惠 冰，張 超

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點試驗室，陜西西安710064)

0 引言

目前，水泥混凝土外加劑不但能夠滿足混凝土的各項性能要求，而且使用簡單方便，經(jīng)濟、環(huán)保.然而瀝青混合料的外加劑遠未達到和混凝土外加劑相同的研發(fā)及普及程度［1］.由于瀝青混合料內(nèi)部的材料及其結(jié)構(gòu)屬性，常常面臨夏季高溫形成車轍，而冬季低溫又會開裂等一系列問題［2］.為了改善瀝青路面在實際工程中的應(yīng)用效果，學(xué)者對多種改性瀝青混合料進行了大量的試驗研究［3-6］，但傳統(tǒng)方法改性瀝青混合料受到改性材料和瀝青相容性、儲存穩(wěn)定性等因素影響，所采取的技術(shù)措施或是效果不佳難以湊效［7-8］，或是技術(shù)要求難度高而不易普及［9］.新型瀝青路面增強劑是一種直接投放式改性材料，由多種聚合物與環(huán)保型纖維為主料共同混合制成，改性過程僅需經(jīng)簡單機械攪拌即可將增強劑穩(wěn)定地分散于瀝青混合料之中，避免了通常改性瀝青中在添加改性劑時，易產(chǎn)生離析和工藝難度大的缺點.筆者通過對不同增強劑摻量條件下瀝青混合料路用性能試驗，并與有代表性的SBS改性瀝青混合料進行性能對比，深入研究增強劑對瀝青混合料技術(shù)性能的影響.

1 原材料性能和配合比設(shè)計

1.1 瀝青混合料增強劑

試驗研究采用由北京天成墾特萊科技有限公司研發(fā)的墾特萊牌瀝青混合料增強劑，是一種由聚合物、天然瀝青和纖維聚合組成的顆粒狀改性材料，其儲存性能穩(wěn)定且使用方便，與瀝青混合料有良好的相融合能力，具體技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 增強劑技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The properties of strength agent

1.2 瀝青

試驗采用殼牌70#重交道路石油瀝青和改性瀝青，其中改性劑采用燕山石化的4303(YH2801型)星型結(jié)構(gòu)物SBS作為改性劑與殼牌70#瀝青進行改性，摻入量為5%.按照JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的方法測定了這兩種瀝青技術(shù)性能指標(biāo).具體見表2.

表2 瀝青的技術(shù)性能Tab.2 The properties of asphalt

1.3 礦料

粗細集料采用輝綠巖.礦粉采用磨細的石灰?guī)r.經(jīng)檢測各項指標(biāo)均符合《JTGF 40—2004公路瀝青路向施工技術(shù)規(guī)范》要求.

1.4 混合料組成

根據(jù)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中AC-13瀝青混合料礦料級配范圍的要求，采用相應(yīng)級配中值作為瀝青混合料礦料組成，如表3所示，相應(yīng)油石比為4.5%，增強劑的使用不改變?yōu)r青混合料的配合比，其摻量為瀝青混合料總質(zhì)量的2‰～8‰.

表3 瀝青混合料的級配Tab.3 The gradation of asphalt mixture

2 增強劑改性工藝

增強劑采用基于“干法”的改性工藝，即在普通瀝青混合料拌和過程中直接添加增強劑以改性瀝青混合料.在實驗室利用增強劑改性瀝青混合料主要流程為：先將RA抗車轍劑和熱集料干拌15～30 s，以使增強劑均勻分散在礦料中.然后將瀝青按照預(yù)定用量加入，拌和90 s;最后加入礦粉，再拌和90 s.增強劑改性工藝溫度控制要求見表4.

表4 增強劑改性工藝溫度控制要求Tab.4 The temperature control requirements of strength agent modification process

3 試驗結(jié)果與分析

在相同級配和最佳油石比條件下，按照 JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對增強劑改性瀝青混合料、基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青混合料進行路用性能的比較.

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗進行瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的評價，試驗的溫度條件以60℃為準(zhǔn).但如果僅以目前試驗規(guī)程規(guī)定的60℃溫度條件評價瀝青混合料高溫抗變形能力，還不足以體現(xiàn)極端氣候條件的瀝青混合料高溫性能的表現(xiàn)，因此增加70℃條件下車轍試驗，結(jié)果見表5.

(1)由表5結(jié)果可見，與采用基質(zhì)瀝青組成的普通瀝青混合料相比，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度有顯著的提高，當(dāng)使用增強劑后，這種高溫性能的改善能力得到進一步增強.表中數(shù)據(jù)顯示，隨增強劑摻量增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度不斷提高，可見增強劑表現(xiàn)出比SBS改性瀝青更好的高溫改性效果.

表5 瀝青混合料的動穩(wěn)定度Tab.5 The DS of asphalt mixtures

(2)當(dāng)溫度由60℃升高到70℃時，各類混合料的動穩(wěn)定度都有大幅度的衰減，表明高溫是瀝青路面產(chǎn)生車轍的主要因素.對于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料，70℃動穩(wěn)定度比60℃時動穩(wěn)定度降低了60%左右.盡管摻入增強劑的瀝青混合料也在70℃時穩(wěn)定度也有明顯的降低，但隨著增強劑用量的不斷增加，動穩(wěn)定度的衰減幅度減小，而且絕對動穩(wěn)定度仍然能達到較高水平，可見通過采用調(diào)整增強劑用量的方法，能夠適應(yīng)更為苛刻的高溫穩(wěn)定性要求.

(3)無論在何種溫度條件下，增強劑的使用能夠明顯降低瀝青混合料的在荷載作用下的總變形量，且隨著增強劑用量的不斷增大，這種特點得到進一步發(fā)揮.目前的車轍試驗是采用45～60 min時間段的變形量，忽略之前的初期荷載壓密過程產(chǎn)生的變形.所以這種總變形量的減小說明增強劑的應(yīng)用不僅僅是在規(guī)定條件下增強了相對抗變形能力，而且是從整體上提高了瀝青混合料在高溫環(huán)境下的絕對抗變形能力，因而從根本上減緩夏季高溫瀝青路面產(chǎn)生永久塑性變形問題.

3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料低溫抗裂性評價方法采用規(guī)范要求的低溫彎曲試驗，試驗溫度-10℃，加載速率50 mm/min，結(jié)果見表6.

表6 瀝青混合料的彎曲破壞試驗結(jié)果Tab.6 The results of bending damage test of asphalt mixtures

(1)試驗結(jié)果顯示增強劑改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變要明顯高于普通瀝青混合料，表現(xiàn)出良好的低溫性能.

(2)在采用增強劑后，隨著高溫性能的大幅度提高，并未出現(xiàn)以往易于發(fā)生的高溫性能改善，相應(yīng)低溫時會產(chǎn)生質(zhì)硬性脆的問題，而是表現(xiàn)出良好的低溫變形能力.試驗結(jié)果說明在低溫應(yīng)變和破壞強度得到明顯提高的同時，相應(yīng)模量卻在下降，從而很好地協(xié)調(diào)了瀝青混合料的高低溫性能要求，這是瀝青路面增強劑的應(yīng)用的一個顯著特點.

增強劑改性瀝青混合料在4‰～8‰用量條件下能夠滿足低溫性能技術(shù)要求，達到與SBS改性瀝青混合料接近的低溫性能，產(chǎn)生這種效果的原因來源于增強劑中高聚物成分形成的內(nèi)聚力較基質(zhì)瀝青要大得多，從而促使瀝青與礦料形成的界面強度較普通瀝青混合料油石界面強度得以提高.采用彎曲應(yīng)變能密度函數(shù)的概念在一定程度上能夠反映這種油石界面能的變化狀態(tài)［3］，定量地反映不同類型混合料各自的低溫性能表現(xiàn).彎曲應(yīng)變能計算公式［10］為：

式中：dW/dV為應(yīng)變能密度函數(shù)，其臨界值是斷裂時應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線下的面積;σij，εij分別為應(yīng)力、應(yīng)變分量.

計算時，根據(jù)試驗結(jié)果，繪出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進行回歸，回歸方程為三次拋物線.根據(jù)試驗結(jié)果，計算得出各類型混合料的彎曲應(yīng)變能見表7.

表7 瀝青混合料試件的彎曲應(yīng)變能Tab.7 Bending strain energy of asphalt mixtures specimen

由表7可以看出，彎曲應(yīng)變能從大至小依次為4‰～8‰增強劑＞SBS改性瀝青＞2‰增強劑＞基質(zhì)瀝青.在增強劑用量為4‰～8‰時，低溫時瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能最高.應(yīng)變能密度越大，材料發(fā)生破壞所需的能量也越大，材料的性能也就越好.可見，增強劑的加入提高混合料的允許變形能力，強化了低溫時瀝青混合料中瀝青與礦料界面之間的連結(jié)效果，從而提高了瀝青混合料低溫變形能力，增強了瀝青路面低溫抗裂性.

3.3 水穩(wěn)定性能

采用凍融劈裂和殘留穩(wěn)定度試驗評價不同類型混合料的水穩(wěn)定性，結(jié)果如表8所示.

表8 瀝青混合料的凍融劈裂和殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果Tab.8 The TSR and residual stability value of asphalt mixtures

(1)由表8可知，當(dāng)分別摻入增強劑后無論是凍融劈裂強度比還是馬歇爾殘留穩(wěn)定度都較好的達到規(guī)范要求，較普通瀝青混合料都有一定程度的提高，從而表現(xiàn)出增強劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的積極影響.

(2)兩組試驗結(jié)果中，增強劑在凍融劈裂中效果表現(xiàn)要好于殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果，在一定摻量范圍里甚至要優(yōu)于SBS改性瀝青混合料.根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程可知，表征水穩(wěn)定性的試驗中凍融劈裂試驗條件要明顯高于殘留穩(wěn)定度的試驗要求，這樣的現(xiàn)象說明，增強劑能夠更有效地抵御水的破壞作用，在更為苛刻的水的侵入考驗條件下，更好地增強瀝青路面的抵御水的破壞.

4 瀝青混合料增強劑的經(jīng)濟性分析

雖然采用增強劑材料增加了瀝青路面初期建設(shè)投資費用，但可通過全面提高瀝青路面使用效果、延緩路面病害、減少養(yǎng)護維修費用中得到回報.對于增強劑改性瀝青混合料來說，由于改性工藝簡單，操作便利，因而在使用工藝的投入上就具備了一定的優(yōu)勢.

增強劑單價約1.5萬元/t，摻量通常在4‰～6‰，所以每噸瀝青混合料增加費用在60～90元之間.如每車道按3.75 m寬、以鋪設(shè)4 cm厚瀝青混合料考慮，混合料密度按2.4 t/m3計時，一個車道1 km投入增加的費用(按照5‰添加量考慮)是2.70萬元;

對SBS現(xiàn)場改性瀝青來說，當(dāng)混合料瀝青用量為4.5%，每噸改性瀝青加工費(含SBS材料費)0.18萬元計，按照同樣一個車道的條件計算，每公里增加的費用是2.916萬元，超過增強劑費用約2.1萬元.

5 結(jié)論

瀝青混合料增強劑能較好地改善瀝青混合料的低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，且隨著摻量的不斷增加，其改性效果愈發(fā)明顯;采用外加劑方法進行改性研究很好地解決了效果與操作難易程度的結(jié)合，增強劑在貯存和施工上要求簡單，生產(chǎn)過程可直接添加于拌和容器中攪拌即可，施工過程無需特殊要求，易于在實際工程中推廣應(yīng)用;增強劑在經(jīng)濟性上具有一定的優(yōu)勢，具有更加顯著的性價比.該結(jié)論是在有限的試驗樣本和范圍基礎(chǔ)上得到的，故需對增強劑改性瀝青混合料的路用性能作進一步研究，同時對增強劑改性機理也需進行深入探討.

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