高模量瀝青混凝土材料組成研究

摘 要：通過分析瀝青混凝土強(qiáng)度形成的機(jī)理，提出瀝青粘度、集料性質(zhì)、混合料級配類型、粉膠比和外摻劑等是影響瀝青混凝土模量的主要因素，并據(jù)此對高模量瀝青混凝土的組成材料提出具體的要求。

關(guān)鍵詞：道路工程；高模量瀝青混凝土；材料組成；強(qiáng)度形成機(jī)理

前言

瀝青混凝土是由一定數(shù)量的瀝青與恰當(dāng)比例的粗、細(xì)集料及填料組成符合規(guī)定級配的礦料拌和而制成的、符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混合料，高模量瀝青混凝土與普通瀝青混凝土相比具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，能夠降低瀝青混凝土在車輛荷載作用下發(fā)生的變形，提高路面抗高溫和疲勞能力，從而提高路面的服務(wù)質(zhì)量。高模量瀝青混凝土由于在使用要求上與普通瀝青混凝土存在區(qū)別，材料組成上必然有所不同，因此文章主要對高模量瀝青混凝土組成材料的技術(shù)要求進(jìn)行研究。

1 影響瀝青混凝土模量的因素

通常提高瀝青混凝土的強(qiáng)度主要有以下兩種途徑，一方面是加強(qiáng)集料顆粒棱角之間產(chǎn)生的嵌擠力和摩擦阻力；另一方面是提高瀝青材料自身的粘稠性及其與石料間的粘結(jié)力。從而可以得出，與瀝青混合料強(qiáng)度相關(guān)較為顯著的主要因素包括以下幾點(diǎn)：

1.1 瀝青粘度

瀝青結(jié)合料自身的特性是影響混合料整體強(qiáng)度和高溫抗變形能力的重要因素，在常溫和高溫條件下瀝青的勁度越強(qiáng)，粘稠度越大、與石料的粘附性越好，那么拌合形成的瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度和整體的抗變形能力也就越高。

1.2 集料性質(zhì)

影響瀝青混合料的強(qiáng)度的因素主要包括顆粒形狀、集料粒徑的尺寸、表面粗糙度。有棱角且表面粗糙的骨料所構(gòu)成的瀝青混合料強(qiáng)度明顯高于球狀光滑的骨料所構(gòu)成的瀝青混合料強(qiáng)度。用尺寸較大、顆粒形狀均勻的礦料所組成的混合料強(qiáng)度要大于尺寸較小、顆粒形狀不均勻的礦料所組成的混合料。

1.3 混合料級配

瀝青混合料的級配是影響瀝青混凝土強(qiáng)度的主要因素之一。根據(jù)混合料中密實(shí)結(jié)構(gòu)和嵌擠結(jié)構(gòu)所占的比例不同，通常將瀝青混合料的結(jié)構(gòu)分為懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架-空隙結(jié)構(gòu)和骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)。

1.4 粉膠比

按照近代膠漿理論的研究結(jié)果，瀝青混合料是一種由三級空間網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)組成的分散系，即粗分散系、細(xì)分散系和微分散系。以瀝青砂漿作為介質(zhì)，以粗集料為分散相，這樣就形成了一種粗分散系；同理，以瀝青膠漿作為介質(zhì)，以細(xì)集料為分散相而分散在其中，形成了一種細(xì)分散系；而微分散系是以高稠度的瀝青作為介質(zhì)，以填料（即礦粉）為分散相而分散在其中形成的膠漿則是一種微分散系。瀝青與填料形成的膠漿在瀝青混凝土中主要起到填充粗細(xì)集料空隙和粘結(jié)作用，因此直接影響著瀝青混合料強(qiáng)度的形成。

1.5 外摻劑

在瀝青混合料中添加高模量專用外摻劑，可以顯著提高瀝青混凝土的模量。集料在加熱后進(jìn)行干拌，此時將高分子專用外摻劑通過設(shè)備的投放口直接投入高速拌合的熱骨料上，外摻劑受熱后迅速軟化，熱骨料高速運(yùn)動下產(chǎn)生的剪切力可以將受熱軟化的外摻劑研磨成片狀或纖維狀，待瀝青加入后便可均勻地分散在瀝青混合料中。在高溫下外摻劑處于粘性流體狀態(tài)，通過與石料之間的潤濕和浸潤作用，粘流態(tài)的外摻劑能夠均勻地包裹在礦料顆粒表面。在高速拌合旋轉(zhuǎn)過程中，外摻劑將不斷纏繞最終形成一個立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而將集料顆粒牢固地限制在網(wǎng)狀體，當(dāng)施工結(jié)束，溫度降低后，處于彈性狀態(tài)的外摻劑與礦料膠結(jié)的界面可以形成很高的剛度和強(qiáng)度，瀝青混合料的整體力學(xué)強(qiáng)度會因此得到顯著提高。

2 高模量瀝青混凝土材料組成的要求

2.1 瀝青

低標(biāo)號瀝青是指直餾道路石油瀝青和通過各種調(diào)和技術(shù)獲得的瀝青，特點(diǎn)是針入度低，粘度高，軟化點(diǎn)高，具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和較好的高溫穩(wěn)定性。低標(biāo)號瀝青常溫下具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，在高溫條件下具有良好的抗車轍性能，同時還有相對較為低廉的價格，在國外（尤其在歐洲）有比較成功的應(yīng)用先例。在我國現(xiàn)行的《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中，關(guān)于道路石油瀝青的分類提出了50#和30#瀝青的技術(shù)要求和使用范圍，低標(biāo)號瀝青的應(yīng)用研究也逐漸得到開展。

作為制備高模量瀝青混凝土的原材料，50#瀝青和30#瀝青將是優(yōu)先選擇的對象。考慮到高模量瀝青混凝土使用的主要環(huán)境是交通量較大、受力環(huán)境較為惡劣的路段，因此對低標(biāo)號瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求也較為嚴(yán)格，在有條件的情況下盡量選用《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的A級低標(biāo)號瀝青。

2.2 集料

對于粗集料，集料的磨光值、磨耗值、瀝青粘附性、壓碎值、針片狀含量等指標(biāo)應(yīng)滿足高速公路瀝青路面的集料標(biāo)準(zhǔn)；在巖種選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r、玄武巖、安山巖、花崗巖等巖質(zhì)堅硬的集料。對于細(xì)集料，盡量選擇無風(fēng)化、無雜質(zhì)、干燥、潔凈，同時具有一定顆粒級配的集料，其各項技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足高速公路瀝青路面的集料標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 粉膠比

前文中提到，瀝青與礦粉之間所形成的瀝青膠漿是影響瀝青混凝土使用性能的重要因素。礦粉與瀝青之間的吸附過程復(fù)雜且多樣。如果粉膠比過大，即礦粉比例過大，那么膠漿內(nèi)沒有足夠的自由瀝青起介質(zhì)作用，瀝青全部被填料吸收，整個膠漿粘稠度過高，混合料容易發(fā)脆、發(fā)硬，瀝青混合料的低溫抗變形能力較差。相反，如果粉膠比過小時，即礦粉比例過小，瀝青與礦粉之間無法形成完全的膠漿，剩余的游離瀝青過多，填料之間易產(chǎn)生滑移，無法與粗細(xì)集料形成良好的粘附。在綜合考慮瀝青膠漿的高溫性能、低溫性能后，提出高模量瀝青混凝土適宜的粉膠比范圍為1.0～1.4。試驗(yàn)表明，當(dāng)粉膠比在此范圍內(nèi)時，瀝青混凝土的整體強(qiáng)度得到改善的同時，也保持了較好的低溫抗裂性能。

2.4 集料級配

綜合對比瀝青混合料的三種結(jié)構(gòu)類型后，發(fā)現(xiàn)骨架-密實(shí)型結(jié)構(gòu)可以兼顧其它兩種結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)點(diǎn)，骨架由粗集料擔(dān)當(dāng)，細(xì)集料和瀝青則能夠很好地填充粗集料中的孔隙，一方面集料之間能夠形成良好的嵌擠作用，另一方面形成的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)、空隙率低，具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和高溫抗永久形變能力，抗?jié)B性能良好，在選擇高模量瀝青混凝土級配類型，首選骨架密實(shí)型的級配類型。我國現(xiàn)行的《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》在深入研究集料骨架的形成規(guī)律后，對瀝青混合料級配組成，特別是集料組成設(shè)計朝著骨架密實(shí)方向進(jìn)行了全面的改進(jìn)，改進(jìn)后的連續(xù)級配AC類混合料具備較強(qiáng)的骨架密實(shí)特性，使得瀝青混合料的抗車轍、抗滑、抗?jié)B等性能同時得到改進(jìn)。因此，對于高模量瀝青混凝土集料級配的選擇，可以參考《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的集料級配范圍。

2.5 外摻劑

高模量外摻劑是以提高瀝青混凝土在車輛荷載下的力學(xué)強(qiáng)度為目的的，可以在提高模量的同時，使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到改善。其作用原理是外摻劑在受熱和剪切作用下變形后與礦料形成了復(fù)雜的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，礦料顆粒被牢固地限制在外摻劑纏繞后形成的立體網(wǎng)絡(luò)中，從而大幅度提高瀝青混凝土的整體力學(xué)強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

（1）瀝青混合料的強(qiáng)度主要來源于瀝青與礦料間的粘結(jié)力以及集料顆粒之間的嵌擠力，瀝青粘度、集料性質(zhì)、混合料級配類型、粉膠比和是否使用外摻劑等是影響瀝青混凝土模量的主要因素。（2）制備高模量瀝青混凝土可以選擇使用50#、30#低標(biāo)號瀝青，或高模量專用外摻劑的途徑，應(yīng)使用強(qiáng)度高、棱角性良好、耐磨性的集料，選擇骨架密實(shí)型級配或改進(jìn)后的具備較強(qiáng)骨架密實(shí)特性的連續(xù)級配，利用馬歇爾設(shè)計方法確定最佳瀝青用量，并注意將粉膠比控制在1.0～1.4范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]周慶華.高模量瀝青混凝土性能與路面結(jié)構(gòu)研究[D].長安大學(xué)，2010.

[2]張爭奇，張衛(wèi)平，李平.瀝青混合料粉膠比[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，24（5）：7-10.

作者簡介：周慶華（1977，10-），女，漢，河南省新鄉(xiāng)市，博士研究生，副教授，研究方向：道路材料與工程管理。