吉怀高速公路沥青路面下面层所用A－50号道路沥青的性能研究

杨国梁

0 前言

湖南省吉怀高速公路是包头至茂名高速公路(简称“包茂高速”)在湖南境内的重要路段，也是湖南省“五纵七横”高速公路网络主骨架的组成部分，贯穿湖南省西部，并与杭瑞高速、上昆高速公路连接，形成纵横交织的高速公路交通网络，同时也是贯穿我国西部省市的一条南北公路运输大通道，是内陆西部地区与“泛珠江三角洲”区域相联系的便捷通道之一。本项目主线全长104.836 km，采用沥青混凝土路面，主线路面结构组合设计为:4 cm AC—13C上面层(SBS改性沥青)+6 cm AC—20C中面层(SBS改性沥青)+8 cm AC—25C下面层(A—50沥青)+1 cm SBS改性沥青同步碎石封层+透层+18 cm 5%水泥稳定碎石上基层+18 cm 5% 水泥稳定碎石下基层+20 cm 4%水泥稳定碎石底基层+20 cm未筛分碎石垫层。

吉怀高速公路处在湖南省湘西，属于亚热带季风气候区，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，夏季平均气温大多在26℃ ～29℃之间。年平均降雨量在1 200～1 700 mm之间，集中在七、八月份，达全年降雨量的60%～70%，暴雨强度较大。因此吉怀高速公路沥青路面的设计，首先考虑的是要有效的防止水损害。吉怀高速公路交通量调查显示，该路线的大吨位车辆比较多，再加上炎热的夏季气候，防止产生车辙也是吉怀高速公路沥青路面设计的主题。

A—50号沥青具有很好的抗高温抗车辙的性能。同时，湖南省属于夏天炎热冬天温暖的气候分区，气候条件决定湖南省对沥青路面抗低温开裂的要求不高，这为A—50号沥青在吉怀高速公路沥青路面下面层应用提供了客观基础［1－5］。

为更好地保证吉怀高速公路沥青路面的建设质量、延长其使用寿命，尤其是在技术可行、经济适用的前提下，提高沥青路面的高温稳定性，更好地预防沥青路面水损害、车辙等病害，对吉怀高速公路沥青路面下面层所选用的A—50号沥青的性能进行研究，这符合我国道路建设的需要，也为以后该路面的养护提供理论依据。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

A—50号沥青:金陵石化生产。针入度仪:SYD—2801E，上海昌吉地质仪器有限公司;全自动沥青软化点仪:SYD—2806E，无锡华南实验仪器有限公司;恒温双速沥青延度仪:SY—2B，无锡华南实验仪器有限公司;旋转薄膜烘箱，SYD—0610，上海昌吉地质仪器有限公司;开口闪点测试仪:SD—2000K，博山同业分析仪器厂;布什旋转粘度仪:TB—041，上海卓致力天仪器有限公司;热重分析仪:TGAQ 500，美国AT公司;马歇尔自动稳定度仪，中德伟业仪器设备有限公司;渗水仪，HDSS—II，深圳市顶尖称重设备有限公司。

1.2 分析与表征方法

针入度:具体测试方法按GB/T 0604—2011《石油沥青针入度测定法》测定，温度25℃，附加荷重(100 ±0.05)g，贯入时间5 s。

延度:具体测试方法按GB/T 0605—2011《石油沥青延度测定法》测定，实验温度有10℃和15℃，拉伸速度为5 cm/min。

软化点:具体测试方法按GB/T 0606—2011《石油沥青软化点测定(环球法)》进行，钢球质量 (3.5±0.05)g，升温速率5 ℃ /min。

热重法 (TG)分析:美国AT公司生产的TGA Q500，N2气保护下，升温速度为10℃/min，试验温度0℃ ～800℃。

马歇尔稳定度实验:水浴温度60℃，按标准击实法成型马歇尔试件，尺寸符合规范规定，一组试件的数量6个;量测试件的直径及高度;按规范规定的方法测定试件的密度、计算有关物理指标。

渗水实验:采用路面渗水仪对沥青混合料的渗水性进行评价。

2 结果讨论

2.1 吉怀高速下面层所选用A—50号沥青的基本性能分析

沥青质量直接关系到路面工程质量和路面通车后的路用性能和营运效果，是路面施工管理中的关键环节之一。本试验对沥青路面下面层所选用的A—50号沥青的基本性能指标进行了测试，自测实验在吉怀高速公路中心实验室完成，送检实验在长沙理工大学公路工程实验检测中心完成，实验结果见表1。

沥青针入度试验是测定沥青稠度的标准方法。研究结果表明［4，5］，沥青在 25℃的针入度下降 20以下时，会出现严重的路面开裂，当沥青的针入度大于30时，具有高抗开裂性能。从表1可以看出A—50号沥青的针入度为59，远大于30，这说明该沥青的抗开裂性能较好［4］。

采用软化点来评价沥青高温性能，通过这样的评价，可初步表征沥青对混合料高温稳定性能的影响。A—50号沥青的软化点是49.0℃，符合技术规范要求。60℃时A—50号沥青的运动粘度达到290 Pa·s。延度反映了沥青的柔韧性和抗变形能力，是评价沥青低温抗裂性能的一项重要指标［5］。由表1可知，10℃时 A—50号沥青的延度是22，15℃时的延度＞100，均符合技术规范的要求。

表1 吉怀高速沥青路面下面层所用A—50号沥青的性能

2.2 热失重TG分析

热重法(TG)是在温度程序控制下，测试物质质量与温度之间的关系的技术。物质受热后，温度升高或发生结构的变化和化学反应，其性质也发生了改变，达到某一温度时，其状态发生改变并伴随着质量的变化。沥青由沥青质，胶质，芳香分和饱和分组成，当温度升高时，碳数小于4的轻质组分升华，沥青质量减轻，随着温度继续升高，一些不饱和烃发生加成反应以及热解反应，并伴随质量变化［4］。

为了更好地了解吉怀高速所选用A—50号沥青的高温性能，测试沥青质量变化与温度之间的关系，对沥青路面下面层所选A—50号沥青进行了热失重分析。本试验是在中南大学分析测试中心完成。热重分析仪为美国AT公司生产的TGA Q500，N2保护下，在一定温度范围内匀速升温，升温速度为10℃/min，试验温度为0℃ ～800℃。对 A—50号沥青进行Step分析，并绘出TG曲线和一阶微分导数热失重(DTG)曲线。

沥青的热稳定性可以用热分解温度来表示，热分解温度越低，表明沥青的热稳定性越差，反之热稳定性越好。A—50号沥青的TG和DTG曲线如图1所示，TG曲线中均无平台出现，DTG曲线中均只有1个峰。它的热分解峰，初始温度(ts)、峰值温度(tp)和分解结束温度(te)，以及失重率为5%，10%和 50% 时的温度t5，t10和t50如表 2 所示［5－8］。

图1 A－50号沥青的TG和DTG图

表2 A—50 号沥青的热分解峰的 ts，tp，te及失重的 t5，t10，t50 ℃

对于A—50号沥青而言，它的DTG曲线上只有1个峰，由于tp是所分析样品热分解最快时的温度，因而可以用这一温度的高低来表示样品的热稳定性的好坏。从表1中可以看出A—50号沥青的热分解情况分解可分为2个部分，在200℃以前基本不分解;在200℃ ～500℃之间分解很快;500℃后经过一个分解很慢的平台质量不再变化。DTG曲线上在475℃有一个很明显的分解峰。

从ts来看，A—50号沥青开始分解时的温度为263℃，通常情况下，沥青储存及施工温度为160℃～180℃，这表明该沥青在加工过程中热分解的程度很小，在加工完成后仍能保留有效成分，保持较高的热稳定性，从实用的角度来看，符合吉怀高速公路沥青路面技术规范的要求［7，8］。

2.3 AC－25C型沥青混合料的性能

一条质量可靠的高速公路沥青混凝土路面，除了有好的基层，好的原材料，严格控制施工工艺外，配合比设计也是十分重要的。为更好地保证吉怀高速公路沥青路面的建设质量、延长其使用寿命，依据规范要求，考察了吉怀高速公路AC—25C型沥青混凝土路面配合比设计及使用情况。

本次配合比所用集料为石灰岩，沥青为A—50号沥青。各种材料规格、用量及混合料级配的筛分结果见表3、表4。混合料级配AC—25C型沥青混合料设计级配范围见图2。

表3 混合料配合比

表4 混合料级配筛分试验结果表

根据研究资料［3］可知，粗集料的标准为最大公称粒径的1/4(包括1/4粒径)以上的集料，以下的集料则称为细集料，由于本次试验采用了AC—25C，故将2.36 mm以上的集料称为粗集料，其中粗集料比例为 74.5%［9］。

由表3可知，主骨料规格和比例为:20～30 mm的碎石15.5%，15～20 mm的碎石21%，5～15 mm的碎石27%，3～5 mm的碎石11%，机制砂为23%，矿粉为2.5%，A－50号沥青3.94%，各项技术指标符合规范要求。AC—25C沥青混合料级配通过率均在要求的范围内，满足吉怀高速沥青路面的使用要求［10］。

图2 AC—25C沥青混合料级配图

为了进一步确定沥青混合料的性能，根据上述级配和沥青用量，按技术规范要求制作马歇尔试件，进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表5。

根据马歇尔稳定度试验结果，最佳油石比分别为4%，符合各指标要求的油石比范围3.9% ～4.5%，根据经验取得最佳油石比为4.2%，且VMA满足设计要求［9］。

表5 AC—25C沥青混合料马歇尔稳定度试验表

为了进一步确定沥青混合料的抗水害性能，根据上述级配和沥青用量，按技术规范要求进行沥青路面渗水实验，试验结果见表6。

表6 沥青路面渗水实验表

根据沥青路面渗水实验结果，该级配抗水害性能良好，符合各指标要求。目标配合比设计结果，可用于吉怀高速公路沥青路面下面层［11］。

3 结论

从以上的研究分析来看，A—50号沥青的路用基本性能都满足吉怀高速公路建设的技术要求。运用热失重分析技术同时获得该试样的TG和DTG曲线，明确起始和终止失重温度及相应的失重量，在使用温度范围内，A—50号沥青的热稳定性比较好，基本不挥发、分解。对A—50号沥青进行了AC—25C沥青混合料的设计级配实验及马歇尔试验，由试验结果知，该级配混合料性能良好，可用于吉怀高速公路沥青路面下面层的使用。

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