增模改性劑路用性能試驗(yàn)研究

劉 介 平

(山西省公路局呂梁分局，山西 呂梁 033000)

0 引言

隨著社會發(fā)展，交通流量迅猛增加，重車、大車較多，尤其在高速公路的長陡坡路段，車速相對較慢，普通瀝青混凝土路面抗車轍能力較差，無法滿足我國當(dāng)前交通壓力大、重載及超載現(xiàn)象，所以許多高速公路都過早的出現(xiàn)車轍。車轍嚴(yán)重影響行車安全和舒適度，并直接影響路面使用壽命，給交通安全帶來許多隱患：1)車轍使路面平整度降低，嚴(yán)重影響行車安全性及舒適度。2)車轍處瀝青混凝土面層厚度減薄，容易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致雨水滲入基層，影響或降低路面整體強(qiáng)度。3)車轍處雨天積水和冬季聚冰容易導(dǎo)致過往車輛出現(xiàn)滑移，車輛變換車道時(shí)行駛穩(wěn)定性差，影響行車安全[1]。瀝青混合料具有粘彈性，在高溫下其動態(tài)剪切模量會大幅降低，在同樣應(yīng)力作用下，應(yīng)變會隨之增大，如果長時(shí)間處于高溫環(huán)境，瀝青路面在車輛荷載的反復(fù)作用下就會產(chǎn)生破壞變形[2]，這就是產(chǎn)生車轍的根本原因。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外相關(guān)研究表明，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與模量成正比。美國NCAT試驗(yàn)路的結(jié)論也表明瀝青混合料模量越高抗車轍能力也就越強(qiáng)。南非瀝青協(xié)會(SABITA)通過鋪筑試驗(yàn)段，經(jīng)過觀測得出結(jié)論高模量瀝青路面能賦予道路更長的使用壽命，比利用傳統(tǒng)的碎石基層和磨耗層具有更高的路用性能。華南理工大學(xué)在瀝青路面車轍病害研究中發(fā)現(xiàn)瀝青路面的模量越高車轍越小。綜合以上國內(nèi)外研究成果得出結(jié)論，提高瀝青混合料的模量是解決車轍病害的有效方法，提高瀝青路面的模量已經(jīng)成為延長瀝青路面使用壽命的發(fā)展方向。

20世紀(jì)80年代，由法國最早提出高模量瀝青混合料的概念，高模量瀝青混凝土相對于普通的瀝青混凝土具有更高的模量、更優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能，可以作為瀝青道路的基層和中下面層。目前提高瀝青混合料的模量主要有三種途徑：1)采用低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青來制備高模量瀝青混凝土；2)用高模量改性瀝青制備高模量瀝青混凝土；3)在普通瀝青混合料攪拌時(shí)加入高模量添加劑，以此來制備高模量瀝青混凝土。第三種方法由于工藝簡單而受到追捧。

本文以一種自主研發(fā)、提高瀝青混合料模量的增模改性劑為研究對象，通過瀝青混合料的動穩(wěn)定度、低溫彎曲破壞應(yīng)變等指標(biāo)研究分析其路用性能，從而驗(yàn)證、評價(jià)本產(chǎn)品的質(zhì)量，為其大規(guī)模推廣使用提供技術(shù)支持。

2 增模改性劑材料組成及作用機(jī)理

本文通過高分子相容性理論，在溶度參數(shù)相近的條件下，尋找與瀝青組分分子鏈段水平上的“相容”材料，以及尋找能與試驗(yàn)物質(zhì)可能生成氫鍵或者是類氫鍵的物質(zhì)，依靠附加分子作用力達(dá)到目的。為達(dá)到設(shè)計(jì)的高模量標(biāo)準(zhǔn)，必須使用高分子聚合物及樹脂組成的增模改性劑來提高瀝青混凝土的模量。另外，根據(jù)對市面上符合要求的高模量改性劑的化學(xué)成分進(jìn)行分析，其成分中不但有PE(還拌有適量的SBS)等聚合物，還配有分散劑、抗老化劑、增塑劑等多種能改善瀝青混合料高溫性能、低溫性能、抗老化性能的化學(xué)成分。

通過大量相關(guān)試驗(yàn)研究，本文自主研發(fā)了一種增模改性劑，主要由高分子聚合物、巖瀝青、橡膠粉和其他材料在特定的工藝條件下混煉而成的化合物，如圖1所示。其材料組分及相應(yīng)含量及主要技術(shù)指標(biāo)分別如表1，表2所示。

表1 增模改性劑組分表

序號組成重量百分比/%1高分子聚合物60～802橡膠粉20～303巖瀝青5～104樹脂2～35功能助劑26防老劑RD0.2

表2 增模改性劑性能指標(biāo)

本文研制的增模改性劑與市面上的傳統(tǒng)瀝青混合料改性添加劑相比，主要特點(diǎn)為熔點(diǎn)控制在120 ℃～130 ℃范圍內(nèi)，使其更容易與骨料結(jié)合。在骨料攪拌過程中加入，施工效率高。性能方面大大提高其瀝青路面的動態(tài)模量和剛度，在提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能的同時(shí)不損傷瀝青混合料的低溫性能，具有施工簡便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

1)增強(qiáng)粘結(jié)力。

加入增模改性劑，在骨料攪拌過程中，部分改性劑融化后裹覆在石料表面，待加入瀝青后，瀝青膜與骨料表面的增模改性劑緊密粘結(jié)，增強(qiáng)了瀝青與石料的粘結(jié)力，從而達(dá)到了增模改性劑的目的。

2)加筋作用。

在混合料運(yùn)輸過程中，部分溶解或溶脹于瀝青中的增模改性劑，繼續(xù)在瀝青中滲透，與瀝青充分融合，形成膠結(jié)作用。拌合中形成的微結(jié)晶區(qū)具有較強(qiáng)勁度，在施工過程中有些變成纖維狀，在骨料內(nèi)形成纖維加筋作用。

3)合金晶格歪扭強(qiáng)化。

高分子聚合物在常溫狀態(tài)下會呈結(jié)晶體狀，使瀝青在混合料中得到強(qiáng)化，從而達(dá)到提高軟化點(diǎn)溫度、增加粘度、提高混合料密度，這就是摻加增模改性劑瀝青混合料常溫下模量較大的原因。

4)嵌擠作用。

增模改性劑在施工過程中達(dá)到軟化點(diǎn)軟化，軟化變形的增模改性劑顆粒在碾壓過程中成型，起到了在集料骨架中的空隙填充具有高粘附性的細(xì)集料的作用，增加了瀝青路面結(jié)構(gòu)的骨架作用。

5)吸收瀝青中的輕質(zhì)油分。

增模改性劑屬于高分子材料，通過吸收瀝青中輕質(zhì)油分來增加瀝青粘度、提高瀝青混凝土模量，達(dá)到提高瀝青混合料的抗車轍能力。

3 高模量瀝青混凝土路用性能試驗(yàn)研究

本文通過試驗(yàn)研究了添加增模改性劑的瀝青混合料的路用性能，試驗(yàn)內(nèi)容包括車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)等。

3.1 車轍試驗(yàn)

按照我國交通部頒布的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的方法進(jìn)行車轍試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出動穩(wěn)定度隨增模改性劑摻加量變化如圖2所示。

1)與普通瀝青混合料相比，摻加增模改性劑的瀝青混合料的抗車轍能力提高較為明顯，與未摻加增模改性劑的瀝青混合料相比動穩(wěn)定度提高了4倍～10倍。

2)瀝青混合料的抗車轍能力隨著增模改性劑摻加量的增加而提高，說明摻加增模改性劑可以提高瀝青混合料的模量，增大其高溫穩(wěn)定性。

3)抗車轍能力主要取決于瀝青混合料的流變特性，從車轍試驗(yàn)的變形破壞結(jié)果來看，不摻加增模改性劑的瀝青混合料試件在輪載作用部位變形明顯，而摻加增模改性劑的瀝青混合料的輪載部位下凹較小，說明增模改性劑提高了瀝青混合料的流變性能。

3.2 低溫彎曲試驗(yàn)

低溫開裂現(xiàn)象是瀝青路面的主要病害之一，由于凍融循環(huán)，瀝青路面產(chǎn)生溫度收縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生不但破壞了路面的整體性及連續(xù)性，而且會使路基受到水的侵蝕，導(dǎo)致道路承載能力下降，道路承載能力下降又會產(chǎn)生新的裂縫，如此惡性循環(huán)，隨著裂縫越來越多，將嚴(yán)重影響道路的服務(wù)年限和質(zhì)量。

我國“八五”國家攻關(guān)課題經(jīng)過研究分析后，采用彎曲蠕變試驗(yàn)作為我國瀝青混合料低溫抗裂性能評價(jià)方法，但彎曲蠕變試驗(yàn)僅僅是定性的分析方法，無法預(yù)測瀝青混合料的低溫性能。所以目前評價(jià)瀝青混合料的低溫性能主要方法還是《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中提到的低溫彎曲試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文得出破壞應(yīng)變隨增模改性劑摻加量變化如圖3所示。

瀝青混合料的最大彎拉破壞應(yīng)變隨增模改性劑摻加量的增加有小幅增長，但影響不大，說明增模改性劑并未對瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性造成太大影響。

3.3 浸水馬歇爾試驗(yàn)

瀝青路面的水穩(wěn)定性是指瀝青混合料的抗水損害的能力。本文采用T0709—2000瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)中的浸水馬歇爾試驗(yàn)研究瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。浸水馬歇爾試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)為殘留穩(wěn)定度，殘留穩(wěn)定度越大混合料的水穩(wěn)定性越好。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文得出殘留穩(wěn)定度隨增模改性劑摻加量變化如圖4所示。

浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明殘留穩(wěn)定度隨增模改性劑摻量增加而增大，提高了2%～11%，說明增模改性劑能有效提高瀝青混合料的抗水損害性能。

4 結(jié)語

從車轍試驗(yàn)結(jié)果看，隨著增模改性劑摻加量的增加，瀝青混合料動穩(wěn)定度明顯提高，當(dāng)摻加量為0.6%時(shí)，瀝青混合料動穩(wěn)定度相對于普通瀝青混合料提高了約10倍，增模改性劑對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有著非常顯著的提升效果。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明增模改性劑對瀝青混合料的低溫性能沒有太大影響。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明隨增模改性劑摻加量的增加，殘留穩(wěn)定度有2%～11%的增長，摻加增模改性劑的瀝青混合料具有良好的抗水損害性能。

摻入本文自主研發(fā)的增模改性劑既不降低瀝青混合料低溫抗裂性能，又能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，并且本產(chǎn)品能夠有效提高瀝青混合料抗水損害能力。鑒于本產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，本產(chǎn)品可用于重載交通下的路面結(jié)構(gòu)中面層以及大長坡、爬坡路段等。