高模量瀝青混凝土制備工藝與PR.M的最優(yōu)摻量研究

余建強(qiáng),王海飆*,孫明剛,王心智,柳斌

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,哈爾濱 150040;2.龍建路橋股份有限公司,哈爾濱 150001)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高,公路總里程不斷增加的同時(shí),增長(zhǎng)的是公路維修養(yǎng)護(hù)里程。截至2021年年底,全國(guó)超過(guò)99%的公路面臨著維修養(yǎng)護(hù)[1-2],但是由于交通量和重載車數(shù)量的增加,瀝青路面在高荷載、高溫和雨水沖刷等條件下,會(huì)出現(xiàn)車轍凹陷等問(wèn)題,使路面嚴(yán)重變形,影響行車安全,這對(duì)我國(guó)道路的發(fā)展水平和研究方向提出了要求[3-6]。

在法國(guó),PR.M(高模量改性劑)廣泛應(yīng)用于瀝青混合料中,通過(guò)摻加在瀝青混合料中以發(fā)揮膠結(jié)、加筋、嵌擠和變形恢復(fù)等作用。高模量瀝青混凝土(High Modulus Asphalt Concrete, HMAC)的研究應(yīng)用很好地為減輕瀝青路面的表面車轍、變形等問(wèn)題提供了解決方法和解決思路。高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)過(guò)程一般是在基質(zhì)瀝青中加入高模量改性劑,來(lái)提升瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和基層瀝青混合料的剛性,從而提高瀝青混合料的抗車轍能力[7]。但是法標(biāo)設(shè)計(jì)體系與我國(guó)設(shè)計(jì)體系存在較大差異,其高模量瀝青混合料(EME)技術(shù)無(wú)法在我國(guó)直接應(yīng)用[8]。國(guó)內(nèi)所采用的高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法依然參考馬歇爾設(shè)計(jì)法,通過(guò)對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度、動(dòng)態(tài)模量等相關(guān)指標(biāo)區(qū)分高模量瀝青混合料和普通瀝青混合料。同時(shí)如何針對(duì)我國(guó)的瀝青混合料設(shè)計(jì)施工規(guī)范中的要求,測(cè)試PR.M的摻加制備方式及最優(yōu)摻量是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此本研究選擇AC-20級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì),研究適合高模量瀝青混凝土的馬歇爾實(shí)驗(yàn)步驟及高模量劑摻加指標(biāo),并確定該實(shí)驗(yàn)方法的合理性為工程實(shí)踐過(guò)程提供完整的設(shè)計(jì)思路。

1 原材料性質(zhì)

1)瀝青

HMAC所用70#瀝青均按照規(guī)范測(cè)試其各項(xiàng)性能指標(biāo),均滿足規(guī)范規(guī)定的道路石油瀝青A、B級(jí)瀝青的要求。各性能指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)Tab.1 Technical properties of base asphalt

2)集料性質(zhì)

粗細(xì)集料均為石灰?guī)r,最大粒徑為19 mm;礦粉為磨細(xì)的石灰石粉。集料和礦粉的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定的要求,具體參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2—表4。

表2 粗集料物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indexes of physical mechanics of coarse aggregate

表3 細(xì)集料的密度Tab.3 Density of fine aggregate

表4 礦粉的技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Technical specifications of mineral powder

以上粗集料技術(shù)性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明,本研究采用的粗集料符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對(duì)高速公路及一級(jí)公路用粗集料的質(zhì)量技術(shù)要求。

以上細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果顯示,細(xì)集料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范對(duì)高速公路及一級(jí)公路用細(xì)集料的質(zhì)量技術(shù)要求。

3)高模量劑

高模量劑選用法國(guó)PR-M,其外觀呈黑色。高為1～3 mm,直徑4 mm左右的圓柱形固體顆粒,其主要成分為熱塑性樹脂類的PE材料,其中95%以上為纖維聚合物,5%以下為填充物。

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配類型選擇

1)級(jí)配范圍的確定

為探究不同級(jí)配對(duì)HMAC混合料性能的影響,本研究以 AC-20級(jí)配中對(duì)應(yīng)的級(jí)配范圍值及額外2種經(jīng)驗(yàn)級(jí)配為研究對(duì)象,級(jí)配范圍與級(jí)配曲線見(jiàn)表5與圖1。

表5 AC-20 級(jí)配Tab.5 Classification of AC-20

圖1 級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve

2)最佳瀝青用量的確定

確定AC-20-Ⅰ型瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.4%,AC-20-Ⅱ型瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.5%,AC-20-Ⅲ的最佳瀝青用量為4.3%,后續(xù)試驗(yàn)所成型的試件均按照上述級(jí)配和最佳瀝青用量確定,見(jiàn)表6。

表6 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Marshall test results

3)高模量劑用量的確定

在 HMAC 混合料中添加劑種類及劑量為 PR Module(高模量劑含量一般為0.4%～0.7%)。本研究中采用的添加劑種類為PR Module,為研究高模量劑的摻加對(duì)于瀝青混凝土的性能影響,選具體摻量為3組:0.4%、0.5%、0.6%。

2.2 試件成型方法和步驟

根據(jù)高模量劑加入的階段和方式,其混合料拌和方法可以分為干拌法、濕拌法。同時(shí)在拌和過(guò)程中,時(shí)間和溫度是影響高模量劑的融化效果和分散均勻性的重要影響因素。

2.2.1 試件拌和方法

濕拌法是在骨料拌和之前,先將高模量劑投入到高溫的瀝青中,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫?cái)嚢?使之在瀝青中進(jìn)行溶解或熔脹,將攪拌均勻的高模量改性瀝青作為膠結(jié)料加入拌鍋,并拌和高模量劑瀝青混合料。干拌法是指高模量瀝青混合料在拌和時(shí),高模量劑在干拌時(shí)和集料一起加入拌鍋,然后再加入瀝青,拌成高模量瀝青混合料的生產(chǎn)工藝。采用濕拌法時(shí)需要提前對(duì)瀝青進(jìn)行改性,對(duì)比干法施工過(guò)程,程序相對(duì)繁多,施工過(guò)程中經(jīng)濟(jì)性不夠理想。因此采用干法作為拌和方式。

2.2.2 外摻劑干拌時(shí)間

由于高模量瀝青混合料在拌和過(guò)程中容易發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,故而本研究對(duì)高模量瀝青混合料的外摻劑拌和時(shí)間進(jìn)行分析研究,試驗(yàn)中選用 AC-20-Ⅰ型瀝青混合料級(jí)配(最佳瀝青用量為4.4%),根據(jù)相關(guān)研究[9],干拌時(shí)間設(shè)定為0、30、60、90 s共4個(gè)水平,當(dāng)取消干拌時(shí)間時(shí),試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)干拌時(shí)間為15 s后,外摻劑顆粒分布仍有不均勻現(xiàn)象,加入瀝青后存在明顯的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象;當(dāng)干拌時(shí)間大于30 s時(shí),外摻劑顆粒分布相對(duì)均勻,拌和后無(wú)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。因此在高模量瀝青混合料的拌和過(guò)程中,適當(dāng)?shù)母砂钑r(shí)間是必不可少的。從經(jīng)濟(jì)性上考慮,在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)過(guò)長(zhǎng)的干拌時(shí)間會(huì)導(dǎo)致高模量瀝青混凝土的生產(chǎn)效率降低,因此建議選取30 s作為外摻劑的干拌時(shí)間。一方面能有效地確保外摻劑和集料能夠充分與瀝青混合,充分保障混合料在攪拌時(shí)的均勻性,另一方面能有效地保證實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中避免因拌和時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致了成本浪費(fèi)。

2.2.3 拌和溫度

高模量劑主要利用高溫熔化的特點(diǎn),在拌和過(guò)程中有效地融化并分散在混合料中,因此,高模量瀝青混凝土拌和溫度與普通瀝青混合料的拌和溫度相比,應(yīng)相對(duì)較高。本研究依然選擇3個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度(160 、170 、180 ℃)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)拌和溫度選擇在160 ℃時(shí),部分外摻劑并未完全融化分散在瀝青混合料里,混合料拌和后存在了明顯的未融化外摻劑,主要由于拌和溫度過(guò)低導(dǎo)致拌和過(guò)程中由于本身熱量散失,使得混合料內(nèi)部溫度不均勻,從而不能達(dá)到有效的拌和過(guò)程;當(dāng)溫度在170 ℃以上時(shí),混合料拌和后外摻劑均融化在瀝青混合料中,拌和效果較好。但從工程實(shí)踐方面來(lái)看,過(guò)高的拌和溫度一方面會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)瀝青的快速老化,另一方面又會(huì)導(dǎo)致較多的熱量散失,造成生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)能浪費(fèi)。本研究最終確定HMAC混合料拌和溫度設(shè)定為170 ℃。

2.2.4 拌和時(shí)間

在確定拌和溫度及干拌時(shí)間后,同樣需要確定投入瀝青及礦粉的拌和時(shí)間,從而保證在充足的拌和時(shí)間內(nèi),使得高模量劑與瀝青、集料、礦粉均勻充分地?cái)嚢柙谝黄?。因此為了保證拌和效果,同樣選擇60 、90 、120 s的瀝青拌和時(shí)間,以及45 、60 、75 s的礦粉拌和時(shí)間進(jìn)行研究。對(duì)于瀝青拌和時(shí)間來(lái)看,60 s的拌和時(shí)間過(guò)后,拌和鍋的內(nèi)壁及底部依然存在大量的未裹附瀝青,說(shuō)明拌和得并不充分。而當(dāng)瀝青拌和時(shí)間大于90 s時(shí),瀝青均能較好地裹附在集料的表面,但是依然考慮到瀝青在拌和過(guò)程中可能存在的老化問(wèn)題,故而本研究中對(duì)瀝青拌和時(shí)間的選擇為90 s。對(duì)于礦粉的拌和時(shí)間來(lái)看,當(dāng)?shù)V粉的拌和時(shí)間為45 s時(shí),礦粉并未能較好地、均勻地分散在混合料中,存在結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象,當(dāng)拌和時(shí)間大于60 s時(shí),礦粉能較為均勻地分散在瀝青混合料中。最終確定瀝青及礦粉的拌和時(shí)間為:加入瀝青拌和90 s;加入礦粉后拌和60 s。以試拌的方式把握最優(yōu)拌和時(shí)間,確保集料能夠充分與瀝青混合,同時(shí)充分保障攪拌的均勻性。

3 高模量瀝青混凝土的路用性能研究

針對(duì)本研究所選擇的不同粗細(xì)比例特性所提出的級(jí)配制備馬歇爾試件,并根據(jù)路用性能實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析不同級(jí)配類型對(duì)混合料性能的差異,評(píng)價(jià)不同級(jí)配類型的路用性能,并綜合確定混合料的級(jí)配情況。

3.1 高溫穩(wěn)定性

3.1.1 車轍試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)車轍實(shí)驗(yàn)對(duì)高模量瀝青混凝土的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià),從動(dòng)穩(wěn)定度(DS)指標(biāo)分析不同粗細(xì)集料級(jí)配所制備的高模量瀝青混合料的高溫性能差異,分析粗細(xì)集料對(duì)高模量瀝青混合料的高溫性能影響。

3.1.2 車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比3種最佳瀝青用量下的級(jí)配類型的車轍試驗(yàn),研究高模量瀝青混合料HMAC的高溫穩(wěn)定性影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7和圖2。

表7 車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Rut experiment results

3種類型的高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度滿足規(guī)范中的要求,但是AC-20-Ⅱ級(jí)配所對(duì)應(yīng)高模量瀝青混合料的高溫性能要大于其余2種級(jí)配類型的動(dòng)穩(wěn)定度。說(shuō)明當(dāng)粗集料的用量增加有利于形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),從而使混合料有較好的高溫性能[10]。同時(shí)其對(duì)溫度敏感性更低,復(fù)摻纖維進(jìn)一步增強(qiáng)了高模量瀝青混合料在夏季炎熱環(huán)境下的重載承受能力[11]。從PR.M的摻量上來(lái)看,對(duì)于同一種高模量瀝青混合料來(lái)說(shuō),當(dāng)PR.M的摻量逐漸增加,其混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也逐漸增加,證明高模量劑的摻加對(duì)瀝青混合料的高溫抗車轍性能有了一定程度的提升。如圖3所示。

圖3 不同PR.M摻量的最大彎拉應(yīng)變Fig.3 Maximum flexural tensile strain with different PR.M content

3.2 低溫抗裂性

利用車轍板實(shí)驗(yàn)制作的車轍板二次加工,將其切成尺寸為相應(yīng)的長(zhǎng)方體小梁試件,利用UTM萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)切割后的小梁試件進(jìn)行低溫抗裂的加載處理。通過(guò)UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)所測(cè)算的抗彎拉強(qiáng)度、彎拉勁度模量和最大彎拉應(yīng)變分析粗細(xì)集料級(jí)配比例對(duì)其低溫抗裂性能的影響。通過(guò)計(jì)算得出相關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變等指標(biāo)對(duì)高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 低溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Experimental results of low temperature stability

在實(shí)驗(yàn)溫度為-10 ℃條件下,從3種級(jí)配類型的低溫抗裂性能可見(jiàn),彎拉應(yīng)變最大的級(jí)配,其勁度模量最小,抵抗收縮變形能力最強(qiáng),低溫抗裂性能最好。這是由于瀝青混合料中細(xì)集料的占比會(huì)很大程度影響混合料的低溫性能,細(xì)顆粒與瀝青組成的膠漿能有效阻礙裂縫發(fā)展,從而表現(xiàn)出較高的破壞應(yīng)變,相反粗集料越多,裂縫延伸越快,表現(xiàn)出較小的破壞應(yīng)變[12]。相關(guān)研究表明,由于高模量劑的摻入阻礙了分子運(yùn)動(dòng)并形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13-14],使得輕質(zhì)組分在瀝青中的占比下降,降低了瀝青的蠕變?nèi)岫扰c蠕變速率,使其低溫性能不良[15]。對(duì)于同一種高模量瀝青混合料來(lái)說(shuō),當(dāng)PR.M的摻量逐漸增加,其混合料的低溫抗裂性能有了一定程度的改善和提高,說(shuō)明高模量劑摻加融化后增加了集料和瀝青之間的黏結(jié)性能。

3.3 水穩(wěn)定性

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求,研究不同級(jí)配類型的高模量混合料水穩(wěn)性能,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9,如圖4和圖5所示。

圖4 不同PR.M摻量的浸水馬歇爾指標(biāo)Fig.4 Waterlogged Marshall index of different PR.M content

圖5 不同PR.M摻量的凍融劈裂指標(biāo)Fig.5 Freeze-thaw splitting index of different PR.M content

表9 水穩(wěn)定性結(jié)果Tab.9 Results of water stability %

從本研究所選擇的級(jí)配種類相對(duì)應(yīng)的水穩(wěn)定性結(jié)果分析,粗集料占比較高的級(jí)配類型其對(duì)應(yīng)的凍融劈裂指標(biāo)相對(duì)優(yōu)異,主要原因是,粗集料含量增加使瀝青混合料的骨架性能增強(qiáng),使得混合料在經(jīng)歷凍融循環(huán)后,粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)及瀝青膠漿的黏附力能有效地抵抗內(nèi)部?jī)鋈谒鶎?dǎo)致的空隙變化。而當(dāng)細(xì)集料增多后導(dǎo)致了瀝青裹附的油膜變薄,使得混合料在凍融循環(huán)后內(nèi)部空隙增加,從而使得凍融劈裂效果變差[15-16]。而PR.M的摻加對(duì)高模量瀝青混合料的性能并未產(chǎn)生較大的削弱,仍然能保證瀝青混合料的水穩(wěn)性能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本研究分別從拌和方法、混合料路通性能、混合料級(jí)配和經(jīng)濟(jì)性比較等方面對(duì)高模量瀝青混合料(HMAC)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)論如下。

1)選擇3種不同粗細(xì)集料比例的AC-20級(jí)配類型,通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定高模量瀝青混合料(HMAC)的瀝青最佳用量分別為4.4%、4.5%、4.3%。并分別從高溫、低溫和水穩(wěn)等方面對(duì)級(jí)配情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,AC-20-Ⅱ的高溫性能、水穩(wěn)定性能較優(yōu),主要因?yàn)榇旨显黾佑兄谛纬晒羌芙Y(jié)構(gòu)從而增強(qiáng),從而有效地減少車轍破壞和水損害。

2)結(jié)合室內(nèi)混合料實(shí)驗(yàn)和實(shí)際施工過(guò)程中拌和的施工工藝對(duì)施工成本效率的影響,采用干法作為拌和方式,并確定了混合料的拌和時(shí)間為干拌30 s,瀝青拌和90 s,礦粉后拌和60 s。

3)通過(guò)對(duì)不同摻量的高模量瀝青混合料的性能進(jìn)行研究。其高溫性能隨著高模量劑的摻加,高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度不斷增加。其低溫性能隨著高模量劑的摻加,高模量劑融化后增加了石料與瀝青間的黏附性,表現(xiàn)為低溫抗裂性能的增加。