抗車轍劑改性瀝青混合料制備方法對其高溫性能的影響

馬 峰，張昭區(qū)，傅 珍，張 超

（1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000；3.長安大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

抗車轍劑是一種由聚乙烯、聚丙烯等聚合物混合而成的新型添加劑，主要用于改善瀝青混合料的高溫性能。國內(nèi)外學(xué)者已對抗車轍劑瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明抗車轍劑能顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性［1－6］。

為研究抗車轍劑改性瀝青混合料制備方法對高溫穩(wěn)定性的影響，肖慶一等［7］采用干法制備不同摻量的抗車轍劑瀝青混合料，并對其路用性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明抗車轍劑主要依靠機(jī)械嵌擠力、纖維／纖維網(wǎng)約束力、膠結(jié)力以及吸收瀝青中的輕質(zhì)油分等幾方面發(fā)揮作用；曾志威［8］運(yùn)用正交分析法分析了制備工藝對摻抗車轍劑AC－20的高溫性能的影響，并提出了適合的工藝參數(shù)；戴佑才等［9］將0.15%和0.3%的抗車轍劑以濕拌的方法加入瀝青混合料中并進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果表明抗車轍劑的摻入顯著提高了瀝青混合料的動穩(wěn)定度；余紅杰［10］通過研究瀝青混合料強(qiáng)度參數(shù)在抗車轍劑作用下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻入抗車轍劑后瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角等均隨抗車轍劑摻量的增大而增大；張爭奇等［11］通過一系列試驗(yàn)研究了不同因素對摻加抗車轍劑的瀝青混合料高溫性能的影響及顯著程度，結(jié)果表明各因素水平組合較好的方案為“PR抗車轍劑，0.45%抗車轍劑摻量，AC－16型礦料級配”；董海軍等［12］對經(jīng)過4年重交通運(yùn)營的試驗(yàn)路段進(jìn)行路面檢測，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)段內(nèi)無車轍、坑槽及明顯的裂縫病害發(fā)生，驗(yàn)證了抗車轍劑對路面高溫性能的改善效果。綜上所述，大量的室內(nèi)試驗(yàn)以及試驗(yàn)路段表明，干拌法和濕拌法均能顯著改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

但是，制備方法對抗車轍劑瀝青混合料的影響還未有明確的結(jié)論，且抗車轍劑對不同礦料級配瀝青混合料的改善規(guī)律及改性機(jī)理也不清楚。因此，本文選取KTL抗車轍劑作為瀝青混合料的添加劑，以干拌和濕拌2種方法分別制備AC－13、AC－16和AC－20型抗車轍劑瀝青混合料，研究2種制備方法下抗車轍劑對瀝青混合料性能的改善效果。研究結(jié)果對于改善抗車轍劑改性瀝青混合料高溫性能、抗車轍劑瀝青混合料礦料級配的選取、抗車轍劑的推廣應(yīng)用及深入研究具有一定的參考價值。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與級配

抗車轍劑采用北京天成墾特萊科技有限公司生產(chǎn)的KTL抗車轍劑，它是一種新型國產(chǎn)瀝青混合料外加改性劑，主要用于瀝青路面中，主要成分為高分子聚合物，呈褐黑色顆粒狀，可在常溫下保存。其主要技術(shù)性能如表1所示。

表1 KTL抗車轍劑的主要技術(shù)性能

瀝青采用中海70＃瀝青，其技術(shù)性能如表2所示。礦料采用玄武巖，礦粉為石灰石磨細(xì)礦粉，其各項(xiàng)技術(shù)性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。

表2瀝青的主要技術(shù)性能

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中 AC－13、AC－16和 AC－20瀝青混合料對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3所示。最佳油石比分別為4.3%、4.2%和4.1%。

表3 瀝青混合料礦料級配

1.2 制備方法與試驗(yàn)方法

1.2.1 制備方法

抗車轍劑改性瀝青混合料按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的要求制備。干拌法為：預(yù)先將配制好的粗細(xì)集料烘干，加熱至180℃，然后與稱量好的抗車轍劑一并倒入拌鍋中拌合90s，隨后加入溫度為170℃的基質(zhì)瀝青并拌合90s，最后加入礦粉并拌合90s，拌合溫度均為175℃；濕拌法為：先將試驗(yàn)缸盛放的瀝青加熱至180℃，再將高速剪切機(jī)的工作頭插入瀝青中，啟動速率為5 000rad·s－1的剪切機(jī)，分次將稱量好的抗車轍劑加入瀝青中，總剪切時間為1h，制備成抗車轍劑改性瀝青，最后在與干法相同的條件下制備瀝青混合料。

1.2.2 車轍試驗(yàn)

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中 T 0703的要求制得長300 mm、寬300mm、厚50mm的瀝青混合料車轍試件，室溫下放置48h后進(jìn)行車轍試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)步驟為：將60℃空氣浴環(huán)境下預(yù)熱5h后的車轍板放置于橡膠試驗(yàn)輪下，下調(diào)試驗(yàn)輪，在車轍板上表面產(chǎn)生1個0.7MPa的壓強(qiáng)，啟動設(shè)備，試驗(yàn)輪在同一軌跡（方向與成型方向一致）上反復(fù)行駛，形成一定深度的車轍，試驗(yàn)時間為60min。由45min和60 min兩個時間對應(yīng)的車轍深度計算動穩(wěn)定度，計算公式為

式中：DS為動穩(wěn)定度（次·mm－1）；d為對應(yīng)時間t（min）的變形量（mm）；N為試驗(yàn)輪在試件上返復(fù)碾壓的速度，N＝42次·mm－1；C1為試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)，本文中C1＝1；C2為試件系數(shù)，C2＝1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

高溫性能主要體現(xiàn)瀝青混合料在溫度較高或荷載作用時間較長時抵抗外界荷載的能力，由于礦料性能相對穩(wěn)定且占據(jù)瀝青混合料80%以上的體積，所以對于高溫性能而言，30%取決于瀝青，而70%取決于礦質(zhì)混合料，可見礦料級配對瀝青混合料高溫性能產(chǎn)生很大影響［13］。表4為未摻抗車轍劑時AC－13、AC－16和 AC－20型瀝青混合料的車轍深度以及動穩(wěn)定度。

表4 基質(zhì)瀝青混合料車轍深度及動穩(wěn)定度

由表4可見，隨著混合料最大粒徑增大，車轍深度以及動穩(wěn)定度隨之降低，即瀝青混合料的高溫性能隨之降低。選取的3種瀝青混合料均為懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，與骨架空隙和骨架密實(shí)型瀝青混合料不同，懸浮密實(shí)型瀝青混合料含有由大到小一系列連續(xù)級配的集料，集料整體的比表面積較大，與瀝青的包絡(luò)效應(yīng)較好，黏結(jié)力較大，但沒有充分形成骨架結(jié)構(gòu)，骨架間的嵌擠力和摩阻力表現(xiàn)較弱，內(nèi)摩擦角較?。?4－15］，宏觀表現(xiàn)為 AC型瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯小于骨架型瀝青混合料［16］。AC－13、AC－16和 AC－20三種瀝青混合料中，隨著粒徑增大，不僅沒有形成骨架，反而因?yàn)榧?xì)集料減少，整體比面積降低，使得黏結(jié)力下降，且在荷載作用下大粒徑的集料更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得粗集料間更易相互錯動，最終降低了瀝青混合料的動穩(wěn)定度，產(chǎn)生較大的車轍深度。

表5 干拌法抗車轍劑改性瀝青混合料的車轍深度及動穩(wěn)定度

由表5可見，與未摻抗車轍劑的瀝青混合料相比，抗車轍劑的摻入明顯降低了瀝青混合料的車轍深度且極大地提高了動穩(wěn)定度，說明抗車轍劑能顯著提升瀝青混合料的高溫抗變形能力。與基質(zhì)瀝青混合料不同的是，干拌法抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能并沒有隨最大粒徑的增大而降低，而是在AC－16級配瀝青混合料達(dá)到峰值，動穩(wěn)定度超過14 000次·mm－1，其次是 AC－13，AC－20最小但仍大于8 600次·mm－1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范的要求。這是因?yàn)?，瀝青混合料中的抗車轍劑具有雙重改性作用：高溫條件下，一部分抗車轍劑在拌合過程中改善了瀝青的高溫性能；而大部分的抗車轍劑仍存留在礦料之中，拌合時在高溫條件下熔融，與周邊的礦料顆粒接觸并膠結(jié)，強(qiáng)化了集料顆粒的連接程度和結(jié)構(gòu)完整性，最終改善了瀝青混合料的高溫性能［17］。對于懸浮密實(shí)型抗車轍劑瀝青混合料而言，粗集料懸浮在細(xì)集料之中，沒有骨架的支撐，變形的抗車轍劑的加筋、牽制作用沒有力的支點(diǎn)［18］。隨著最大粒徑增大，細(xì)集料數(shù)量的相對減少使得粗集料的間距縮小，雖然沒有直接接觸形成骨架結(jié)構(gòu)，但變形的抗車轍劑在粗集料間的搭接、加筋作用卻得到了更好的發(fā)揮，產(chǎn)生了類似于骨架的作用，所以相比AC－13，AC－16的動穩(wěn)定度有所提升；但隨著粒徑的進(jìn)一步增大，粗集料應(yīng)力繼續(xù)增大，這種牽制作用已經(jīng)無法再限制粗集料間的相互錯動，所以AC－20的動穩(wěn)定度反而降低，高溫性能最差。

表6 濕拌法抗車轍劑改性瀝青混合料的車轍深度及動穩(wěn)定度

由表6可見，隨著最大粒徑的增大，車轍深度增大，動穩(wěn)定度降低，即瀝青混合料的高溫性能降低，但動穩(wěn)定度仍達(dá)到7 800次·mm－1以上，滿足規(guī)范的要求，證明抗車轍劑對混合料高溫性能的改善效果。試驗(yàn)結(jié)果與基質(zhì)瀝青混合料相同，即高溫性能由優(yōu)到劣依次為 AC－13、AC－16、AC－20，與前人研究結(jié)果基本一致［19－20］。分析原因認(rèn)為：在濕拌條件下，瀝青混合料抗變形能力的提高僅來自于抗車轍劑對瀝青的改性作用，混合料中沒有抗車轍劑殘留，不會對礦料產(chǎn)生影響，抗車轍劑的雙重改性作用沒有得到發(fā)揮，從而表現(xiàn)出與普通瀝青混合料相同的試驗(yàn)規(guī)律。同時，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了AC型基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨最大粒徑增大而降低這一相同結(jié)論。

匯總干拌、濕拌制備方法下抗車轍劑改性瀝青混合料的高溫性能試驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

圖1 3種抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能對比

對比2種方法對抗車轍劑瀝青混合料高溫性能的改善效果可知，除AC－13以外，通過干拌法制備的抗車轍劑改性瀝青混合料的高溫性能均優(yōu)于濕拌法，這不僅說明了抗車轍劑的優(yōu)越性能，也驗(yàn)證了抗車轍劑在瀝青混合料中能發(fā)揮雙重改性作用。采用干拌法時AC－13高溫性能偏差，分析原因認(rèn)為，AC－13中細(xì)集料偏多，粗集料被細(xì)一級的集料所撐開，間距過大，存留在混合料中變形的抗車轍劑顆粒難以發(fā)揮搭接、加筋作用，雙重改性作用沒有得到完全的發(fā)揮，所以其動穩(wěn)定度反而不如抗車轍劑完全作用于瀝青的抗車轍劑改性瀝青混合料。隨著礦料粒徑的增大，干拌法抗車轍劑改性瀝青混合料的高溫性能先增大后減小，在級配為AC－16時達(dá)到最大值；而在濕拌法制備條件下，抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能則呈遞減趨勢，與基質(zhì)瀝青混合料變化趨勢相同。

雖然2種制備方法得到的結(jié)果存在一定的差異，但抗車轍劑的加入均能顯著改善瀝青混合料的高溫性能，使其遠(yuǎn)高于規(guī)范的要求，滿足大部分工程需要。比較2種制備工藝的難易程度，顯然干拌法具有明顯的優(yōu)勢，只需要在拌合過程中摻入適量的抗車轍劑即可，工藝簡單，不需要對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，因此推薦在實(shí)際工程中采用干拌法制備抗車轍劑瀝青混合料。

3 結(jié) 語

以干拌、濕拌2種方法分別制備了AC－13、AC－16和AC－20型抗車轍劑改性瀝青混合料，通過車轍試驗(yàn)對比分析了其高溫性能的差異及變化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）連續(xù)密級配型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨其最大粒徑的增大而降低。

（2）干拌、濕拌制備條件下，抗車轍劑瀝青混合料的高溫性能均得到了顯著的提升，說明抗車轍劑在改善高溫性能方面效果顯著。

（3）干拌制備條件下3種級配類型抗車轍劑改性瀝青混合料的高溫性能從優(yōu)到劣依次為AC－16、AC－13、AC－20；濕拌制備條件下3種級配類型抗車轍劑改性瀝青混合料的高溫性能從優(yōu)到劣依次為AC－13、AC－16、AC－20。

（4）干拌制備條件下，抗車轍劑在瀝青混合料內(nèi)部起雙重改性作用：一部分對瀝青起改性作用，提高了瀝青的高溫性能；另一部分以顆粒形式留存于混合料內(nèi)部對礦料產(chǎn)生作用。