基于外加劑技術(shù)的瀝青混合料路用性能研究

惠 冰，張 超

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)試驗室，陜西西安710064)

0 引言

目前，水泥混凝土外加劑不但能夠滿足混凝土的各項性能要求，而且使用簡單方便，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保.然而瀝青混合料的外加劑遠(yuǎn)未達(dá)到和混凝土外加劑相同的研發(fā)及普及程度［1］.由于瀝青混合料內(nèi)部的材料及其結(jié)構(gòu)屬性，常常面臨夏季高溫形成車轍，而冬季低溫又會開裂等一系列問題［2］.為了改善瀝青路面在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，學(xué)者對多種改性瀝青混合料進(jìn)行了大量的試驗研究［3-6］，但傳統(tǒng)方法改性瀝青混合料受到改性材料和瀝青相容性、儲存穩(wěn)定性等因素影響，所采取的技術(shù)措施或是效果不佳難以湊效［7-8］，或是技術(shù)要求難度高而不易普及［9］.新型瀝青路面增強(qiáng)劑是一種直接投放式改性材料，由多種聚合物與環(huán)保型纖維為主料共同混合制成，改性過程僅需經(jīng)簡單機(jī)械攪拌即可將增強(qiáng)劑穩(wěn)定地分散于瀝青混合料之中，避免了通常改性瀝青中在添加改性劑時，易產(chǎn)生離析和工藝難度大的缺點(diǎn).筆者通過對不同增強(qiáng)劑摻量條件下瀝青混合料路用性能試驗，并與有代表性的SBS改性瀝青混合料進(jìn)行性能對比，深入研究增強(qiáng)劑對瀝青混合料技術(shù)性能的影響.

1 原材料性能和配合比設(shè)計

1.1 瀝青混合料增強(qiáng)劑

試驗研究采用由北京天成墾特萊科技有限公司研發(fā)的墾特萊牌瀝青混合料增強(qiáng)劑，是一種由聚合物、天然瀝青和纖維聚合組成的顆粒狀改性材料，其儲存性能穩(wěn)定且使用方便，與瀝青混合料有良好的相融合能力，具體技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 增強(qiáng)劑技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The properties of strength agent

1.2 瀝青

試驗采用殼牌70#重交道路石油瀝青和改性瀝青，其中改性劑采用燕山石化的4303(YH2801型)星型結(jié)構(gòu)物SBS作為改性劑與殼牌70#瀝青進(jìn)行改性，摻入量為5%.按照J(rèn)TJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的方法測定了這兩種瀝青技術(shù)性能指標(biāo).具體見表2.

表2 瀝青的技術(shù)性能Tab.2 The properties of asphalt

1.3 礦料

粗細(xì)集料采用輝綠巖.礦粉采用磨細(xì)的石灰?guī)r.經(jīng)檢測各項指標(biāo)均符合《JTGF 40—2004公路瀝青路向施工技術(shù)規(guī)范》要求.

1.4 混合料組成

根據(jù)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中AC-13瀝青混合料礦料級配范圍的要求，采用相應(yīng)級配中值作為瀝青混合料礦料組成，如表3所示，相應(yīng)油石比為4.5%，增強(qiáng)劑的使用不改變?yōu)r青混合料的配合比，其摻量為瀝青混合料總質(zhì)量的2‰～8‰.

表3 瀝青混合料的級配Tab.3 The gradation of asphalt mixture

2 增強(qiáng)劑改性工藝

增強(qiáng)劑采用基于“干法”的改性工藝，即在普通瀝青混合料拌和過程中直接添加增強(qiáng)劑以改性瀝青混合料.在實(shí)驗室利用增強(qiáng)劑改性瀝青混合料主要流程為：先將RA抗車轍劑和熱集料干拌15～30 s，以使增強(qiáng)劑均勻分散在礦料中.然后將瀝青按照預(yù)定用量加入，拌和90 s;最后加入礦粉，再拌和90 s.增強(qiáng)劑改性工藝溫度控制要求見表4.

表4 增強(qiáng)劑改性工藝溫度控制要求Tab.4 The temperature control requirements of strength agent modification process

3 試驗結(jié)果與分析

在相同級配和最佳油石比條件下，按照 JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對增強(qiáng)劑改性瀝青混合料、基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青混合料進(jìn)行路用性能的比較.

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗進(jìn)行瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的評價，試驗的溫度條件以60℃為準(zhǔn).但如果僅以目前試驗規(guī)程規(guī)定的60℃溫度條件評價瀝青混合料高溫抗變形能力，還不足以體現(xiàn)極端氣候條件的瀝青混合料高溫性能的表現(xiàn)，因此增加70℃條件下車轍試驗，結(jié)果見表5.

(1)由表5結(jié)果可見，與采用基質(zhì)瀝青組成的普通瀝青混合料相比，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度有顯著的提高，當(dāng)使用增強(qiáng)劑后，這種高溫性能的改善能力得到進(jìn)一步增強(qiáng).表中數(shù)據(jù)顯示，隨增強(qiáng)劑摻量增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度不斷提高，可見增強(qiáng)劑表現(xiàn)出比SBS改性瀝青更好的高溫改性效果.

表5 瀝青混合料的動穩(wěn)定度Tab.5 The DS of asphalt mixtures

(2)當(dāng)溫度由60℃升高到70℃時，各類混合料的動穩(wěn)定度都有大幅度的衰減，表明高溫是瀝青路面產(chǎn)生車轍的主要因素.對于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料，70℃動穩(wěn)定度比60℃時動穩(wěn)定度降低了60%左右.盡管摻入增強(qiáng)劑的瀝青混合料也在70℃時穩(wěn)定度也有明顯的降低，但隨著增強(qiáng)劑用量的不斷增加，動穩(wěn)定度的衰減幅度減小，而且絕對動穩(wěn)定度仍然能達(dá)到較高水平，可見通過采用調(diào)整增強(qiáng)劑用量的方法，能夠適應(yīng)更為苛刻的高溫穩(wěn)定性要求.

(3)無論在何種溫度條件下，增強(qiáng)劑的使用能夠明顯降低瀝青混合料的在荷載作用下的總變形量，且隨著增強(qiáng)劑用量的不斷增大，這種特點(diǎn)得到進(jìn)一步發(fā)揮.目前的車轍試驗是采用45～60 min時間段的變形量，忽略之前的初期荷載壓密過程產(chǎn)生的變形.所以這種總變形量的減小說明增強(qiáng)劑的應(yīng)用不僅僅是在規(guī)定條件下增強(qiáng)了相對抗變形能力，而且是從整體上提高了瀝青混合料在高溫環(huán)境下的絕對抗變形能力，因而從根本上減緩夏季高溫瀝青路面產(chǎn)生永久塑性變形問題.

3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料低溫抗裂性評價方法采用規(guī)范要求的低溫彎曲試驗，試驗溫度-10℃，加載速率50 mm/min，結(jié)果見表6.

表6 瀝青混合料的彎曲破壞試驗結(jié)果Tab.6 The results of bending damage test of asphalt mixtures

(1)試驗結(jié)果顯示增強(qiáng)劑改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變要明顯高于普通瀝青混合料，表現(xiàn)出良好的低溫性能.

(2)在采用增強(qiáng)劑后，隨著高溫性能的大幅度提高，并未出現(xiàn)以往易于發(fā)生的高溫性能改善，相應(yīng)低溫時會產(chǎn)生質(zhì)硬性脆的問題，而是表現(xiàn)出良好的低溫變形能力.試驗結(jié)果說明在低溫應(yīng)變和破壞強(qiáng)度得到明顯提高的同時，相應(yīng)模量卻在下降，從而很好地協(xié)調(diào)了瀝青混合料的高低溫性能要求，這是瀝青路面增強(qiáng)劑的應(yīng)用的一個顯著特點(diǎn).

增強(qiáng)劑改性瀝青混合料在4‰～8‰用量條件下能夠滿足低溫性能技術(shù)要求，達(dá)到與SBS改性瀝青混合料接近的低溫性能，產(chǎn)生這種效果的原因來源于增強(qiáng)劑中高聚物成分形成的內(nèi)聚力較基質(zhì)瀝青要大得多，從而促使瀝青與礦料形成的界面強(qiáng)度較普通瀝青混合料油石界面強(qiáng)度得以提高.采用彎曲應(yīng)變能密度函數(shù)的概念在一定程度上能夠反映這種油石界面能的變化狀態(tài)［3］，定量地反映不同類型混合料各自的低溫性能表現(xiàn).彎曲應(yīng)變能計算公式［10］為：

式中：dW/dV為應(yīng)變能密度函數(shù)，其臨界值是斷裂時應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線下的面積;σij，εij分別為應(yīng)力、應(yīng)變分量.

計算時，根據(jù)試驗結(jié)果，繪出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行回歸，回歸方程為三次拋物線.根據(jù)試驗結(jié)果，計算得出各類型混合料的彎曲應(yīng)變能見表7.

表7 瀝青混合料試件的彎曲應(yīng)變能Tab.7 Bending strain energy of asphalt mixtures specimen

由表7可以看出，彎曲應(yīng)變能從大至小依次為4‰～8‰增強(qiáng)劑＞SBS改性瀝青＞2‰增強(qiáng)劑＞基質(zhì)瀝青.在增強(qiáng)劑用量為4‰～8‰時，低溫時瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能最高.應(yīng)變能密度越大，材料發(fā)生破壞所需的能量也越大，材料的性能也就越好.可見，增強(qiáng)劑的加入提高混合料的允許變形能力，強(qiáng)化了低溫時瀝青混合料中瀝青與礦料界面之間的連結(jié)效果，從而提高了瀝青混合料低溫變形能力，增強(qiáng)了瀝青路面低溫抗裂性.

3.3 水穩(wěn)定性能

采用凍融劈裂和殘留穩(wěn)定度試驗評價不同類型混合料的水穩(wěn)定性，結(jié)果如表8所示.

表8 瀝青混合料的凍融劈裂和殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果Tab.8 The TSR and residual stability value of asphalt mixtures

(1)由表8可知，當(dāng)分別摻入增強(qiáng)劑后無論是凍融劈裂強(qiáng)度比還是馬歇爾殘留穩(wěn)定度都較好的達(dá)到規(guī)范要求，較普通瀝青混合料都有一定程度的提高，從而表現(xiàn)出增強(qiáng)劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的積極影響.

(2)兩組試驗結(jié)果中，增強(qiáng)劑在凍融劈裂中效果表現(xiàn)要好于殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果，在一定摻量范圍里甚至要優(yōu)于SBS改性瀝青混合料.根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程可知，表征水穩(wěn)定性的試驗中凍融劈裂試驗條件要明顯高于殘留穩(wěn)定度的試驗要求，這樣的現(xiàn)象說明，增強(qiáng)劑能夠更有效地抵御水的破壞作用，在更為苛刻的水的侵入考驗條件下，更好地增強(qiáng)瀝青路面的抵御水的破壞.

4 瀝青混合料增強(qiáng)劑的經(jīng)濟(jì)性分析

雖然采用增強(qiáng)劑材料增加了瀝青路面初期建設(shè)投資費(fèi)用，但可通過全面提高瀝青路面使用效果、延緩路面病害、減少養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用中得到回報.對于增強(qiáng)劑改性瀝青混合料來說，由于改性工藝簡單，操作便利，因而在使用工藝的投入上就具備了一定的優(yōu)勢.

增強(qiáng)劑單價約1.5萬元/t，摻量通常在4‰～6‰，所以每噸瀝青混合料增加費(fèi)用在60～90元之間.如每車道按3.75 m寬、以鋪設(shè)4 cm厚瀝青混合料考慮，混合料密度按2.4 t/m3計時，一個車道1 km投入增加的費(fèi)用(按照5‰添加量考慮)是2.70萬元;

對SBS現(xiàn)場改性瀝青來說，當(dāng)混合料瀝青用量為4.5%，每噸改性瀝青加工費(fèi)(含SBS材料費(fèi))0.18萬元計，按照同樣一個車道的條件計算，每公里增加的費(fèi)用是2.916萬元，超過增強(qiáng)劑費(fèi)用約2.1萬元.

5 結(jié)論

瀝青混合料增強(qiáng)劑能較好地改善瀝青混合料的低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，且隨著摻量的不斷增加，其改性效果愈發(fā)明顯;采用外加劑方法進(jìn)行改性研究很好地解決了效果與操作難易程度的結(jié)合，增強(qiáng)劑在貯存和施工上要求簡單，生產(chǎn)過程可直接添加于拌和容器中攪拌即可，施工過程無需特殊要求，易于在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用;增強(qiáng)劑在經(jīng)濟(jì)性上具有一定的優(yōu)勢，具有更加顯著的性價比.該結(jié)論是在有限的試驗樣本和范圍基礎(chǔ)上得到的，故需對增強(qiáng)劑改性瀝青混合料的路用性能作進(jìn)一步研究，同時對增強(qiáng)劑改性機(jī)理也需進(jìn)行深入探討.

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