高模量瀝青改性劑在武漢江北快速路中的應(yīng)用

郭 鵬，鄧 成，孫 聰，方四發(fā)，熊子佳，洪錦祥

(1.武漢市市政建設(shè)集團有限公司，湖北 武漢 430023； 2.武漢市市政路橋有限公司，湖北 武漢 430015；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引 言

使用高模量瀝青混凝土是修筑高品質(zhì)瀝青路面的技術(shù)途徑之一，最早起源于法國，中國在2001年引進了高模量的概念，經(jīng)過十幾年的發(fā)展研究和技術(shù)攻關(guān)[1-5]，已有小范圍的推廣應(yīng)用。通常提高瀝青混合料模量的方法主要有2種：一種是采用低標(biāo)號的瀝青；另一種是在瀝青混合料中添加改性劑[6]。由于低標(biāo)號瀝青不具有普適性，應(yīng)用不便，阻礙了高模量瀝青路面的發(fā)展。因此筆者通過將硬質(zhì)瀝青與高分子聚合物復(fù)合，自主開發(fā)了MA103C高模量改性劑。本文以武漢江北快速路新建工程為依托，通過對瀝青的高、低溫性能及瀝青混合料的動態(tài)模量、車轍、低溫彎曲、水穩(wěn)定性能進行試驗分析，對比研究不同高模量瀝青改性劑的綜合性能。

1 試驗原料與方法

1.1 原材料

(1)基質(zhì)瀝青?；|(zhì)瀝青選用70#重交石油瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

(2)礦料。采用武漢的石灰?guī)r集料和礦粉，基本性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

(3)高模量改性劑。自主研發(fā)的MA103C高模量改性劑是將硬質(zhì)瀝青、彈性體和少量無機材料復(fù)合，配合增溶助劑，通過熔融、擠出、造粒而成。另外選取了市售的國產(chǎn)高模量改性劑A、B、C與之進行性能對比。

1.2 制備方法

(1)改性瀝青。將基質(zhì)瀝青置于135 ℃的烘箱中1 h，使瀝青流動度較好。稱取一定質(zhì)量基質(zhì)瀝青加入攪拌鍋，在油浴中一邊攪拌一邊升溫至170 ℃，緩慢分批次加入7.1%摻量(占瀝青質(zhì)量百分比)的高模量瀝青改性劑。選取高模量改性劑摻量為7.1%，是為了和混合料中的摻量保持一致，方便數(shù)據(jù)對比。以350 r·min-1的速度攪拌10 min，用上海弗魯克FM300高速剪切機以4 500 r·min-1的速度攪拌30 min，即得到高模量改性瀝青。

(2)改性瀝青混合料。混合料級配類型為AC-20，油石比為4.4%，級配見表2。集料加熱溫度為175 ℃，瀝青加熱溫度為140 ℃，混合料拌合溫度為175 ℃。改性劑摻量是瀝青混合料質(zhì)量的0.3%。

表2 AC-20瀝青混合料的配合比

1.3 試驗方法

(1)改性瀝青基本性能測試。軟化點、5 ℃延度均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的試驗方法進行：拉伸速度為10 mm·min-1，其中拉伸柔量f通過延伸度D除以拉伸峰值拉力Fmax得到；多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(MSCR)采用Anton Paar公司生產(chǎn)的MCR102型動態(tài)剪切流變儀(DSR)執(zhí)行，測試溫度為60 ℃，先在100 Pa應(yīng)力水平下試驗，再提高至3 200 Pa測定平均彈性恢復(fù)率，每個蠕變周期加載1 s，卸載9 s，重復(fù)10個周期。

(2)混合料動態(tài)模量測試。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求旋轉(zhuǎn)壓實成型直徑150 mm、高170 mm的圓柱體試件，取芯、切割成直徑100 mm、高150 mm的試件。采用IPC UTM-30型試驗機，在無側(cè)限條件下測試所需溫度和加載頻率下的動態(tài)模量。

(3)混合料車轍試驗。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求成型車轍板，尺寸為長300 mm、寬300 mm、高50 mm。采用QCZ-2型全自動車轍試驗儀測試動穩(wěn)定度和最大車轍深度。試驗溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，橡膠輪碾壓速度為(42±1)次·min-1。

(4)混合料低溫彎拉性能試驗。采用UTM-30型材料試驗系統(tǒng)，數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動采集。通過檢測-10 ℃、加載速率50 mm·min-1時瀝青混合料的彎拉強度、破壞應(yīng)變和破壞勁度模量等指標(biāo)，來評價瀝青混合料的低溫拉伸性能。

(5)混合料水穩(wěn)定性試驗。采用凍融劈裂強度比指標(biāo)表征，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)。

2 高模量改性劑對瀝青膠結(jié)料性能的影響

2.1 瀝青高溫穩(wěn)定性能

高溫穩(wěn)定性能是瀝青路用性能的重要方面，尤其是瀝青路面抗車轍能力的重要影響因素。試驗采用軟化點、MSCR蠕變應(yīng)變量2個指標(biāo)來評價改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能。軟化點越大或者MSCR蠕變應(yīng)變量越小，瀝青的高溫性能越好。圖1為摻加高模量改性劑的瀝青軟化點和蠕變應(yīng)變測試結(jié)果。J表示70#基質(zhì)瀝青。從圖1可以看出，基質(zhì)瀝青摻加MA103C高模量改性劑后，軟化點提升為原來的2.1倍，3.2 kPa條件下的蠕變應(yīng)變也大幅降低至原來的4.5%，高溫穩(wěn)定性能非常明顯地增強。從不同高模量改性劑對比的結(jié)果來看，自主開發(fā)的高模量改性劑MA103C高溫穩(wěn)定性能雖不是最好，但屬于上游水平。

圖1 摻加高模量改性劑的瀝青軟化點和蠕變應(yīng)變測試結(jié)果

2.2 瀝青低溫抗裂性能

低溫抗裂性能也是瀝青路用性能的重要組成部分，它對瀝青路面抵抗開裂具有重要影響。試驗采用5 ℃延度、拉伸柔量指標(biāo)來評價改性瀝青的低溫抗裂性能。通常來說，5 ℃延度越大或拉伸柔量越大，說明改性瀝青的低溫抗裂性能越好。圖2為摻加高模量改性劑的瀝青5 ℃延度和拉伸柔量測試結(jié)果。從圖2可以看出，基質(zhì)瀝青摻加高模量改性劑MA103C后，5 ℃延度增加為原來的3.3倍，拉伸柔量提高為原來的4.3倍，低溫抗裂性能顯著提升。從不同高模量改性劑對瀝青低溫性能的改善效果來看，自主開發(fā)的高模量改性劑在同類產(chǎn)品中是最優(yōu)的。

圖2 摻加高模量改性劑的瀝青5 ℃延度和拉伸柔量測試結(jié)果

3 高模量改性劑對瀝青混合料路用性能的影響

為了評價不同高模量改性劑對混合料綜合性能的影響，對瀝青混合料進行了以下試驗。

3.1 動態(tài)模量和動穩(wěn)定度測試

通過試驗測試了摻加不同高模量改性劑的AC-20混合料的動態(tài)模量和動穩(wěn)定度，圖3為45 ℃、10 Hz條件下的動態(tài)模量?？梢钥闯?，普通AC-20瀝青混合料的動態(tài)模量為1 343 MPa, 摻加0.3%高模量改性劑MA103C后，動態(tài)模量增長為7 214 MPa，為原來的5.3倍。與之相對應(yīng)，混合料動穩(wěn)定度的變化與動態(tài)模量數(shù)值的變化規(guī)律一致。從不同高模量改性劑提高混合料動態(tài)模量和抗車轍性能的效果來看，自主開發(fā)的高模量改性劑MA103C在同類產(chǎn)品中排在前列。

圖3 不同高模量改性劑對AC-20混合料動態(tài)模量和動穩(wěn)定度的影響

3.2 低溫彎拉性能試驗

瀝青混合料是一種溫度敏感型材料，隨著溫度的降低，其強度和勁度都會明顯增大，但是變形能力會顯著下降，并可能出現(xiàn)脆性破壞，從而導(dǎo)致鋪裝層出現(xiàn)低溫開裂。通過-10 ℃低溫彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫性能，試驗結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，不同高模量改性劑對瀝青混合料的低溫性能均起到明顯的改善作用，數(shù)值均高于2 500 με。這是由于改性劑的剪切屈服和裂紋鉸接作用，使得混合料具有較高應(yīng)變能，在荷載作用下產(chǎn)生黏彈性和塑性流動而消耗應(yīng)變能，使裂縫鈍化，且減慢裂紋的發(fā)展速度，從而提高了混合料的低溫抗裂性。自主開發(fā)的高模量改性劑在改善混合料低溫彎拉性能方面也是最優(yōu)的。

圖4 不同高模量改性劑對AC-20混合料低溫彎拉應(yīng)變的影響

3.3 水穩(wěn)定性能試驗

瀝青混合料在使用過程中除受溫度影響外，還受到水的影響。在水的長期作用下，瀝青混合料的黏結(jié)力逐漸降低，瀝青從集料表面剝離，使得混合料出現(xiàn)掉?，F(xiàn)象，繼而在瀝青路面上形成松散、坑槽等病害。因此，對瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行分析很有必要。本文通過凍融劈裂試驗對混合料水穩(wěn)定性進行測試，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，AC-20瀝青混合料的凍融劈裂強度比均大于80%，說明石灰?guī)r類瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性，且高模量改性劑的加入增強了瀝青與礦料之間的黏聚力，以及瀝青混合料的整體性，從而使混合料的水穩(wěn)定性得到改善。

圖5 不同高模量改性劑對AC-20混合料凍融劈裂強度比的影響

圖6 高模量AC-20瀝青混合料攤鋪施工

4 高模量改性劑在依托工程中的應(yīng)用

武漢江北快速路工程位于漢口至陽邏，為城市快速路，部分路段與堤防結(jié)合，遠期重載車輛較多，交通量大，因此在該工程的中面層AC-20瀝青混合料中采用了MA103C高模量改性劑。圖6為高模量AC-20瀝青混合料攤鋪施工照片。從工程鋪筑效果和檢測的數(shù)據(jù)來看，達到了預(yù)期目標(biāo)，長期的服役效果還需持續(xù)觀測。

5 結(jié) 語

(1)摻加高模量改性劑的瀝青軟化點可提升為基質(zhì)瀝青的2.1倍，5 ℃拉伸柔量提高為基質(zhì)瀝青的4.3倍。高模量改性劑對于瀝青的高、低溫性能均有改善效果。

(2)摻加0.3%高模量改性劑MA103C的瀝青混合料在45 ℃、10 Hz條件下動態(tài)模量可達7 214 MPa，為基質(zhì)瀝青混合料的5.3倍，動穩(wěn)定度可達13 754 次·mm-1，具有良好的高溫模量和抗車轍性能，同時能夠兼顧低溫性能，-10 ℃彎拉應(yīng)變大于2 500 με，凍融劈裂強度比為91.2%，綜合性能優(yōu)異。