新型生物基改性瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)研究

韋明　余芳

摘要：為了貫徹綠色交通發(fā)展理念，解決廣西瀝青路面高溫性能問題，文章擬將一種環(huán)保的新型生物基改性劑（BFL-RS01）加入到瀝青混合料中，并通過車轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)等研究BFL-RS01對混合料高溫性能的影響。結(jié)果表明：加入BFL-RS01后，動(dòng)穩(wěn)定度及無側(cè)限單軸貫入強(qiáng)度明顯上升，說明其對瀝青混合料高溫性能的改善作用效果顯著，同時(shí)降低了瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的荷載敏感性;摻加BFL-RS01的瀝青混合料，在各種高溫條件下的穩(wěn)定性明顯高于普通瀝青混合料，說明該改性劑能較好抵抗高溫天氣的影響。

關(guān)鍵詞：新型改性劑;瀝青混合料;高溫性能

中國分類號(hào)：U416.03文章標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

瀝青路面以行車舒適、修建速度快等優(yōu)點(diǎn)在高速公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。隨著公路交通量及超載車輛的日漸增多，且部分汽車的單軸重達(dá)到20 t及以上，從而導(dǎo)致輪胎接地壓強(qiáng)達(dá)到1.0 MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出瀝青路面0.7 MPa的設(shè)計(jì)荷載。由于廣西地區(qū)夏季炎熱，瀝青路面地表溫度最高超過60 ℃[2]，又由于超載車輛行駛速度較慢，荷載作用時(shí)間長等因素的作用，瀝青路面容易出現(xiàn)車轍等病害，因此對于瀝青路面高溫性能的研究就顯得尤為重要。

譚繼宗等[3]基于貝雷法、CAVF法、經(jīng)驗(yàn)法所設(shè)計(jì)的瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)，通過貝雷法和級(jí)配分形法進(jìn)行級(jí)配評(píng)價(jià)，結(jié)合級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)分析級(jí)配對混合料高溫性能的影響。張飛等[4]通過溫拌前后不同目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料在40 ℃、50 ℃、60 ℃下的三軸重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)研究溫拌瀝青混合料中橡膠粉的目數(shù)及溫拌劑對膠粉改性瀝青混合料高溫性能的影響。王楓成[5]通過摻加紅油增塑劑、C9石油樹脂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）改性劑制備不同類型改性瀝青，采用瀝青針入度、旋轉(zhuǎn)黏度、動(dòng)態(tài)剪切流變、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)、彎曲梁流變等試驗(yàn)對其高低溫及感溫性能進(jìn)行研究，并與基質(zhì)瀝青進(jìn)行對比分析。陳淵召等[6]通過DSR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)和布洛克菲爾德黏度計(jì)法試驗(yàn)分析納米氧化鋅改性瀝青路用性能，發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的最佳濃度為4%。王嵐等[7]基于流變學(xué)與粘彈性理論研究溫拌改性瀝青的高溫、水穩(wěn)等性能，并通過層次分析法（AHP）對評(píng)價(jià)瀝青高溫性能指標(biāo)的[WTBX]ε1/[WTBX]ε2、[WTB1X]Gv、Z（粘彈指標(biāo)）進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，粘彈指標(biāo)具有[JP+1]最大的權(quán)重，推薦使用[WTB1X]Z來評(píng)價(jià)溫拌膠粉改性瀝青高溫性能。郭詠梅等[8]采用多應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青、高強(qiáng)瀝青等的高溫性能受到溫度和應(yīng)力的雙重作用。

因此，為解決廣西瀝青路面高溫穩(wěn)定性問題，本文擬在AC-13瀝青混合料中摻入一種環(huán)保的新型生物基改性劑BFL-RS01，通過瀝青混合料的車轍試驗(yàn)及單軸貫入試驗(yàn)研究此種環(huán)保材料對改性瀝青的高溫穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

采用70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青進(jìn)行對比研究，按試驗(yàn)規(guī)程[9]檢測各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如表1所示，其性能試驗(yàn)結(jié)果均符合廣西地域潮濕高溫的氣候條件。

1.2 集料

由于廣西屬于亞熱帶高溫潮濕地區(qū)，夏季炎熱時(shí)間長，年降雨量>1 000 mm，而選擇適合的粗集料可使瀝青混合料獲得更好的路用性能[10]。因此，采用強(qiáng)度高、多棱角、耐磨、水穩(wěn)定性好的輝綠巖作為瀝青混合料中的粗集料。粗集料產(chǎn)自廣西百色某采石場，表面無裂紋、質(zhì)地均勻、深灰黑色，粒徑為5～10 mm及10～15 mm兩檔。細(xì)集料采用廣西南寧某采石場的粒徑為0～5 mm石灰?guī)r石屑，無風(fēng)化、粉塵含量低。按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]對集料進(jìn)行技術(shù)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2、表3所示。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[12]中用于潮濕地區(qū)高等級(jí)道路瀝青路面表面層的集料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知，所用粗、細(xì)集料均符合要求。

1.3 礦粉

本次研究采用石灰?guī)r礦粉，其性能測試結(jié)果見表4，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。

1.4 改性劑BFL-RS01

為了改善普通瀝青混合料的高溫性能，本文采用一種新型生物基改性劑BFL-RS01。這是一種環(huán)保材料，其有效成分主要來源于造紙廢液中的纖維素，并加入少量高分子聚合物混合制備而成[13]，其與瀝青相容性好，性能穩(wěn)定，且在混合料中具有較好的分散性，其技術(shù)性能指標(biāo)如表5所示。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 集料合成級(jí)配

按照AC-13要求進(jìn)行，實(shí)測集料合成級(jí)配如表6所示。

2.2 改性劑BFL-RS01最佳用量的確定

按照馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法確定AC-13的最佳油石比。根據(jù)規(guī)范推薦及經(jīng)驗(yàn)，從3.5%的油石比開始，以0.5%為增長幅度制作5組試件，通過測試瀝青混合料的[WTBX]ρ[WTB1X]f、VMA、VFA、VV、MS、FL六大指標(biāo)后，確定采用70#基質(zhì)瀝青的AC-13最佳油石比為4.7%。

確定最佳油石比后，在70#基質(zhì)瀝青拌和的AC-13混合料中分別加入濃度為0、0.2%、0.4%、0.6% 的改性劑BFL-RS01進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。新型生物基BFL-RS01改性瀝青混合料用“直接投放法”拌和，即先將集料加熱至170 ℃并拌和30 s，后投入改性劑與集料繼續(xù)拌和15 s，再加入160 ℃的瀝青及礦粉拌和90 s即可。拌和好的瀝青混合料未見改性劑顆粒，說明該改性劑有較好的分散性和相容性。采用SBS改性瀝青混合料為對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7可得，BFL-RS01摻量由0增至0.6%時(shí)瀝青混合料空隙率由4.8%降至4.2%，混合料的穩(wěn)定度也隨著改性劑的加入而得到提高，但摻量的增加并不能使穩(wěn)定度持續(xù)提高。綜合考慮各方面因素，后續(xù)瀝青混合料的高溫性能試驗(yàn)（車轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)）將使用無改性劑、0.4%摻量的BFL-RS01、SBS改性瀝青三種情況進(jìn)行對比試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抗重載性能

車轍試驗(yàn)是研究瀝青混合料高溫性能的常規(guī)方法。為了模擬日益嚴(yán)重的超載情況，分別采用碾輪與試件的接觸壓強(qiáng)0.7 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可得三種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與荷載回歸曲線見表8。

結(jié)合圖1、表8可知：

（1）接觸壓強(qiáng)的增加使得混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值出現(xiàn)較大幅度下降，三種混合料在接觸壓強(qiáng)增加了0.3 MPa的情況下，動(dòng)穩(wěn)定度分別下降了61.0%、41.3%和43.7%。

（2）在加入改性劑BFL-RS01后混合料的動(dòng)穩(wěn)定度顯著提高，說明該改性劑改善瀝青混合料的高溫性能非常明顯，且BFL-RS01改性瀝青混合料在重載下的動(dòng)穩(wěn)定度與SBS改性瀝青混合料相當(dāng)。

（3）盡管隨著荷載的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈線性趨勢下降，但相對于SBS改性瀝青混合料，BFL-RS01改性劑的加入，不僅提高瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的絕對值，同時(shí)也降低瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的荷載敏感性，改善其高溫性能。

3.2 不同溫度作用下的車轍試驗(yàn)

據(jù)調(diào)查，夏季廣西南寧的瀝青路面極端地面溫度超過70 ℃[14]，因此試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)采用60 ℃、65 ℃、70 ℃三種溫度進(jìn)行車轍試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，試驗(yàn)結(jié)果如下頁圖2所示。

由圖2得三種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與溫度回歸曲線見下頁表9。

結(jié)合圖2、表9可知：

（1）溫度的增加使瀝青混合料的高溫性能有所下降，當(dāng)溫度增加10 ℃，混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別下降了54.9%、32.4%和35.2%，說明隨著溫度提升，其對瀝青路面性能的損害越大。

（2）雖然溫度升高時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度下降，但是在溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，加入改性劑BFL-RS01的比未加該改性劑的混合料動(dòng)穩(wěn)定度值仍然高出很多，說明該種改性劑能較好抵抗高溫天氣的影響。

（3）相對于SBS改性瀝青混合料，改性劑BFL-RS01的加入，不僅提高瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的絕對值，同時(shí)也減小瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的溫度敏感性，改善其高溫性能。

3.3 高溫、重載耦合作用下的高溫穩(wěn)定性

為了研究在高溫重載情況下的瀝青路面的性能，又制作了三組試件進(jìn)行極端情況下（70 ℃，1.0 MPa，1 h）的混合料車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后可觀察到試件在碾輪處出現(xiàn)較深的車轍輪跡，碾輪兩側(cè)混合料明顯隆起變形，動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果如圖3所示。

由圖3、表10可知：

（1）高溫重載耦合作用下混合料的動(dòng)穩(wěn)定度急劇下降。

（2）BFL-RS01改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度仍能維持在2 000次/mm以上，比SBS改性瀝青混合料性能略優(yōu)。

3.4 瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）[15]突出了材料設(shè)計(jì)參數(shù)需根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測選取這一理念，其中用瀝青混合料貫入強(qiáng)度表示瀝青混合料抗剪切變形的能力，即反映了混合料的高溫穩(wěn)定性。該試驗(yàn)首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件成型，室溫冷卻12 h后測定試件空隙率，再放入60 ℃的烘箱中保溫6 h后，采用直徑為28.5 mm貫入壓頭利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限單軸貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

由表11可知，加入了改性劑BFL-RS01后，瀝青混合料的無側(cè)限單軸貫入強(qiáng)度增加了36.0%，進(jìn)一步反映了該改性劑對混合料高溫強(qiáng)度有較大改善。這主要是：（1）改性劑的加入使得混合料的空隙進(jìn)一步減小，試件密實(shí)度更大，抗壓能力增強(qiáng);（2）改性劑中的成分與瀝青發(fā)生反應(yīng)，使得瀝青更粘稠，粘結(jié)集料的性能更優(yōu)，抵抗外荷載的能力得到進(jìn)一步的發(fā)揮。

4 結(jié)語

本次研究通過車轍試驗(yàn)及單軸貫入試驗(yàn)研究新型生物基BFL-RS01改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論：

（1）在瀝青混合料中加入BFL-RS01改性劑后，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度及無側(cè)限單軸貫入強(qiáng)度明顯提升，說明BFL-RS01改加劑能有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

（2）改性劑BFL-RS01與SBS對瀝青路面高溫性能的改善效果基本相當(dāng)。而BFL-RS01改性劑來源為造紙廢液，采用這種新型環(huán)保的改性劑更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，符合我國全面推動(dòng)綠色交通發(fā)展的理念。

（3）通過改變溫度、荷載等試驗(yàn)條件的車轍試驗(yàn)中，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度發(fā)生急劇變化，說明瀝青路面在高溫重載耦合作用下抵抗變形能力降低，更容易出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍變形。因此，提高瀝青混合料高溫性能在改善瀝青性能、調(diào)整混合料級(jí)配、優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)等方面有進(jìn)一步的研究空間。

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作者簡介：

韋 明（1976—），碩士，講師，工程師，研究方向：路基路面工程;

余 芳（1979—），碩士，副教授，研究方向：路基路面工程。