺的做法)

水泥混凝土路面原理施工工程做法：1、施工原理热拌沥青砼路面是指脱色沥青石料、添加剂等材料在特定的条件下集中拌和，石料沥青混合料，再经过摊铺、碾压而形成具有一定强度和路用性能的石料沥青砼路面。路面的颜色...

沥青稠度和粘度区别(1K411041沥青混合料面层施工技术·2020年一级市政建造师精讲课程)

1K411041沥青混合料面层施工技术▼沥青道路结构▼沥青道路施工现场▼沥青道路施工现场▼沥青道路夜间施工现场沥青混合料面层施工技术重点介绍热拌沥青混合料路面施工工艺，包括沥青混合料的运输、摊铺、沥青路面的压实...

沥青稠度和粘度区别(1K411041沥青混合料面层施工技术·2020年一级市政建造师精讲课程)

1K411041沥青混合料面层施工技术▼沥青道路结构▼沥青道路施工现场▼沥青道路施工现场▼沥青道路夜间施工现场沥青混合料面层施工技术重点介绍热拌沥青混合料路面施工工艺，包括沥青混合料的运输、摊铺、沥青路面的压实...

沥青的种类有哪些(城市道路工程 沥青面层 沥青混合料的材料组成及结构类型)

沥青混合料材料组成及结构类型这次课讲市政建造师城市道路工程沥青面层沥青混合料的有关内容，包括沥青混合料的材料组成，基本分类，结构类型。这一部分内容主要在一建市政教材上1K411014沥青混合料组成与材料材料组成...