抗剝落劑對(duì)瀝青混合料性能的影響及其改性機(jī)理研究

黃家奇,易可良,2

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007)

0 引言

在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略實(shí)施背景下,隨著公路建設(shè)的發(fā)展,可開(kāi)采的優(yōu)質(zhì)筑路集料資源逐漸減少。較差質(zhì)量集料與瀝青粘附性差,瀝青混合料水穩(wěn)定性不足,在荷載引起的動(dòng)水沖刷作用下,易引起瀝青路面水損害[1-2]。針對(duì)瀝青路面水損害,在混合料中摻入抗剝落劑逐漸成為目前較常用的改善方法[3]。最初的抗剝落劑主要為無(wú)機(jī)結(jié)合料,如石灰、水泥等,但其在改善水穩(wěn)定性同時(shí)也會(huì)顯著降低混合料其他性能,且實(shí)際運(yùn)用時(shí)存在添加、計(jì)量困難等技術(shù)難題[2-4]。

近年來(lái),抗剝落劑(特別是高分子類(lèi))逐漸得到廣泛運(yùn)用[5],也進(jìn)行了較多研究,如王新剛[6]探究了抗剝落劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果;劉平[7]重點(diǎn)考查了LX-6525型抗剝落劑對(duì)花崗巖瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響;樊見(jiàn)維等[8]也將抗剝落劑運(yùn)用于酸性類(lèi)蝕變閃長(zhǎng)巖集料改性,考察了瀝青與集料粘附改善效果,并驗(yàn)證了混合料性能。但現(xiàn)有抗剝落劑研究主要側(cè)重于探討抗剝落劑對(duì)瀝青及瀝青混合料粘附及抗水損壞性能的影響,對(duì)瀝青或?yàn)r青混合料更廣泛性能的影響評(píng)估研究相對(duì)較少。同時(shí),對(duì)抗剝落劑改性機(jī)理的研究鮮有涉及,更多為定性的宏觀機(jī)理分析。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀,本文擬選用抗剝落劑對(duì)老化前后瀝青的針入度、延度及軟化點(diǎn)變化規(guī)律進(jìn)行分析,并系統(tǒng)探究不同摻量抗剝落劑對(duì)瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)定性的影響。同時(shí),采用Materials Studio軟件分子模擬技術(shù),通過(guò)構(gòu)建瀝青-集料模型,分析抗剝落劑對(duì)瀝青-集料的改性機(jī)理。研究成果可為瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中的材料優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支撐,并可為提升抗剝落改性效果的抗剝落劑研發(fā)提供新思路與理論指導(dǎo)。

1 原材料

1.1 瀝青

70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)表

1.2 瀝青混合料

選用AC-13瀝青混合料進(jìn)行混合料性能影響試驗(yàn)。集料采用石灰?guī)r粗細(xì)集料,規(guī)格分別為0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm;礦粉采用石灰?guī)r研磨礦粉。集料、礦粉技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)技術(shù)要求[9]。AC-13合成級(jí)配如下頁(yè)圖1所示。

圖1 AC-13合成級(jí)配曲線圖

2 對(duì)瀝青性能的影響

老化前后針入度、延度及軟化點(diǎn)三大基本指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖2～3所示。

圖2 15 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖3 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

表2 針入度試驗(yàn)結(jié)果表

(1)摻加抗剝落劑后,隨著摻量增高,老化前后瀝青試樣針入度均逐漸增大,表明隨著抗剝落劑增加,瀝青稠度逐漸減小。這是由于抗剝落劑加入后改變了瀝青原有組分比例,使得輕質(zhì)組分增加,瀝青稠度降低。而老化使輕質(zhì)組分逐漸向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)換,因此老化后針入度普遍較老化前小。由針入度比分析可知,不同摻量下抗剝落劑瀝青針入度比差異較小,表明抗剝落劑并未對(duì)瀝青針入度穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

(2)摻加抗剝落劑后,老化前后瀝青延度逐漸增加,且老化后瀝青延度遠(yuǎn)小于老化前的延度,表明老化降低了瀝青延展性,但抗剝落劑的加入可以略微改善瀝青的延展性能。

(3)瀝青老化后軟化點(diǎn)升高,但這并不表明瀝青老化會(huì)增強(qiáng)瀝青的高溫穩(wěn)定性,這是由于瀝青中輕質(zhì)組分逐漸轉(zhuǎn)換為重質(zhì)組分,瀝青原有組分比例變化失調(diào),瀝青整體性能將逐漸降低。摻加抗剝落劑導(dǎo)致老化前后瀝青軟化點(diǎn)均降低,表明抗剝落劑對(duì)會(huì)對(duì)瀝青高溫性能產(chǎn)生不利影響。分析抗剝落劑摻量對(duì)軟化點(diǎn)降低效果,當(dāng)摻量為0.4%時(shí)老化前后軟化點(diǎn)分別降低3.5 ℃、5.5 ℃,而當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí)老化前后軟化點(diǎn)分別降低8.0 ℃、10 ℃,表明當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí)瀝青性能將發(fā)生較大變化,因此建議抗剝落劑摻量宜控制在0.2%～0.4%。

3 對(duì)瀝青混合料性能的影響

為研究抗剝落劑對(duì)瀝青混合料性能尤其是水穩(wěn)定性的改善效果,采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí),采用車(chē)轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)分別對(duì)不同剝落劑摻量下瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能進(jìn)行分析。

3.1 水穩(wěn)定性

選用0、0.2%、0.4%、0.6%等4個(gè)不同剝落劑摻量瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn),結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

(1)隨著抗剝落劑摻量增加,瀝青混合料殘留穩(wěn)定度逐漸增強(qiáng),當(dāng)摻量達(dá)到0.4%時(shí)殘留穩(wěn)定度增幅減緩。由于殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)要求對(duì)試件浸水處理48 h,可以有效反映混合料在有水狀態(tài)下的力學(xué)性能變化。因此試驗(yàn)結(jié)果可表明:增加抗剝落劑含量,瀝青與集料的粘附性增加,有水條件下瀝青混合料抵抗變形能力增強(qiáng)。但當(dāng)抗剝落劑摻量達(dá)到一定量時(shí),混合料抗水損害性能增強(qiáng)不明顯,表明高摻量抗剝落劑對(duì)瀝青混合料性能改善并不具備較好的適用性。

(2)摻入抗剝落劑前,瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比并不滿足規(guī)范要求;增加抗剝落劑摻量,瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸增加,但當(dāng)增加至0.4%后,凍融劈裂強(qiáng)度比出現(xiàn)下降。與浸水馬歇爾試驗(yàn)不同,凍融劈裂試驗(yàn)在反映瀝青混合料水穩(wěn)定性的同時(shí),也可在一定程度上表征瀝青混合料低溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明,抗剝落劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能改善存在合適的摻量區(qū)間,就該試驗(yàn)所用原材料及配合比而言,宜將抗剝落劑摻量控制在0.2%～0.4%。

3.2 高溫穩(wěn)定性

車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

分析圖6可知,隨著抗剝落劑摻量增加,車(chē)轍試件動(dòng)穩(wěn)定度逐漸降低,表明抗剝落劑的加入對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,這與前述抗剝落劑導(dǎo)致瀝青軟化點(diǎn)降低的試驗(yàn)結(jié)果一致。由于瀝青為典型的粘彈性材料,抗剝落劑加入后,瀝青軟化點(diǎn)降低,導(dǎo)致高溫荷載條件下車(chē)轍試件抵抗變形性能下降。但總體而言,抗剝落劑對(duì)混合料高溫性能影響幅度較小。當(dāng)摻量為0.6%時(shí),混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降209次/mm,下降幅度為11%,但仍遠(yuǎn)高于規(guī)范≥800次/mm的要求;當(dāng)按上述水穩(wěn)定性改善效果選取抗剝落劑摻量為0.4%時(shí),混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降114次/mm,下降幅度為6%。整體而言,在合適摻量下可認(rèn)為抗剝落劑對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響效果有限,在可控范圍之內(nèi)。

3.3 低溫穩(wěn)定性

對(duì)上述4個(gè)抗剝落劑摻量下的瀝青混合料進(jìn)行低溫(-10 ℃)彎曲試驗(yàn),結(jié)果如圖7所示。

圖7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

分析圖7可知,隨著抗剝落劑摻量增加,低溫彎曲破壞應(yīng)變值逐漸增大,當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí)增幅呈現(xiàn)減小趨勢(shì),但仍較未摻加抗剝落劑試件高,這與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果一致,表明抗剝落劑可提高瀝青混合料低溫穩(wěn)定性,但存在最佳摻量,摻量過(guò)高改善效果將減弱。

綜合分析抗剝落劑對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響,考慮改善效果及經(jīng)濟(jì)性,推薦抗剝落劑摻量為0.4%。

4 抗剝落劑改性機(jī)理分析

4.1 各組分模型構(gòu)建

4.1.1 瀝青模型

參照文獻(xiàn)[10],采用四組分12分子模型進(jìn)行基質(zhì)瀝青模型構(gòu)建,如圖8(a)所示。經(jīng)力場(chǎng)(COMPASS Ⅱ)、電荷設(shè)置后,采用Materials Studio(MS)軟件Forcite模塊對(duì)各分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,然后采用MS軟件內(nèi)Amorphous Cell模塊中的Construction功能對(duì)12分子進(jìn)行瀝青晶胞盒子構(gòu)建。其中,各分子組成比例參照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行。瀝青晶胞構(gòu)建完成后,依次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、退火等處理,如圖8(b)所示。

(a)四組分12分子模型

選取能量最低構(gòu)型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算,并進(jìn)行密度驗(yàn)證,確保模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性與模擬計(jì)算的適用性。密度計(jì)算結(jié)果如圖9所示,平衡后密度在1.02 g/cm3左右,與相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]及瀝青實(shí)際密度較為接近,符合計(jì)算要求。

圖9 瀝青模型密度變化時(shí)程曲線圖

4.1.2 抗剝落劑改性瀝青模型

參照文獻(xiàn)[14]進(jìn)行抗剝落劑分子模型構(gòu)建?？箘兟鋭┓肿?總分子式為:C50H85N3O6)模型如圖10所示。

圖10 抗剝落劑分子模型示意圖

根據(jù)前述性能分析結(jié)果,選取0.4%抗剝落劑與瀝青混合,采用MS軟件Amorphous Cell模塊的Construction功能進(jìn)行抗剝落劑改性瀝青晶胞盒子構(gòu)建(見(jiàn)圖11)。

圖11 抗剝落劑改性瀝青晶胞模型示意圖

4.1.3 瀝青-集料粘附模型構(gòu)建

選用SiO2進(jìn)行集料模型構(gòu)建,經(jīng)切表面與超晶胞處理后構(gòu)建集料模型。將達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡的基質(zhì)瀝青、抗剝落劑改性瀝青分子模型與能量?jī)?yōu)化的集料模型疊加,建立瀝青-集料界面模型(如圖12所示)。為消除模型的周期性影響,在瀝青層上方建立了厚度為50 ?的真空層。為模擬實(shí)際作用效果,將SiO2晶體最底層原子固定,而使表層SiO2原子充分松弛,與瀝青進(jìn)行吸附。

圖12 抗剝落劑改性瀝青-集料粘附模型示意圖

4.2 瀝青-集料粘附功計(jì)算

瀝青與集料粘附功可采用瀝青-集料結(jié)合能與二者結(jié)合面積之比進(jìn)行計(jì)算:

W=(EA+EB-EAB)

(1)

式中:W——瀝青-集料界面的粘附功(mJ/m2);

E——混合體系中A(瀝青)、B(集料)及AB(瀝青-集料混合體系)平衡后的總能量(kcal/mol);

A——界面面積(?2)。

分別對(duì)基質(zhì)瀝青、抗剝落劑改性瀝青與集料粘附功進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算,結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青-集料粘附功動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表

分析表3可知:

(1)瀝青與集料結(jié)合能中范德華能起主導(dǎo)作用,靜電能作用相對(duì)較小。比較兩種粘附模型,瀝青-集料界面范德華能占總能量的70%以上,這與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)論一致[12-13]。

(2)摻入抗剝落劑,瀝青與集料粘附功增大,表明二者抗剝落性能提升,且主要由范德華能主導(dǎo)。抗剝落劑加入瀝青后,瀝青與集料粘附功增加13.84 mJ/m2,提升比例達(dá)到10.4%。其中,范德華能顯著增加,而靜電能則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。分子模擬結(jié)果表明,抗剝落劑主要改善了瀝青與集料的分子間作用力,抗剝落性能的提升有利于增強(qiáng)瀝青混合料抗水損壞性能。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)抗剝落劑可以增大老化前后瀝青針入度、延度,減小瀝青軟化點(diǎn),表明抗剝落劑可以降低瀝青稠度、改善瀝青的延展性能,并可引起瀝青高溫性能降低。

(2)當(dāng)摻量為0.4%時(shí)70#基質(zhì)瀝青老化前后軟化點(diǎn)分別降低3.5 ℃、5.5 ℃,而當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí)老化前后軟化點(diǎn)分別降低8.0 ℃、10 ℃,表明當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí)瀝青性能將發(fā)生較大變化。因此,建議抗剝落劑摻量宜控制在0.2%～0.4%。

(3)抗剝落劑摻量增加,瀝青混合料殘留穩(wěn)定度逐漸增強(qiáng)、凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸提高并在0.6%摻量時(shí)下降。顯示抗剝落劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能改善存在合適的摻量區(qū)間,宜將抗剝落劑摻量控制在0.2%～0.4%。

(4)抗剝落劑摻量增加,低溫彎曲破壞應(yīng)變值逐漸增大,但當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí)增幅呈現(xiàn)減小趨勢(shì);車(chē)轍試件動(dòng)穩(wěn)定度逐漸降低,表明抗剝落劑的加入對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

(5)分子模擬結(jié)果顯示,0.4%抗剝落劑可使瀝青-集料粘附功提升10.4%,且主要由范德華能提升引起。