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    高模量瀝青改性劑在武漢江北快速路中的應(yīng)用

    2020-01-15 03:01:02方四發(fā)熊子佳洪錦祥
    筑路機械與施工機械化 2019年12期
    關(guān)鍵詞:改性劑模量基質(zhì)

    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。

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