硫酸鈣晶須高模量瀝青混凝土的路用性能

王 修 山

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司博士后工作站，陜西西安710054;2.長安大學 公路學院，陜西西安710064)

隨著社會經濟的飛速發展，道路交通流量的迅速增大，特別是重型車的增多和高壓輪胎的使用，使得很多道路都過早的出現車轍。車轍是一種常見的由于高溫穩定性不足導致的道路病害，它使得駕駛員們難以控制方向盤，增加行車的危險性。

為了解決瀝青路面的車轍問題，國內外的許多學者提出多種的解決方法，其中一種方法就是通過提高瀝青混合料的模量來提高路面的抗車轍能力。國際上主要通過兩種方式來提高瀝青混合料的模量。一種是采用硬質瀝青，所謂硬質瀝青，通常指25～℃針入度小于25(0.1 mm)的道路瀝青。在過去20多年的時間里硬質瀝青在法國廣泛應用，其氧化生產工藝和減壓蒸餾工藝;另一種方式則是在瀝青混合料中加入高模量外摻改性劑［1］。這些傳統方法通常對高模量瀝青混凝土的低溫性能考慮較少。

筆者采用硫酸鈣晶須高模量瀝青混合料外摻劑，通過高溫車轍、低溫彎曲、水穩定性及抗疲勞性試驗等相關路用性能對比試驗，得出硫酸鈣晶須高模量瀝青混合料的顯著性能，并由此定位它的應用前景。

1 高模量瀝青混凝土配合比設計

1.1 無機改性劑硫酸鈣晶須

晶須是指在人工控制條件下以單晶形式生長成的一種纖維，其直徑非常小(μm數量級)，不含有常規材料中存在的缺陷(晶界、位錯、空穴等)，其原子排列高度有序，因而其強度接近于完整晶體的理論值。其機械強度等于鄰接原子間力。晶須的高度取向結構使其具有高強度、高模量和高伸長率［2］。

筆者在研究中所采用的硫酸鈣晶須具有較大長徑比，形狀細微，與其它類型纖維相比更易與瀝青融合，硫酸鈣晶須耐高溫(熔點為1 450℃)、抗腐蝕且性能穩定。硫酸鈣晶須填加到瀝青中，可在熱力、機械力的作用下，以細微纖維狀無序地分散在瀝青混合料中，由于其尺寸細微，與其它填料相比，硫酸鈣晶須與瀝青之間的相容性要好得多［3-4］。同時，硫酸鈣晶須能與瀝青基體形成部分交聯網絡結構，降低瀝青膠體的流動性，提高其黏度和高溫變形能力，從而增加瀝青混合料抵抗外部荷載的能力。

1.2 材料及配合比設計

瀝青材料采用埃索90#瀝青，集料采用普通優質石灰巖。經測試，瀝青和集料的各項指標均滿足規范要求。級配選用AC-20瀝青混合料，目標級配如表1，根據馬歇爾擊實試驗確定混合料的最佳油石比為4.2%。

表1 混合料級配數據Table 1 Gradation of asphalt mixtures

根據混合料的體積指標來初步確定改性劑摻量。室內試驗時，預先將礦料加熱至180～190℃，瀝青預熱至155℃左右，拌和鍋溫度控制在180℃左右。拌和時首先將礦料和外摻劑一起拌和3 min，然后加入瀝青再拌和3 min。混合料擊實溫度控制在155℃左右，雙面擊實75次。不同摻量下混合料的空隙率試驗結果見表2。試驗參考的技術標準有JTG E 42—2005《公路工程集料試驗規程》［5］、JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》［6］。

表2 不同改性劑摻量下的混合料空隙率Table 2 Mixture air void in different modifier dosage

表2的試驗結果顯示，硫酸鈣晶須的加入會增大混合料的空隙率，摻量0.05%和摻量0.1%的試件，空隙率都符合規范要求，但摻量0.2%和0.3%的試件空隙率過大，不符合規范要求。原因可能是因為硫酸鈣晶須的強度過大，導致混合料較難壓實。因此，選用0.05%和0.1%兩個摻量來進行進一步研究。

2 路用性能試驗

選取硫酸鈣晶須摻量為0.05%(A)和0.1%(B)的兩種高模量瀝青混合料和埃索90#普通瀝青混合料(C)3種混合料。分別對其進行室內車轍，低溫彎曲，浸水馬歇爾，凍融劈裂和抗疲勞試驗。

2.1 高溫穩定性

根據馬歇爾擊實實試驗結果，分別對3種瀝青混合料進行車轍對比試驗，高溫性能通常以車轍試驗(60℃)動穩定度DS(次/mm)值表征，試驗結果見表3。

表3 瀝青混合料車轍試驗結果Table 3 Asphalt mixture rutting test results

由表3可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的高溫穩定性較基質瀝青有明顯提高。其中硫酸鈣晶須摻量為0.05%時，動穩定度較普通瀝青混合料略有增加;當摻量增加到0.1%時，混合料的動穩定度較基質瀝青混合料提高了約140%，說明硫酸鈣晶須在集料之間形成的網狀結構，加強了瀝青混合料體系的相互作用力和整體性，對混合料溫度敏感性降低，高溫抗剪切能力的改善效果非常明顯。所以單從高溫穩定性來看，0.1%是較為理想的改性劑參量值。

2.2 低溫彎曲性

在-10℃、加載速率50 mm/min的條件下，將經過輪碾機成型后的3種瀝青混合料切制成的棱柱體小梁進行低溫彎曲試驗，低溫性能以低溫(-10℃)下的彎曲試驗破壞應變值表征，試驗結果見表4。

表4 瀝青混合料的低溫彎曲試驗結果Table 4 Asphalt mixtures at low temperature bend test results

由表4可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的低溫抗裂性與基質瀝青混合料呈現出不同的水平:基質瀝青與0.05%摻量比例的混合料的破壞應變大致為2 450 με左右;0.1%摻量則略有降低。在試驗摻量范圍內，兩種摻量都滿足90#瀝青的規范要求值(2 300 με)，由此可見，在試驗選取的兩種摻量下硫酸鈣晶須對瀝青混合料的低溫性能未見顯著影響。

2.3 水穩性

瀝青混合料的水穩性是指瀝青與礦料形成黏附層后，抵抗水引起瀝青膜剝落的能力。瀝青混合料的水穩定性主要取決于集料的性質、瀝青與集料之間相互作用的性質、瀝青混合料類型以及施工碾壓等因素。本試驗中以凍融劈裂試驗試驗方法來評價3種混合料的水穩性。試驗結果如表5。

表5 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果Table 5 Asphalt mixtures freeze-thaw splitting test results

由表5可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的殘留穩定度比和凍融劈裂強度比較基質瀝青均有明顯提高，且0.1%摻量的好于0.05%摻量的，0.1%摻量的較普通混合料的殘留穩定度比和凍融劈裂強度比分別提高了7.8%和7.1%。可見，硫酸鈣晶須改善了瀝青與集料間的界面性能，增加了瀝青膠漿的黏度，更有利于提高混合料的水穩定性。

2.4 抗疲勞性能

試驗以應變控制，采用應變分別為300，400，500 με的控制水平。以材料勁度模量達到初始勁度模量的50%時所經歷的加載次數為疲勞次數。根據試驗結果得到疲勞次數見表6。

表6 瀝青混合料疲勞試驗結果Table 6 Asphalt mixtures fatigue test results

從表6中數據可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的抗疲勞性能明顯強于埃索90#瀝青混合料，硫酸鈣晶須很好的提高了瀝青混合料的勁度模量，尤其是在低應力狀態下，高模量瀝青混合料表現出了較大的抗破壞荷載作用和彎曲破壞強度，充分體現了摻加硫酸鈣晶須高模量瀝青混合料優越的抗疲勞性能。

2.5 動態模量

在不同溫度、不同加載頻率試驗條件下，對基質90#瀝青、摻加硫酸鈣晶須瀝青混凝土進行了動態模量試驗［7-8］。通過數值優化的方法，建立了45℃時瀝青混合料的動態模量的主曲線，見圖1(①線為摻加硫酸鈣晶須瀝青混凝土曲線)。

圖1 動態模量主曲線(參考溫度45℃)Fig.1 Dynamic modulus Lord Curve(referential temperature at 45 ℃)

從圖1動態模量主曲線圖可以明顯看到，在高頻區域，兩種材料的動態模量趨于一致，而在低頻區域使用硫酸鈣晶須的瀝青混合料表現出較高的動態模量值，表明其抗高溫或低頻加載能力強。

3 效益分析

硫酸鈣晶須的合成原料是我國優勢礦產資源生石膏，價格低廉為3 000元/t，而法國PRS單價約為12 000元/t，德國Duroflex單價約為24 600元/t，而且經試驗分析:其在瀝青混合料中的摻量是一般高模量改性劑用量的1/2～1/5，所以使用硫酸鈣晶須作為改性劑，可以降低工程造價，經濟效益顯著。其次，硫酸鈣晶須無毒無害、性能穩定，特別是其優良的耐高溫性，使其具有不會引起高溫滑移的完整性，溫度升高時，晶須不分解、不軟化，其強度幾乎沒有損失，減緩路面早期破壞，延長路面使用壽命。作為新型改性劑，具有綠色環保、廣闊的推廣應用前景。

4 結論

1)硫酸鈣晶須作為一種晶體纖維，其改性瀝青混合料的機理符合纖維增強改性瀝青混合料的機理。

2)加入硫酸鈣晶須改性的高模量瀝青混合料，可以在保證混合料低溫性能不受影響的情況下顯著提高其高溫穩定性、水穩性和抗疲勞性等，從而可以解決道路上常見的的車轍，水損等病害，保證道路具有良好的路用性能。

3)硫酸鈣晶須改性高模量瀝青混合料在保證道路良好路用性能的同時，兼具顯著的經濟效益與社會效益。

［1］張爭奇，張登良，楊榮尚.改性瀝青機理研究［J］.西安:西安公路交通大學學報，1998，18(4):22-25.ZHANG Zheng-qi，ZHANG Deng-liang，YANG Rong-shang.The modifying asphalt mechanism study［J］.Journal of Xi’an Highway University，1998，18(4):22-25.

［2］韓躍新，于福家.硫酸鈣晶須增強EP-熱塑性彈性體研究［J］.非金屬礦，1997(6):28-30.HAN Yue-xin，YU Fu-jia. Study of calcium sulfate whisker strengthens the EP-thermoplastic elastomer［J］.Journal of Nonmetalliferous Ore，1997(6):28-30.

［3］費文麗，李征芳，王晰.硫酸鈣晶須的制備及應用評述［J］.化工礦物與加工，2002(9):31-32.FEI Wen-li，LI Zheng-fang，WANG Xi.Commentary of calcium sulfate whisker’s preparation and application ［J］.Journal of Chemical Mineral and Processing，2002(9):31-32.

［4］韓躍新，于福家，王澤紅.以生石膏為原料合成的硫酸鈣晶須及其應用研究［J］.國外金屬礦選礦，1996(4):50-52.HAN Yue-xin，YU Fu-jia，WANG Ze-hong.Applied research of calcium sulfate whisker based on gypsum as raw material synthesis［J］.Journal of Overseas Metalliferous Ore Dressing，1996(4):50-52.

［5］JTG E 42—2005公路工程集料試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2005.

［6］JTJ 052—2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［7］張朝旭.路寶牌高模量瀝青混凝土外摻劑研究與性能分析［J］.北方交通，2008(4):1-4.ZHANG Chao-xu.Research on Lubao brand additive for asphalt concrete with high modulus and analysis of its performance［J］.Journal of North Transportation，2008(4):1-4.

［8］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2001.