張立群 余澤韜 熊 航 張學(xué)峰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

圖1 試驗(yàn)用瀝青

截至2019年底，我國高速公路里程達(dá)15萬公里，相比2012年增長56%[1].隨著我國公路交通的迅速發(fā)展，如何提高瀝青路面使用性能引起了社會的廣泛關(guān)注.目前，國內(nèi)對瀝青混合料進(jìn)行高分子聚合物改性的方案使用較為普遍，如使用SBS高聚物顆粒和抗車轍劑通過不同方式對瀝青混合料進(jìn)行改性.SBS高聚物顆粒在高速旋轉(zhuǎn)切割機(jī)作用下和基質(zhì)瀝青融合生成SBS改性瀝青，具有高溫下不軟化、低溫下不發(fā)脆、使用溫度范圍寬、力學(xué)性能好的特點(diǎn)，是國內(nèi)外使用最為廣泛的一種高聚物改性瀝青[2].抗車轍劑是由多種高分子聚合物復(fù)合而成的混合物，以外加劑摻入的方式對瀝青混合料進(jìn)行改性，相比SBS高聚物，其改性方式更加簡便.研究結(jié)果[3-4]表明，抗車轍劑能顯著改善瀝青混合料溫度敏感性，提升抗車轍性能.

國內(nèi)外對上述兩種聚合物改性瀝青混合料路用性能研究較多[5-8]，而針對兩種瀝青混合料馬歇爾指標(biāo)隨油石比變化的規(guī)律性對比研究較少.因此，本文通過馬歇爾試驗(yàn)對普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、抗車轍劑改性瀝青混合料進(jìn)行研究，得出3種瀝青混合料的最佳油石比，對3種瀝青混合料體積指標(biāo)、馬歇爾力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行比較與分析，為實(shí)際工程提供參考.

1 原材料

1.1 瀝青

本試驗(yàn)采用70#A級石油瀝青和SBS改性瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料的試驗(yàn)規(guī)程》(JTG-E20-2011)的試驗(yàn)操作要求對瀝青技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 瀝青基本性能

1.2 集料及填料

本次試驗(yàn)用集料分為5檔，粗集料為粒徑10-20mm石灰?guī)r碎石，5-10mm、3-5mm玄武巖碎石，細(xì)集料為0-3mm石灰?guī)r石屑，填料為石灰?guī)r礦粉.集料、礦粉性能試驗(yàn)參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG-E42-2005)，其各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范用料要求.

圖2 石灰?guī)r碎石 圖3 玄武巖碎石 圖4 石灰?guī)r石屑

1.3 抗車轍劑

抗車轍劑為多種聚合物與樹脂合成的顆粒狀物質(zhì)，其技術(shù)指標(biāo)見表2.

表2 抗車轍劑技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 礦料級配設(shè)計(jì)

根據(jù)集料篩分結(jié)果，選用AC-20型瀝青混合料連續(xù)密級配.根據(jù)規(guī)范要求，確定級配范圍的上下限并將中值作為目標(biāo)級配值，級配組成如圖5.

圖5 礦料級配圖

2.2 馬歇爾試驗(yàn)

(1)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料的試驗(yàn)規(guī)程》(JTG-E20-2011)規(guī)范要求，按照已確定的礦料級配，以經(jīng)驗(yàn)油石比3.8%、4.3%、4.8%、5.3%、5.8%成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件；

圖6 馬歇爾擊實(shí)儀 圖7 脫模中馬歇爾試件

(2)通過表干法測定試件馬歇爾體積指標(biāo)及力學(xué)指標(biāo)，繪制所有指標(biāo)隨油石比變化曲線；確定70#A級瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、抗車轍劑改性瀝青混合料的最佳油石比并根據(jù)最佳油石比成型馬歇爾試件，再次測定上述指標(biāo)并進(jìn)行比較.試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4.

圖8 成型后的馬歇爾試件 圖9 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀

表3 馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)匯總表

表4 最佳油石比下馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)匯總表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 毛體積相對密度

如圖10所示，毛體積相對密度隨油石比增大呈現(xiàn)先增后減趨勢，原因是瀝青用量增多，瀝青在礦料表面逐漸形成完整的“結(jié)構(gòu)瀝青”膜使礦料間黏結(jié)力增強(qiáng)，毛體積相對密度增大.隨著瀝青用量持續(xù)增大，礦料顆粒上的“結(jié)構(gòu)瀝青”膜變厚，將礦料顆粒推開，此時(shí)膜上一部分“結(jié)構(gòu)瀝青”會轉(zhuǎn)化為“自由瀝青”，增加了礦料顆粒間的滑移，導(dǎo)致混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松動，毛體積相對密度隨之下降.

在相同油石比情況下，毛體積相對密度排序?yàn)椋?0#A級瀝青混合料>抗車轍劑改性瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料，摻加抗車轍劑和使用SBS改性瀝青后瀝青混合料毛體積密度平均下降率分別為0.62%和2.29%.原因是抗車轍劑顆粒和SBS顆粒都會吸附瀝青中的小分子組分，使瀝青中極性分子相對增多，礦料與瀝青間分子力吸附增強(qiáng)，更多瀝青填充到礦料的開口空隙，而通過化學(xué)吸附產(chǎn)生的“結(jié)構(gòu)瀝青膜”減小，70#A級瀝青混合料中的“結(jié)構(gòu)瀝青”相對較多，對礦料的化學(xué)吸附更強(qiáng)，顆粒間的黏結(jié)程度更好，毛體積相對密度相對更大.抗車轍劑改性瀝青混合料中瀝青物理吸附程度不如SBS改性瀝青混合料，因此其毛體積相對密度大小次之.

圖10 毛體積相對密度變化圖 圖11 空隙率變化圖

3.2 空隙率

如圖11所示，相比于70#A級瀝青混合料，摻加抗車轍劑和使用SBS改性瀝青后瀝青混合料空隙率平均上升8.22%和12.11%.原因是SBS改性瀝青極性相對較強(qiáng)，更容易被礦料表面開口孔隙吸附填充，而顆粒狀的抗車轍劑比表面積較大，也會吸附部分瀝青，在瀝青含量相同時(shí)，由于二者被吸附的瀝青比例相對70#A級瀝青混合料更大，“自由瀝青”量減少，致使空隙率增大.

3.3 礦料間隙率

如圖12所示，礦料間隙率大小排序與毛體積相對密度恰好相反，摻加抗車轍劑和使用SBS改性瀝青后瀝青混合料礦料間隙率平均上升率分別為4.04%和13.74%.原因是SBS改性瀝青混合料和抗車轍劑改性瀝青混合料中集料之間的黏結(jié)力更強(qiáng)，相比70#A級瀝青混合料礦料骨架強(qiáng)度更大，則馬歇爾試件成型時(shí)壓實(shí)度相對更低，礦料間隙率隨之增大.

3.4 瀝青飽和度

瀝青飽和度表征瀝青填充礦料間隙的程度.如圖13所示，三種瀝青混合料瀝青飽和度隨油石比增大而增大，且三者之間無明顯差異.原因是隨著油石比升高填充礦料間隙的“自由瀝青”含量升高.瀝青混合料改性后雖然空隙率與礦料間隙率均增大，但兩個指標(biāo)之間比值無明顯變化，體現(xiàn)為三者瀝青飽和度差異較小.

圖12 礦料間隙率變化圖 圖13 瀝青飽和度變化圖

3.5 穩(wěn)定度和流值

圖14 最佳油石比下穩(wěn)定度、流值圖

如圖14所示，摻加抗車轍劑和使用SBS改性瀝青能顯著提高瀝青混合料強(qiáng)度和穩(wěn)定性.在最佳油石比情況下，抗車轍劑改性瀝青混合料相比于70#A級瀝青混合料穩(wěn)定度提高10.30%，流值降低6.25%.SBS改性瀝青混合料相比于70#A級瀝青混合料穩(wěn)定度提高36.02%，流值降低6.25%.原因是SBS顆粒與瀝青通過物理交聯(lián)作用形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了瀝青中分子間的相對運(yùn)動，瀝青內(nèi)聚力增強(qiáng)，同時(shí)也增強(qiáng)了與礦料顆粒的黏結(jié)力.因此，在相同油石比中SBS改性瀝青混合料可能出現(xiàn)生成“結(jié)構(gòu)瀝青”較少的情況下，混合料整體也會呈現(xiàn)強(qiáng)度更高，穩(wěn)定性更好的特點(diǎn).車轍劑中所含的丁苯橡膠，不僅增強(qiáng)了瀝青混合料的彈性，同時(shí)吸收瀝青中的油分發(fā)生溶脹，改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)從而提高瀝青黏度，提高了瀝青混合料的強(qiáng)度及抗變形能力.

4 結(jié) 論

(1)SBS顆粒和抗車轍劑都能提高瀝青與礦料間的黏結(jié)能力，改變?yōu)r青混合料結(jié)構(gòu)致使體積指標(biāo)產(chǎn)生差異，且抗車轍劑改性瀝青混合料中瀝青物理吸附程度不如SBS改性瀝青混合料.

(2)在相同油石比下，摻加抗車轍劑和使用SBS改性瀝青后瀝青混合料毛體積密度平均下降率分別為0.62%和2.29%，空隙率平均上升8.22%和12.11%，礦料間隙率平均上升率分別為4.04%和13.74%，瀝青飽和度無明顯差異.

(3)摻加抗車轍劑和使用SBS改性瀝青能顯著提高瀝青混合料強(qiáng)度和穩(wěn)定性.在最佳油石比情況下，抗車轍劑改性瀝青混合料相比于70#A級瀝青混合料穩(wěn)定度提高10.30%，流值降低6.25%.SBS改性瀝青混合料相比于70#A級瀝青混合料穩(wěn)定度提高36.02%，流值降低6.25%.