干法改性劑對(duì)瀝青混合料AC-13性能的影響分析

樊婷 左健

作者簡(jiǎn)介：

樊?婷（1987—），工程師，主要從事國(guó)省道干線公路的日常養(yǎng)護(hù)工作。

為了解決廣西普通國(guó)省干線公路中重載交通、長(zhǎng)大縱坡和紅綠燈交叉口等低速行車(chē)路段瀝青路面極易出現(xiàn)中重度車(chē)轍問(wèn)題，文章針對(duì)廣西地區(qū)高溫多雨的氣候特點(diǎn)，選用粗顆粒斷級(jí)配骨架密實(shí)型級(jí)配，將70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、干法SBS改性劑、新型抗車(chē)轍劑KCZ制備成四種瀝青混合料，通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)檢驗(yàn)其高溫穩(wěn)定性，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)其水穩(wěn)定性，利用不同溫度下的粘聚力和內(nèi)摩擦角評(píng)價(jià)其力學(xué)性能。結(jié)果表明，干法摻入SBS改性劑和新型抗車(chē)轍劑可提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，可為干法添加劑新材料在廣西普通國(guó)省干線公路瀝青路面中的推廣及應(yīng)用提供參考。

干法SBS改性劑；新型抗車(chē)轍劑；瀝青混合料；路用性能；力學(xué)性能

U414.1A220803

0?引言

廣西普通國(guó)省干線公路中，重載交通、長(zhǎng)大縱坡和紅綠燈交叉口等低速行車(chē)路段的瀝青路面極易出現(xiàn)中重度車(chē)轍現(xiàn)象。廣西高速公路瀝青路面中、上面層常使用SBS改性瀝青。目前，SBS改性瀝青主要通過(guò)濕法工藝制備，其制備工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以滿足大型項(xiàng)目的需求，但存在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存容易發(fā)生離析現(xiàn)象和SBS受熱易分解造成使用性能衰減的缺陷，影響瀝青路面的耐久性［1-3］。而干法SBS改性瀝青是指將改性劑直接加入瀝青拌和樓的攪拌鍋中，即拌和過(guò)程也是瀝青改性過(guò)程，其主要優(yōu)點(diǎn)為可以分別控制改性劑、集料和基質(zhì)瀝青等原材料的品質(zhì)。

近些年來(lái)，相關(guān)研究人員對(duì)改性劑進(jìn)行了大量研究。閆小崗［4］研究認(rèn)為濕法摻入4.5%改性劑摻量的瀝青混合料路用性能最佳；欒軼博等［5］發(fā)現(xiàn)SBR乳膠改性劑可以用于干法工藝；劉利豐［6］發(fā)現(xiàn)再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性與干法SBS改性劑摻量呈正相關(guān)，且凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比存在峰值；Mao等［7］通過(guò)研究聚烯烴干法改性熱拌瀝青的使用性能，發(fā)現(xiàn)其高溫穩(wěn)定性和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比性能優(yōu)良；王正同等［8］研究了干法直投式SBS改性劑的路用性能，發(fā)現(xiàn)直投SBS改性瀝青各項(xiàng)技術(shù)要求均滿足符合規(guī)范要求。

以上研究主要集中在SBS改性劑對(duì)瀝青混合料性能的影響，且濕法SBS改性瀝青研究較多，因其性能優(yōu)異而被大量應(yīng)用研究，但缺少與干法SBS改性瀝青混合料及干法抗車(chē)轍劑瀝青混合料的路用性能和力學(xué)性能系統(tǒng)對(duì)比研究。為了解決廣西普通國(guó)省干線公路中重載交通、長(zhǎng)大縱坡和紅綠燈交叉口等低速行車(chē)路段瀝青路面極易出現(xiàn)中重度車(chē)轍現(xiàn)象的問(wèn)題，考慮到廣西高溫多雨的氣候特點(diǎn)，本研究選用粗顆粒斷級(jí)配骨架密實(shí)型級(jí)配，通過(guò)對(duì)70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、干法SBS改性劑、新型抗車(chē)轍劑KCZ制備成四種瀝青混合料，通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)檢驗(yàn)其高溫穩(wěn)定性，并采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)其水穩(wěn)定性，利用不同溫度下的粘聚力和內(nèi)摩擦角評(píng)價(jià)其力學(xué)性能，以期為干法添加劑新材料在廣西普通國(guó)省干線公路瀝青路面中的推廣及應(yīng)用提供參考。

1?原材料

1.1?瀝青

試驗(yàn)采用70#A級(jí)道路石油瀝青，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.2?粗集料

粗集料為廣西貴港市某石場(chǎng)生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石1#（5～10）、2#（10～15），細(xì)集料為石灰?guī)r石屑（0～5） mm，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（GTJ E42-2015）對(duì)試驗(yàn)采用的花崗巖集料進(jìn)行物理相關(guān)指標(biāo)試驗(yàn)，其主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

1.3?填料

填料為白色石灰?guī)r碎石加工磨制的礦粉，其基本技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

1.4?干法添加劑

干法SBS改性劑和新型抗車(chē)轍劑KCZ均由國(guó)路高科工程技術(shù)研究院提供，其中新型抗車(chē)轍劑KCZ是一種干法SBS接枝單組份環(huán)氧的瀝青路面抗車(chē)轍改性劑新材料。

2?瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

廣西地區(qū)雨熱同期，在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)要考慮其密實(shí)防水及骨架抗力的綜合功能。結(jié)合廣西公路瀝青路面工程經(jīng)驗(yàn)采用密實(shí)型瀝青混合料AC-13，其通過(guò)率如表5所示。添加劑（新型抗車(chē)轍劑KCZ摻量占瀝青混合料質(zhì)量的1%，干法SBS改性劑占基質(zhì)瀝青的4%）以干拌法在瀝青混合料中添加，即將外加劑與熱集料于拌和鍋中攪拌90 s，以確保改性劑充分均勻裹附在集料里，而后加入預(yù)定用量的基質(zhì)瀝青攪拌90 s，再后添加礦粉再攪拌90 s，瀝青混合料拌制結(jié)束后，置于烘箱中短期老化2 h后成型相關(guān)馬歇爾試件，其不同改性劑瀝青混合料室內(nèi)拌和、老化及成型溫度控制如表6所示，相關(guān)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，其中，AC-13（基質(zhì)瀝青）表示不摻外加劑，AC-13（濕法SBS）表示采用濕法添加SBS改性劑，AC-13（干法SBS）表示采用干法添加SBS改性劑，AC-13（干法KCZ）表示采用干法添加某新型抗車(chē)轍劑。

由表 7 可知，瀝青混合料AC-13（基質(zhì)瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的馬歇爾體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（ JTG F40-2004）的技術(shù)要求。相同油石比下，瀝青混合料AC-13（基質(zhì)瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的空隙率分別為4.4%、4.2%、3.6%、5.2%。干法抗車(chē)轍劑KCZ瀝青混合料AC-13空隙率相對(duì)較大，毛體積相對(duì)密度較少，這與抗車(chē)轍劑KCZ全部融化且裹附在集料表面，瀝青混合料顯得更為粘稠，柔韌性相對(duì)減少，降溫速率相對(duì)更快，成型難度相對(duì)增大等相關(guān)。

3?瀝青混合料的路用性能

3.1?高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性表現(xiàn)為在長(zhǎng)期高溫條件下抵抗外界荷載發(fā)生變形的能力，其通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。成型標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試塊（300 mm×300 mm×50 mm），在試驗(yàn)溫度為60 ℃、膠輪碾壓荷載為0.7 MPa條件下進(jìn)行高溫抗車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

從表8可以知道：（1）AC-13（干法KCZ）在45 min、60 min變形量均小于0.3 mm，而AC-13（基質(zhì)瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）的60 min變形量分別為7.03、2.38、2.34 mm，AC-13（干法KCZ）的變形量明顯要小于AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（基質(zhì)瀝青）；（2）瀝青混合料AC-13（基質(zhì)瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的動(dòng)穩(wěn)定度分別為1 034、3 150、3 407、26 250次/mm，均滿足≥1 000次/mm的規(guī)范技術(shù)要求，且相比于AC-13（基質(zhì)瀝青），AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了204.6%、229.5%、2 412.6%，即干法摻入抗車(chē)轍劑新材料的瀝青混合料在高溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)秀抗變形能力，進(jìn)一步提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.2?水穩(wěn)定性

水損害性是普通國(guó)省干線公路瀝青路面病害之一。本文通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂抗拉試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)干法抗車(chē)轍劑瀝青混合料AC-13的水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗(yàn)采用兩組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，分別置于溫度為60 ℃的恒溫水槽0.5 h、48 h進(jìn)行試驗(yàn)。凍融劈裂試驗(yàn)采用兩組雙面擊實(shí)次數(shù)為50次馬歇爾試件，首先將一組馬歇爾試件置于-18 ℃的冰箱冰凍16 h后，將其取出并放入60 ℃的恒溫水槽浸泡24 h，而后再將兩組馬歇爾試件共同浸泡于25 ℃的恒溫水槽浸泡2.5 h進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

從表9可以知道，瀝青混合料AC-13（基質(zhì)瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均能滿足規(guī)范技術(shù)要求，相對(duì)未摻入外加劑瀝青混合料AC-13（基質(zhì)瀝青），AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度度分別提高了19.6%、20.1%、5.8%，AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別提高了19.4%、18.2%、8.7%。綜合上述得，且就添加外加劑瀝青混合料水穩(wěn)定性能來(lái)說(shuō)，AC-13（濕法SBS）效果最好，AC-13（干法SBS）次之，AC-13（干法KCZ）最差，這主要原因?yàn)闉r青混合料AC-13（干法KCZ）孔隙率相對(duì)較低，且其更為粘稠和柔韌性低，經(jīng)過(guò)凍脹作用后，表現(xiàn)為瀝青混合料內(nèi)部受損程度更大，劈裂強(qiáng)度降低，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比相對(duì)更小。

4?瀝青混合料的力學(xué)性能

瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度可以根據(jù)其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)方面［9-10］：（1）內(nèi)摩擦角，表現(xiàn)為集料顆粒間相互嵌擠作用；（2）粘聚力，表現(xiàn)為瀝青膠結(jié)料的黏合性能。瀝青混合料的力學(xué)性能是采用單軸試驗(yàn)試驗(yàn)并結(jié)合劈裂試驗(yàn)的組合形式分別求得單軸抗壓強(qiáng)度σ1及無(wú)側(cè)限抗拉強(qiáng)度σ3，由摩爾極限應(yīng)力圓得瀝青混合料的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，相關(guān)公式見(jiàn)公式（1）、（2）、（3）。試驗(yàn)采用雙面擊實(shí)功為75次標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，溫度T分別變化為15 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，干法瀝青混合料AC-13力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）中粘聚力隨溫度變化規(guī)律可知，干法添加外加劑改性的瀝青混合料AC-13粘聚力大小不同，但其粘聚力c的變化規(guī)律均相同，即瀝青混合料AC-13粘聚力隨著溫度升高而逐漸降低。AC-13（干法SBS）的粘聚力高于AC-13（濕法KCZ）、AC-13（干法KCZ）、AC-13（基質(zhì)瀝青）。從圖1（b）內(nèi)摩擦角隨溫度變化規(guī)律可知，瀝青混合料AC-13內(nèi)摩擦角均隨溫度升高而增大，與粘聚力呈反比關(guān)系。超過(guò)50 ℃后，AC-13（基質(zhì)瀝青）的粘聚力增加幅度不大，且具有略有減少的趨勢(shì)，這主要原因基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)為50 ℃左右，此時(shí)瀝青混合料表現(xiàn)出黏彈性質(zhì)。超過(guò)50 ℃后，瀝青混合料AC-13的內(nèi)摩擦角排序?yàn)椋篈C-13（干法KCZ）＞AC-13（濕法SBS）＞AC-13（干法SBS）＞AC-13（基質(zhì)瀝青），表明干

法添加某新型抗車(chē)轍劑的瀝青混合料AC-13具有卓越的高溫穩(wěn)定性，與表8所得結(jié)論相同。

5?結(jié)語(yǔ)

基于廣西普通國(guó)省干線公路重載交通、長(zhǎng)大縱坡及紅綠燈交叉口等路段瀝青路面產(chǎn)生車(chē)轍沉陷問(wèn)題，通過(guò)采用在基質(zhì)瀝青混合料AC-13中干法摻入SBS改性劑和某新型抗車(chē)轍劑，并以濕法SBS改性瀝青混合料AC-13為對(duì)照組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，評(píng)估了其水穩(wěn)定性能、高溫穩(wěn)定性以及不同溫度下的力學(xué)性能，得到以下結(jié)論：

（1）在不同改性工藝下，干法SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及力學(xué)性能均優(yōu)于濕法SBS改性瀝青混合料。

（2）在相同干法改性工藝下，新型抗車(chē)轍劑KCZ瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍變形能力優(yōu)于干法SBS改性瀝青混合料，但其抗水損害性能和力學(xué)性能則相反。

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