抗剝落劑對瀝青混合料性能的影響及其改性機理研究

黃家奇,易可良,2

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007)

0 引言

在國家雙碳戰(zhàn)略實施背景下,隨著公路建設的發(fā)展,可開采的優(yōu)質筑路集料資源逐漸減少。較差質量集料與瀝青粘附性差,瀝青混合料水穩(wěn)定性不足,在荷載引起的動水沖刷作用下,易引起瀝青路面水損害[1-2]。針對瀝青路面水損害,在混合料中摻入抗剝落劑逐漸成為目前較常用的改善方法[3]。最初的抗剝落劑主要為無機結合料,如石灰、水泥等,但其在改善水穩(wěn)定性同時也會顯著降低混合料其他性能,且實際運用時存在添加、計量困難等技術難題[2-4]。

近年來,抗剝落劑(特別是高分子類)逐漸得到廣泛運用[5],也進行了較多研究,如王新剛[6]探究了抗剝落劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果;劉平[7]重點考查了LX-6525型抗剝落劑對花崗巖瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響;樊見維等[8]也將抗剝落劑運用于酸性類蝕變閃長巖集料改性,考察了瀝青與集料粘附改善效果,并驗證了混合料性能。但現(xiàn)有抗剝落劑研究主要側重于探討抗剝落劑對瀝青及瀝青混合料粘附及抗水損壞性能的影響,對瀝青或瀝青混合料更廣泛性能的影響評估研究相對較少。同時,對抗剝落劑改性機理的研究鮮有涉及,更多為定性的宏觀機理分析。

針對上述研究現(xiàn)狀,本文擬選用抗剝落劑對老化前后瀝青的針入度、延度及軟化點變化規(guī)律進行分析,并系統(tǒng)探究不同摻量抗剝落劑對瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)定性的影響。同時,采用Materials Studio軟件分子模擬技術,通過構建瀝青-集料模型,分析抗剝落劑對瀝青-集料的改性機理。研究成果可為瀝青混合料配合比設計中的材料優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支撐,并可為提升抗剝落改性效果的抗剝落劑研發(fā)提供新思路與理論指導。

1 原材料

1.1 瀝青

70#基質瀝青技術指標如表1所示。

表1 70#基質瀝青性能指標表

1.2 瀝青混合料

選用AC-13瀝青混合料進行混合料性能影響試驗。集料采用石灰?guī)r粗細集料,規(guī)格分別為0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm;礦粉采用石灰?guī)r研磨礦粉。集料、礦粉技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)技術要求[9]。AC-13合成級配如下頁圖1所示。

圖1 AC-13合成級配曲線圖

2 對瀝青性能的影響

老化前后針入度、延度及軟化點三大基本指標試驗結果如表2和圖2～3所示。

圖2 15 ℃延度試驗結果柱狀圖

圖3 軟化點試驗結果柱狀圖

表2 針入度試驗結果表

(1)摻加抗剝落劑后,隨著摻量增高,老化前后瀝青試樣針入度均逐漸增大,表明隨著抗剝落劑增加,瀝青稠度逐漸減小。這是由于抗剝落劑加入后改變了瀝青原有組分比例,使得輕質組分增加,瀝青稠度降低。而老化使輕質組分逐漸向重質組分轉換,因此老化后針入度普遍較老化前小。由針入度比分析可知,不同摻量下抗剝落劑瀝青針入度比差異較小,表明抗剝落劑并未對瀝青針入度穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

(2)摻加抗剝落劑后,老化前后瀝青延度逐漸增加,且老化后瀝青延度遠小于老化前的延度,表明老化降低了瀝青延展性,但抗剝落劑的加入可以略微改善瀝青的延展性能。

(3)瀝青老化后軟化點升高,但這并不表明瀝青老化會增強瀝青的高溫穩(wěn)定性,這是由于瀝青中輕質組分逐漸轉換為重質組分,瀝青原有組分比例變化失調,瀝青整體性能將逐漸降低。摻加抗剝落劑導致老化前后瀝青軟化點均降低,表明抗剝落劑對會對瀝青高溫性能產(chǎn)生不利影響。分析抗剝落劑摻量對軟化點降低效果,當摻量為0.4%時老化前后軟化點分別降低3.5 ℃、5.5 ℃,而當摻量達到0.6%時老化前后軟化點分別降低8.0 ℃、10 ℃,表明當摻量達到0.6%時瀝青性能將發(fā)生較大變化,因此建議抗剝落劑摻量宜控制在0.2%～0.4%。

3 對瀝青混合料性能的影響

為研究抗剝落劑對瀝青混合料性能尤其是水穩(wěn)定性的改善效果,采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗對瀝青混合料水穩(wěn)定性進行評價。同時,采用車轍試驗、低溫彎曲試驗分別對不同剝落劑摻量下瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能進行分析。

3.1 水穩(wěn)定性

選用0、0.2%、0.4%、0.6%等4個不同剝落劑摻量瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗,結果如圖4、圖5所示。

圖4 浸水馬歇爾試驗結果柱狀圖

圖5 凍融劈裂試驗結果柱狀圖

(1)隨著抗剝落劑摻量增加,瀝青混合料殘留穩(wěn)定度逐漸增強,當摻量達到0.4%時殘留穩(wěn)定度增幅減緩。由于殘留穩(wěn)定度試驗要求對試件浸水處理48 h,可以有效反映混合料在有水狀態(tài)下的力學性能變化。因此試驗結果可表明:增加抗剝落劑含量,瀝青與集料的粘附性增加,有水條件下瀝青混合料抵抗變形能力增強。但當抗剝落劑摻量達到一定量時,混合料抗水損害性能增強不明顯,表明高摻量抗剝落劑對瀝青混合料性能改善并不具備較好的適用性。

(2)摻入抗剝落劑前,瀝青混合料凍融劈裂強度比并不滿足規(guī)范要求;增加抗剝落劑摻量,瀝青混合料凍融劈裂強度比逐漸增加,但當增加至0.4%后,凍融劈裂強度比出現(xiàn)下降。與浸水馬歇爾試驗不同,凍融劈裂試驗在反映瀝青混合料水穩(wěn)定性的同時,也可在一定程度上表征瀝青混合料低溫穩(wěn)定性。試驗結果表明,抗剝落劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性能改善存在合適的摻量區(qū)間,就該試驗所用原材料及配合比而言,宜將抗剝落劑摻量控制在0.2%～0.4%。

3.2 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗結果如圖6所示。

圖6 高溫車轍試驗結果柱狀圖

分析圖6可知,隨著抗剝落劑摻量增加,車轍試件動穩(wěn)定度逐漸降低,表明抗剝落劑的加入對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,這與前述抗剝落劑導致瀝青軟化點降低的試驗結果一致。由于瀝青為典型的粘彈性材料,抗剝落劑加入后,瀝青軟化點降低,導致高溫荷載條件下車轍試件抵抗變形性能下降。但總體而言,抗剝落劑對混合料高溫性能影響幅度較小。當摻量為0.6%時,混合料動穩(wěn)定度下降209次/mm,下降幅度為11%,但仍遠高于規(guī)范≥800次/mm的要求;當按上述水穩(wěn)定性改善效果選取抗剝落劑摻量為0.4%時,混合料動穩(wěn)定度下降114次/mm,下降幅度為6%。整體而言,在合適摻量下可認為抗剝落劑對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響效果有限,在可控范圍之內(nèi)。

3.3 低溫穩(wěn)定性

對上述4個抗剝落劑摻量下的瀝青混合料進行低溫(-10 ℃)彎曲試驗,結果如圖7所示。

圖7 低溫彎曲試驗結果柱狀圖

分析圖7可知,隨著抗剝落劑摻量增加,低溫彎曲破壞應變值逐漸增大,當摻量達到0.6%時增幅呈現(xiàn)減小趨勢,但仍較未摻加抗剝落劑試件高,這與凍融劈裂試驗結果一致,表明抗剝落劑可提高瀝青混合料低溫穩(wěn)定性,但存在最佳摻量,摻量過高改善效果將減弱。

綜合分析抗剝落劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響,考慮改善效果及經(jīng)濟性,推薦抗剝落劑摻量為0.4%。

4 抗剝落劑改性機理分析

4.1 各組分模型構建

4.1.1 瀝青模型

參照文獻[10],采用四組分12分子模型進行基質瀝青模型構建,如圖8(a)所示。經(jīng)力場(COMPASS Ⅱ)、電荷設置后,采用Materials Studio(MS)軟件Forcite模塊對各分子進行結構優(yōu)化,然后采用MS軟件內(nèi)Amorphous Cell模塊中的Construction功能對12分子進行瀝青晶胞盒子構建。其中,各分子組成比例參照文獻[11]進行。瀝青晶胞構建完成后,依次進行結構優(yōu)化、退火等處理,如圖8(b)所示。

(a)四組分12分子模型

選取能量最低構型進行動力學計算,并進行密度驗證,確保模型構建的準確性與模擬計算的適用性。密度計算結果如圖9所示,平衡后密度在1.02 g/cm3左右,與相關文獻[12-13]及瀝青實際密度較為接近,符合計算要求。

圖9 瀝青模型密度變化時程曲線圖

4.1.2 抗剝落劑改性瀝青模型

參照文獻[14]進行抗剝落劑分子模型構建。抗剝落劑分子(總分子式為:C50H85N3O6)模型如圖10所示。

圖10 抗剝落劑分子模型示意圖

根據(jù)前述性能分析結果,選取0.4%抗剝落劑與瀝青混合,采用MS軟件Amorphous Cell模塊的Construction功能進行抗剝落劑改性瀝青晶胞盒子構建(見圖11)。

圖11 抗剝落劑改性瀝青晶胞模型示意圖

4.1.3 瀝青-集料粘附模型構建

選用SiO2進行集料模型構建,經(jīng)切表面與超晶胞處理后構建集料模型。將達到動力學平衡的基質瀝青、抗剝落劑改性瀝青分子模型與能量優(yōu)化的集料模型疊加,建立瀝青-集料界面模型(如圖12所示)。為消除模型的周期性影響,在瀝青層上方建立了厚度為50 ?的真空層。為模擬實際作用效果,將SiO2晶體最底層原子固定,而使表層SiO2原子充分松弛,與瀝青進行吸附。

圖12 抗剝落劑改性瀝青-集料粘附模型示意圖

4.2 瀝青-集料粘附功計算

瀝青與集料粘附功可采用瀝青-集料結合能與二者結合面積之比進行計算:

W=(EA+EB-EAB)

(1)

式中:W——瀝青-集料界面的粘附功(mJ/m2);

E——混合體系中A(瀝青)、B(集料)及AB(瀝青-集料混合體系)平衡后的總能量(kcal/mol);

A——界面面積(?2)。

分別對基質瀝青、抗剝落劑改性瀝青與集料粘附功進行動力學計算,結果如表3所示。

表3 瀝青-集料粘附功動力學計算結果表

分析表3可知:

(1)瀝青與集料結合能中范德華能起主導作用,靜電能作用相對較小。比較兩種粘附模型,瀝青-集料界面范德華能占總能量的70%以上,這與相關文獻結論一致[12-13]。

(2)摻入抗剝落劑,瀝青與集料粘附功增大,表明二者抗剝落性能提升,且主要由范德華能主導。抗剝落劑加入瀝青后,瀝青與集料粘附功增加13.84 mJ/m2,提升比例達到10.4%。其中,范德華能顯著增加,而靜電能則呈現(xiàn)降低趨勢。分子模擬結果表明,抗剝落劑主要改善了瀝青與集料的分子間作用力,抗剝落性能的提升有利于增強瀝青混合料抗水損壞性能。

5 結語

(1)抗剝落劑可以增大老化前后瀝青針入度、延度,減小瀝青軟化點,表明抗剝落劑可以降低瀝青稠度、改善瀝青的延展性能,并可引起瀝青高溫性能降低。

(2)當摻量為0.4%時70#基質瀝青老化前后軟化點分別降低3.5 ℃、5.5 ℃,而當摻量達到0.6%時老化前后軟化點分別降低8.0 ℃、10 ℃,表明當摻量達到0.6%時瀝青性能將發(fā)生較大變化。因此,建議抗剝落劑摻量宜控制在0.2%～0.4%。

(3)抗剝落劑摻量增加,瀝青混合料殘留穩(wěn)定度逐漸增強、凍融劈裂強度比逐漸提高并在0.6%摻量時下降。顯示抗剝落劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性能改善存在合適的摻量區(qū)間,宜將抗剝落劑摻量控制在0.2%～0.4%。

(4)抗剝落劑摻量增加,低溫彎曲破壞應變值逐漸增大,但當摻量達到0.6%時增幅呈現(xiàn)減小趨勢;車轍試件動穩(wěn)定度逐漸降低,表明抗剝落劑的加入對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

(5)分子模擬結果顯示,0.4%抗剝落劑可使瀝青-集料粘附功提升10.4%,且主要由范德華能提升引起。