不同級配復(fù)合改性瀝青混合料路用性能

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(1.長安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西西安710064； 2.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西西安710064)

0 引言

瀝青混合料高低溫及抗疲勞性能的改善措施一直是國內(nèi)外研究的重點，國內(nèi)外眾多學(xué)者對在瀝青混合料中添加抗車轍劑的改性機理及改性瀝青混合料相關(guān)路用性能做了大量的試驗研究，得出抗車轍劑的加入能顯著改善其高溫性能，但對低溫性能和疲勞性能改善不太明顯的結(jié)論[1-3]。在橡膠粉改性方面，由于橡膠粉具有優(yōu)良的彈性，在改善瀝青混合料低溫性能、抗疲勞以及抗老化性能方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，但是在高溫性能、水穩(wěn)定性以及儲存穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)還有待改善[4-6]。在復(fù)合改性瀝青混合料方面，國內(nèi)外學(xué)者對木質(zhì)素與橡膠粉、青川巖瀝青與橡膠粉，SBS與橡膠粉等復(fù)合改性劑對混合料性能的提升做了相關(guān)研究，得出添加復(fù)合改性劑比添加單一改性劑路用性能的改善效果更加明顯的結(jié)論[7]。在橡膠粉和抗車轍劑復(fù)合改性方面，抗車轍劑和橡膠粉復(fù)合改性劑的摻入對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性改善最為顯著，其耐疲勞性能甚至優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能也均比單一加入抗車轍劑或橡膠粉時有一定的提升[8-9]。在級配研究方面，不同的級配對瀝青混合料路用性能的優(yōu)點表現(xiàn)不一樣，粗級配更有利抗變形能力的提高，細(xì)級配更有利于抗裂性能、水穩(wěn)以及抗疲勞性能的提升[10-12]。

但目前國內(nèi)外學(xué)者對在不同級配下?lián)饺肟管囖H劑和橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料路用性能的研究相對較少，主要停留在單一的復(fù)合改性方面，因此本文試驗方案采用連續(xù)級配、間斷級配和半間斷級配應(yīng)用在復(fù)合改性瀝青混合料中，研究不同級配下復(fù)合改性劑中新型橡膠粉的最佳摻量、復(fù)合改性瀝青混合料高低溫性能和水穩(wěn)定性能，為今后的工程實踐提供理論依據(jù)。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料與級配

本文采用的改性劑為抗車轍劑和新型橡膠粉，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。

表1 抗車轍劑技術(shù)指標(biāo)試驗Tab.1 Main technicalindexes of Anti-Rut Agent

表2 新型橡膠粉技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indexes of New rubber powder

試驗采用中海90#瀝青，其各項技術(shù)指標(biāo)如下表3所示，粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機制砂，礦粉為石灰石磨細(xì)礦粉，其各項技術(shù)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求[13]。

表3 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Main technical indexes of base asphalt

礦料級配根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中AC-13，SMA-13瀝青混合料礦料級配范圍的要求，采用級配中值作為瀝青混合料礦料組成，如表4所示。

表4 瀝青混合料礦料級配Tab.4 Mineral aggregate gradation of asphalt mixture

1.2 試驗方案

在連續(xù)級配和半間斷級配下，分別采用干拌法加入0.4 %(與集料和瀝青的質(zhì)量總和之比)抗車轍劑和0、1.2 %、1.5 %、1.8 %新型橡膠粉，在間斷級配中加入0.6 %抗車轍劑和0、1.2 %、1.5 %、1.8 %新型橡膠粉，通過車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗(TSR)以及48 h下的浸水馬歇爾試驗，評價其在不同級配和復(fù)合改性后混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 AC-13型連續(xù)級配復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能

在連續(xù)級配(AC-13)復(fù)合改性瀝青混合料中，由馬歇爾試驗得到各摻量下的最佳油石比分別為4.3 %、4.5 %、4.6 %和4.7 %，首先通過車轍試驗確定抗車轍劑最優(yōu)摻量為0.4 %，由干拌法加入0.4 %抗車轍劑和不同摻量的新型橡膠粉，通過試驗得到復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度、最大破壞彎拉應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比，以此來評價其在高低溫性能和水穩(wěn)定性方面的改善效果，最終確定新型橡膠粉的最佳摻量為1.5 %，試驗結(jié)果見圖1～圖3。

2.1.1 高溫穩(wěn)定性

通過高溫車轍試驗，測定不同摻量下復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，得出其高溫性能的試驗結(jié)果，見圖1。

由圖1可以看出，連續(xù)級配下抗車轍劑摻量0.4 %保持不變，隨著新型橡膠粉的摻量的加大，動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在新型橡膠粉含量為1.5 %時動穩(wěn)定度最大，表明抗車轍劑和新型橡膠粉的加入能顯著改善混合料高溫性能，且在0.4 %抗車轍劑/1.5 %新型橡膠粉摻量時，混合料高溫穩(wěn)定性表現(xiàn)最優(yōu)。

混合料高溫穩(wěn)定性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，主要是因為在抗車轍劑摻量一定時，新型橡膠粉的摻量比抗車轍劑大很多，由于新型橡膠粉并未與瀝青完全反應(yīng)，有一小部分直接填充在混合料的空隙中，加上其較好的彈性恢復(fù)能力，故較大程度的提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。同時由于傳統(tǒng)AC-13連續(xù)級配本身空隙就相對較少，且對瀝青用量和溫度較敏感，過多的新型橡膠粉會導(dǎo)致混合料遇車載滑移，高溫抗車轍能力下降，故新型橡膠粉摻量1.5 %附近高溫穩(wěn)定性相對最優(yōu)。

2.1.2 低溫抗裂性

通過低溫小梁彎曲試驗得到瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變，通過最大彎拉應(yīng)變來評價混合料低溫抗裂性，試驗結(jié)果見圖2(抗車轍劑0.4 %)。

圖1不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能
Fig.1Hightemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

圖2不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料低溫性能
Fig.2Lowtemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

在低溫抗裂性方面，在0.4 %抗車轍劑最佳摻量下，隨著新型橡膠粉摻量的增加，瀝青混合料的破壞最大彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，與基質(zhì)瀝青和單一添加抗車轍劑相比提升非常明顯，說明新型橡膠粉能夠較好的改善混合料低溫性能，且與抗車轍劑復(fù)合改性能夠較大程度上提升混合料抵抗高溫變形和低溫開裂的能力。

2.1.3 水穩(wěn)定性

本文采用48 h下的浸水馬歇爾試驗和和能夠較真實模擬實際路面水損害的凍融劈裂試驗，得到殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比(TSR)，試驗結(jié)果見圖3(抗車轍劑0.4 %)。

圖3 不同摻量復(fù)合改性瀝青混合水穩(wěn)定性能Fig.3 Water stability performance of different dosage composite modified asphalt mixture

由圖3可以看出，在連續(xù)級配下，改性后的瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料相比水穩(wěn)定性能提升很小，這是由于瀝青中的一部分輕質(zhì)組分被新型橡膠粉吸收，瀝青中的重質(zhì)組分相對增加，一定程度上增強了瀝青和集料的表面粘附性能，當(dāng)新型橡膠粉的含量過高時，輕質(zhì)組分被大量吸收，瀝青四組分發(fā)生較大變化，減弱了瀝青與集料的表面粘附性能，使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定程度的下降，使得改性后的瀝青混合料水穩(wěn)定性能提升不明顯，但是遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。

綜上，推薦在連續(xù)級配下，復(fù)合改性劑的最優(yōu)摻量為0.4 %抗車轍劑和1.5 %新型橡膠粉。

2.2 SMA-13型間斷級配復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能

在間斷級配SMA-13復(fù)合改性瀝青混合料中，由馬歇爾試驗得到各摻量下的最佳油石比分別為4.4 %、4.6 %、4.7 %和4.8 %，首先通過車轍試驗確定抗車轍劑最優(yōu)摻量為0.6 %，由干拌法加入0.6 %抗車轍劑和不同摻量的新型橡膠粉，通過試驗得到復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度、最大破壞彎拉應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比，以此來評價其在高低溫性能和水穩(wěn)定性方面的改善效果，最終確定新型橡膠粉的最佳摻量為1.8 %，試驗結(jié)果見圖4～圖6(抗車轍劑為0.6 %)。

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

通過高溫車轍試驗，測定不同摻量下復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，得出其高溫性能的試驗結(jié)果，見圖4。

從圖4可以看出，間斷級配下抗車轍劑摻量0.6 %保持不變，隨著新型橡膠粉的摻量的加大，動穩(wěn)定度逐漸增大，且在新型橡膠粉摻量為1.8 %時動穩(wěn)定度達(dá)到最大，主要是因為在抗車轍劑摻量一定時，新型橡膠粉吸附了一部分瀝青，另一方面新型橡膠粉填充了間斷級配混合料較多的空隙，進(jìn)一步改善混合料高溫穩(wěn)定性，且故新型橡膠粉摻1.8 %時高溫穩(wěn)定性最優(yōu)[14]。

2.2.2 低溫穩(wěn)定性

通過低溫小梁彎曲試驗測定瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變，通過最大彎拉應(yīng)變來評價其低溫抗裂性，試驗結(jié)果見圖5(抗車轍劑為0.6 %)。

圖4不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能
Fig.4Hightemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

圖5不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料低溫性能
Fig.5Lowtemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

在低溫抗裂性方面，在0.6 %抗車轍劑最佳摻量下，隨著新型橡膠粉的摻量的增加，瀝青混合料的破壞最大彎拉應(yīng)變逐漸增加，與基質(zhì)瀝青及單一抗車轍劑改性瀝青混合料相比提升非常明顯，在新型橡膠粉摻量為1.8 %時約為基質(zhì)瀝青的兩倍，表明復(fù)合改性瀝青混合料在摻入新型橡膠粉時，低溫條件下的抗變形能力逐漸變強，且新型橡膠粉摻量為1.8 %時低溫穩(wěn)定性最好。

2.2.3 水穩(wěn)定性

采用48h下的浸水馬歇爾試驗和和能夠較真實模擬實際路面水損害的凍融劈裂試驗，得到殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比(TSR)，試驗結(jié)果見圖6(抗車轍劑為0.6 %)。

由圖6可以看出，在間斷級配下，隨著新型橡膠粉摻入量的提高，改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料相比水穩(wěn)定性提升有限，在新型橡膠粉摻量為1.8 %時，混合料水穩(wěn)定能達(dá)到最大。這主要是由于在間斷級配混合料中，過多的礦粉會使得礦料表面瀝青膜變薄，導(dǎo)致復(fù)合改性劑的加入對其水穩(wěn)定性提升不大[15]。

綜上，故推薦間斷級配瀝青混合料復(fù)合改性劑最佳摻量為0.6 %抗車轍劑和1.8 %新型橡膠粉。

圖6 不同摻量復(fù)合改性瀝青混合水穩(wěn)定性能Fig.6 Water stability performance of different dosage composite modified asphalt mixture

2.3 半間斷級配復(fù)合改性瀝青混合料的相關(guān)性能

在半間斷級配復(fù)合改性瀝青混合料中，由馬歇爾試驗得到各摻量下的最佳油石比分別為4.1 %、4.3 %、4.4 %和4.5 %，首先通過車轍試驗確定抗車轍劑最優(yōu)摻量為0.4 %，由干拌法加入0.4 %抗車轍劑和不同摻量的新型橡膠粉，通過試驗得到復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度、最大破壞彎拉應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比，以此來評價其在高低溫以及水穩(wěn)定性方面的改善效果，最終確定新型橡膠粉的最佳摻量為1.5 %，試驗結(jié)果見圖7～圖9(抗車轍劑為0.4 %)。

2.3.1 高溫穩(wěn)定性

通過高溫車轍試驗試驗，測定不同摻量下復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，得出其高溫性能的試驗結(jié)果，見圖7

從圖7可以看出，在高溫穩(wěn)定性方面，在抗車轍劑摻量0.4 %不變的情況下，動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在新型橡膠粉含量為1.5 %時動穩(wěn)定度最大，相比基質(zhì)瀝青提升了大約六倍，且比單一抗車轍劑改性瀝青混合料相比也提升了1.4倍，且優(yōu)于連續(xù)級配和間斷級配下混合料高溫穩(wěn)定性。

2.3.2 低溫穩(wěn)定性

通過低溫小梁彎曲試驗測定瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變，通過最大彎拉應(yīng)變來評價其低溫抗裂性，試驗結(jié)果見圖8(抗車轍劑為0.4 %)。

圖7不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能
Fig.7Hightemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

圖8不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料低溫性能
Fig.8Lowtemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

由圖8可知，在低溫穩(wěn)定性方面，在0.4 %抗車轍劑最佳摻量下，隨著新型橡膠粉的摻量的增加，瀝青混合料的破壞最大彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，表明復(fù)合改性瀝青混合料的在摻入新型橡膠粉后在低溫條件下的抗變形能力逐漸變強，且新型橡膠粉摻量為1.8 %時低溫穩(wěn)定性相對最優(yōu)。

2.2.3 水穩(wěn)定性

采用48 h下的浸水馬歇爾試驗和能較真實的模擬實際路面水損害凍融劈裂試驗得到殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比(TSR)，試驗結(jié)果見圖9。

圖9 不同摻量復(fù)合改性瀝青混合水穩(wěn)定性能Fig.9 Water stability performance of different dosage composite modified asphalt mixture

由圖9可以看出，在水穩(wěn)定性方面，對于半間斷級配復(fù)合改性瀝青混合料，隨著新型橡膠粉摻入量的提高，混合料的破壞彎拉應(yīng)變和殘留穩(wěn)定度有一定程度的增長，相較基質(zhì)瀝青提升較明顯。但是其TSR隨著新型橡膠粉摻量的加大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢且提升不是非常明顯，說明新型橡膠粉的摻量并不是越大越好[16]。

綜上，故推薦半間斷級配瀝青混合料復(fù)合改性劑最佳摻量為0.4 %抗車轍劑和1.5 %新型橡膠粉。

3 不同級配最佳摻量混合料路用性能比較

復(fù)合改性瀝青混合料在最佳改性劑摻量下以已經(jīng)具備較好的路用性能，但不同的級配對其路用性能的改善效果不同，且差距明顯，下面通過對以上三種不同級配復(fù)合改性瀝青混合料路用性能的研究和對比，選出路用性能、經(jīng)濟性俱佳級配的復(fù)合改性瀝青混合料。

3.1 高溫性能試驗結(jié)果對比

從圖10可以看出，半間斷級配下，復(fù)合改性瀝青混合料在高溫條件下抗車轍的能力明顯優(yōu)于間斷級配和連續(xù)級配，半間斷級配改性瀝青混合料動穩(wěn)定度約為間斷級配改性瀝青混合料的1.5倍，說明在改性劑最佳摻量下，級配對混合料的影響較大，且半間斷級配在改善混合料的高溫穩(wěn)定性方面表現(xiàn)最優(yōu)。

3.2 低溫性能試驗結(jié)果對比

從圖11可以看出，間斷級配下，改性瀝青混合料在低溫條件下抵抗瀝青路面開裂的能力比連續(xù)級配和半間斷級配更強，但優(yōu)勢不太明顯，表明在改性劑最佳摻量下，級配對混合料低溫抗裂性能的改善效果不太明顯，且間斷級配混合料在低溫抗裂性方面表現(xiàn)最優(yōu)。

圖10最佳摻量復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能
Fig.10Hightemperatureperformanceofoptimaldosagecompositemodifiedasphaltmixture

圖11最佳摻量復(fù)合改性瀝青混合料低溫性能
Fig.11Lowtemperatureperformanceofoptimaldosagecompositemodifiedasphaltmixture

3.3 水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果對比

從圖12可以看出，連續(xù)級配和半間斷級配下，混合料在抵抗瀝青路面水損害方面的能力相當(dāng)且優(yōu)于間斷級配，表明不同級配下改性瀝青混合料抵抗水損害的能力有一定的差異，且以與工程實踐比較相近的凍融劈裂比(TSR)作為比較可以得出，連續(xù)級配和半間斷改性瀝青混合料稍有優(yōu)勢。

圖12 最佳摻量復(fù)合改性瀝青混合水穩(wěn)定性能Fig.12 Water stability performance of optimal dosage composite modified asphalt mixture

4 結(jié)論

本文通過瀝青混合料高低溫及水穩(wěn)定性試驗，分別從抗車轍摻量、橡膠粉摻量以及不同的級配類型等試驗因素入手，在確定抗車轍劑最優(yōu)摻量下，對新型橡膠粉摻量進(jìn)行了詳細(xì)研究，最終在得到復(fù)合改性劑最優(yōu)摻量的前提下，通過對比三種不同級配下復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能，得出了相對最優(yōu)級配及改性劑最優(yōu)摻量：

① 基于不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料路用性能研究，提出了抗車轍劑/新型橡膠粉復(fù)合改性劑最優(yōu)摻量：AC-13型連續(xù)級配和半連續(xù)級配分別為0.4 %抗車轍劑/1.5 %新型橡膠粉，SMA-13型間斷級配為0.6 %抗車轍劑/1.8 %新型橡膠粉。

② 通過對比AC-13，SMA-13以及半連續(xù)級配混合料高溫車轍試驗結(jié)果，得出了復(fù)合改性劑最優(yōu)摻量下半間斷級配瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于間斷型SMA-13級配和連續(xù)型AC-13，且優(yōu)勢相對明顯。

③ 在低溫穩(wěn)定性方面，間斷型SMA-13級配表現(xiàn)最優(yōu)，但與連續(xù)型AC-13級配和半間斷級配相比優(yōu)勢不太明顯，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。在水穩(wěn)定方面，半間斷級配和AC-13型連續(xù)級配表現(xiàn)優(yōu)于SMA-13型連續(xù)級配。

④ 綜合以上分析結(jié)果，在最佳改性劑摻量下半間斷級配高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于AC-13型連續(xù)級配和SMA-13間斷級配，同時具有較好的低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能，推薦半間斷級配作為最優(yōu)級配，且復(fù)合改性劑最佳摻量為0.4 %抗車轍劑/1.5 %新型橡膠粉。