抗車轍劑和纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響分析

賈 帥

(山西長治公路勘察設(shè)計(jì)院，山西長治 046000)

隨著國內(nèi)公路網(wǎng)的發(fā)展和建設(shè)、渠化交通、車流量的增多和軸載的增大，高溫車轍和低溫開裂這兩大瀝青混合料路面的早期破壞現(xiàn)象也越來越受關(guān)注。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究大多只針對(duì)其中一種破壞現(xiàn)象進(jìn)行［1-3］，而對(duì)于同時(shí)有效地防治這兩種早期破壞方面并未有足夠的成功經(jīng)驗(yàn)。因而，研究摻加兩種或兩種以上添加劑的瀝青混合料，以期同時(shí)改善瀝青混合料的低溫和高溫性能就顯得非常有意義。

瀝青混合料中摻加抗車轍劑和纖維可以分別改善瀝青混合料的高溫和低溫性能，而同時(shí)摻加這兩種添加劑，綜合這兩種添加劑的優(yōu)良性能而消除二者的不足，進(jìn)而提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，這仍然是國內(nèi)外研究的空白。基于此，本研究的意義就在于:

1)提出一種簡便、有效地改善瀝青混合料路用性能的方法，同時(shí)提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等多種路用性能。2)把握摻加兩種或兩種以上外加劑的瀝青混合料路用性能的提高規(guī)律。

本文通過在瀝青混合料AC-13中摻入一定比例的抗車轍劑和纖維，以期同時(shí)改善混合料的水穩(wěn)定性，降低瀝青混合料的溫度敏感性，找到一種同時(shí)防治高溫車轍、低溫裂縫這兩大病害的瀝青混合料。

1 抗車轍劑與纖維

根據(jù)以往研究結(jié)果［4，5］，對(duì)于摻加了抗車轍劑的瀝青混合料，其高溫穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定度有了明顯提高，但其低溫抗裂性能就表現(xiàn)得相對(duì)較差。而摻加了纖維的混合料，其低溫性能有明顯的改善，但高溫穩(wěn)定性的改善卻不是很明顯。本研究在兼顧瀝青混合料各項(xiàng)路用性能的基礎(chǔ)上，綜合兩種外加劑的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)抗車轍劑和纖維按一定的比例進(jìn)行選取，同時(shí)摻入到AC-13瀝青混合料中，通過進(jìn)行車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，研究兩種外加劑的加入對(duì)瀝青混合料高低溫性能以及水穩(wěn)定性的影響，得到同時(shí)摻加多種外加劑對(duì)瀝青混合料各路用性能的影響規(guī)律。

根據(jù)相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)［6，7］，將本實(shí)驗(yàn)所選材料列于表1和表2。

表1 抗車轍劑的選用

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)抗車轍劑和纖維添加劑的研究［8］，當(dāng)AC-13瀝青混合料中添加4.0‰～6.0‰的抗車轍劑時(shí)，其路用性能可以得到較好地改善。另一方面，在AC-13瀝青混合料中添加3.6‰的纖維用量可以明顯提高瀝青混合料的路用性能，尤其是低溫穩(wěn)定性可以得到明顯地改善。

表2 纖維的選用

根據(jù)以上討論，瀝青混合料中兩種外加劑的摻加量范圍可以是:抗車轍劑:4.0‰ ～6.0‰，纖維:3.6‰。本文為比較同時(shí)添加兩種外加劑與只添加一種外加劑的區(qū)別，在對(duì)兩種添加劑的使用性能進(jìn)行綜合考慮的基礎(chǔ)上，確定AC-13瀝青混合料外加劑的摻入量是:抗車轍劑摻量為4‰，纖維摻量3.6‰。按此配合比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，瀝青混合料的路用性能在各個(gè)方面都顯示較好的狀態(tài)。

3 瀝青混合料路用性能對(duì)比研究

根據(jù)以上的抗車轍劑和纖維用量，將對(duì)實(shí)驗(yàn)方案類型選定為:普通AC-13瀝青混合料，AC-13瀝青混合料添加4‰的抗車轍劑，AC-13瀝青混合料添加3.6‰的纖維，AC-13瀝青混合料添加4‰的抗車轍劑和3.6‰的纖維。集料選用為石灰?guī)r，瀝青采用70號(hào)基質(zhì)瀝青。通過混合料馬歇爾實(shí)驗(yàn)，分別確定各方案的最佳油石比，并對(duì)各方案的瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 AC-13瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

從圖1中可以看出，對(duì)AC-13瀝青混合料來說，隨著抗車轍劑的加入，AC-13的動(dòng)穩(wěn)定度有明顯的提高，為原來的7.8倍，而低溫彎曲應(yīng)變值也有所提高。瀝青混合料單獨(dú)加入纖維時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度和低溫彎曲應(yīng)變也都有所提高(見圖2)。隨著抗車轍劑和纖維的加入，不僅使AC-13型瀝青混合料高低溫性和水穩(wěn)性都得到明顯改善，而且其性能相對(duì)于只添加其中一種外加劑也有一定的變化。

從高溫性能上分析，“AC-13瀝青混合料添加4‰的抗車轍劑和3.6‰的纖維”這一方案的動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)“AC-13瀝青混合料”的動(dòng)穩(wěn)定度提高了8.5倍，相對(duì)于“AC-13瀝青混合料添加4‰的抗車轍劑”這一方案的動(dòng)穩(wěn)定度也提高了7.5%，相 對(duì) 于“AC-13瀝青混合料添加3.6‰的纖維”這一方案的瀝青混合料更是提高了7.3倍。由此可見，改善瀝青混合料性能的主要是抗車轍劑，雖然纖維也具有改善效果，但并不明顯。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度

圖2 低溫彎曲應(yīng)力

低溫抗裂性能上，“AC-13瀝青混合料添加4‰的抗車轍劑和3.6‰的纖維”這一方案的瀝青混合料在低溫破壞應(yīng)變這一指標(biāo)上也表現(xiàn)良好，比AC-13瀝青混合料的低溫性能提高了2.1倍，相對(duì)于“AC-13瀝青混合料添加4‰的抗車轍劑”這一方案提升了66.1%，相對(duì)于“AC-13瀝青混合料添加3.6‰的纖維”這一方案的效果則表現(xiàn)并不明顯，只提高了5.9%，由此可見，纖維對(duì)瀝青混合料低溫性能改善發(fā)揮了主要作用。

水穩(wěn)定性上，添加了抗車轍劑和纖維的瀝青混合料，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度值都有明顯的提高(見圖3)。

圖3 殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比

綜合以上分析，同時(shí)摻入抗車轍劑和纖維，對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性的改良具有明顯的效果。僅摻入抗車轍劑或纖維的瀝青混合料，其高低溫穩(wěn)定性具有一定程度的改善，但同時(shí)摻入抗車轍劑和纖維的效果更加明顯。

4 作用機(jī)理分析

AC-13瀝青混合料中同時(shí)摻入抗車轍劑和纖維之后，其高低溫性能和水穩(wěn)定性都得到一定程度的改善，其作用機(jī)理在于:

1)抗車轍劑可以很好地融入70號(hào)基質(zhì)瀝青中，改良瀝青的性能，使其粘度增大，增加瀝青與集料之間的粘結(jié)力，提高瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，從而使混合料的高溫性能得到改善［9］。2)纖維是一種比表面積非常大的材料，它的加入能讓70號(hào)基質(zhì)瀝青牢固地吸附在其周圍，形成結(jié)合瀝青層，有效地降低了瀝青的溫度敏感性，提高了瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，從而一定程度上也能改善瀝青的高溫性能。3)纖維的主要作用是改良瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性。在低溫條件下，由于瀝青本身物理性質(zhì)的影響，瀝青混合料內(nèi)部易形成一些微小的裂縫，隨著微裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展和外部荷載的影響，對(duì)瀝青混合料的耐久性將產(chǎn)生非常不利的影響。纖維的加入，使瀝青混合料形成一種以纖維為基質(zhì)、瀝青膠結(jié)料為基體的復(fù)合材料［10］。纖維在瀝青混合料內(nèi)部呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀分布，當(dāng)瀝青混合料受到溫度應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的作用時(shí)，纖維可以阻滯微裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，延緩了材料出現(xiàn)失穩(wěn)破壞進(jìn)而斷裂的時(shí)間，抗疲勞破壞的性能明顯增強(qiáng)［11］。另外一方面，加入瀝青中的纖維可在集料的表面復(fù)合成涂覆于集料顆粒上的保護(hù)層。當(dāng)溫度較低時(shí)，具有纖維改良的結(jié)合瀝青層對(duì)顆粒的束縛作用也相應(yīng)增大，不易出現(xiàn)瀝青混合料松散的情況。這就有效地保證了瀝青混合料的低溫性能，對(duì)于瀝青路面的耐久性有著非常重要的意義。

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