干法改性劑對瀝青混合料AC-13性能的影響分析

樊婷 左健

作者簡介：

樊?婷（1987—），工程師，主要從事國省道干線公路的日常養護工作。

為了解決廣西普通國省干線公路中重載交通、長大縱坡和紅綠燈交叉口等低速行車路段瀝青路面極易出現中重度車轍問題，文章針對廣西地區高溫多雨的氣候特點，選用粗顆粒斷級配骨架密實型級配，將70#基質瀝青、SBS改性瀝青、干法SBS改性劑、新型抗車轍劑KCZ制備成四種瀝青混合料，通過車轍試驗檢驗其高溫穩定性，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗檢驗其水穩定性，利用不同溫度下的粘聚力和內摩擦角評價其力學性能。結果表明，干法摻入SBS改性劑和新型抗車轍劑可提高瀝青混合料的動穩定度，可為干法添加劑新材料在廣西普通國省干線公路瀝青路面中的推廣及應用提供參考。

干法SBS改性劑；新型抗車轍劑；瀝青混合料；路用性能；力學性能

U414.1A220803

0?引言

廣西普通國省干線公路中，重載交通、長大縱坡和紅綠燈交叉口等低速行車路段的瀝青路面極易出現中重度車轍現象。廣西高速公路瀝青路面中、上面層常使用SBS改性瀝青。目前，SBS改性瀝青主要通過濕法工藝制備，其制備工藝的優點在于可以滿足大型項目的需求，但存在長時間儲存容易發生離析現象和SBS受熱易分解造成使用性能衰減的缺陷，影響瀝青路面的耐久性［1-3］。而干法SBS改性瀝青是指將改性劑直接加入瀝青拌和樓的攪拌鍋中，即拌和過程也是瀝青改性過程，其主要優點為可以分別控制改性劑、集料和基質瀝青等原材料的品質。

近些年來，相關研究人員對改性劑進行了大量研究。閆小崗［4］研究認為濕法摻入4.5%改性劑摻量的瀝青混合料路用性能最佳；欒軼博等［5］發現SBR乳膠改性劑可以用于干法工藝；劉利豐［6］發現再生瀝青混合料的水穩定性與干法SBS改性劑摻量呈正相關，且凍融劈裂抗拉強度比存在峰值；Mao等［7］通過研究聚烯烴干法改性熱拌瀝青的使用性能，發現其高溫穩定性和凍融劈裂抗拉強度比性能優良；王正同等［8］研究了干法直投式SBS改性劑的路用性能，發現直投SBS改性瀝青各項技術要求均滿足符合規范要求。

以上研究主要集中在SBS改性劑對瀝青混合料性能的影響，且濕法SBS改性瀝青研究較多，因其性能優異而被大量應用研究，但缺少與干法SBS改性瀝青混合料及干法抗車轍劑瀝青混合料的路用性能和力學性能系統對比研究。為了解決廣西普通國省干線公路中重載交通、長大縱坡和紅綠燈交叉口等低速行車路段瀝青路面極易出現中重度車轍現象的問題，考慮到廣西高溫多雨的氣候特點，本研究選用粗顆粒斷級配骨架密實型級配，通過對70#基質瀝青、SBS改性瀝青、干法SBS改性劑、新型抗車轍劑KCZ制備成四種瀝青混合料，通過車轍試驗檢驗其高溫穩定性，并采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗檢驗其水穩定性，利用不同溫度下的粘聚力和內摩擦角評價其力學性能，以期為干法添加劑新材料在廣西普通國省干線公路瀝青路面中的推廣及應用提供參考。

1?原材料

1.1?瀝青

試驗采用70#A級道路石油瀝青，試驗結果如表1所示。

1.2?粗集料

粗集料為廣西貴港市某石場生產的石灰巖碎石1#（5～10）、2#（10～15），細集料為石灰巖石屑（0～5） mm，根據《公路工程集料試驗規程》（GTJ E42-2015）對試驗采用的花崗巖集料進行物理相關指標試驗，其主要技術指標測試結果如表2、表3所示。

1.3?填料

填料為白色石灰巖碎石加工磨制的礦粉，其基本技術指標如表4所示。

1.4?干法添加劑

干法SBS改性劑和新型抗車轍劑KCZ均由國路高科工程技術研究院提供，其中新型抗車轍劑KCZ是一種干法SBS接枝單組份環氧的瀝青路面抗車轍改性劑新材料。

2?瀝青混合料配合比設計

廣西地區雨熱同期，在瀝青混合料配合比設計時要考慮其密實防水及骨架抗力的綜合功能。結合廣西公路瀝青路面工程經驗采用密實型瀝青混合料AC-13，其通過率如表5所示。添加劑（新型抗車轍劑KCZ摻量占瀝青混合料質量的1%，干法SBS改性劑占基質瀝青的4%）以干拌法在瀝青混合料中添加，即將外加劑與熱集料于拌和鍋中攪拌90 s，以確保改性劑充分均勻裹附在集料里，而后加入預定用量的基質瀝青攪拌90 s，再后添加礦粉再攪拌90 s，瀝青混合料拌制結束后，置于烘箱中短期老化2 h后成型相關馬歇爾試件，其不同改性劑瀝青混合料室內拌和、老化及成型溫度控制如表6所示，相關馬歇爾試驗結果如表7所示，其中，AC-13（基質瀝青）表示不摻外加劑，AC-13（濕法SBS）表示采用濕法添加SBS改性劑，AC-13（干法SBS）表示采用干法添加SBS改性劑，AC-13（干法KCZ）表示采用干法添加某新型抗車轍劑。

由表 7 可知，瀝青混合料AC-13（基質瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的馬歇爾體積指標、穩定度和流值均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（ JTG F40-2004）的技術要求。相同油石比下，瀝青混合料AC-13（基質瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的空隙率分別為4.4%、4.2%、3.6%、5.2%。干法抗車轍劑KCZ瀝青混合料AC-13空隙率相對較大，毛體積相對密度較少，這與抗車轍劑KCZ全部融化且裹附在集料表面，瀝青混合料顯得更為粘稠，柔韌性相對減少，降溫速率相對更快，成型難度相對增大等相關。

3?瀝青混合料的路用性能

3.1?高溫穩定性

瀝青混合料的高溫穩定性表現為在長期高溫條件下抵抗外界荷載發生變形的能力，其通過車轍試驗來評價。成型標準車轍試塊（300 mm×300 mm×50 mm），在試驗溫度為60 ℃、膠輪碾壓荷載為0.7 MPa條件下進行高溫抗車轍試驗，試驗結果如表8所示。

從表8可以知道：（1）AC-13（干法KCZ）在45 min、60 min變形量均小于0.3 mm，而AC-13（基質瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）的60 min變形量分別為7.03、2.38、2.34 mm，AC-13（干法KCZ）的變形量明顯要小于AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（基質瀝青）；（2）瀝青混合料AC-13（基質瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的動穩定度分別為1 034、3 150、3 407、26 250次/mm，均滿足≥1 000次/mm的規范技術要求，且相比于AC-13（基質瀝青），AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的動穩定度分別提高了204.6%、229.5%、2 412.6%，即干法摻入抗車轍劑新材料的瀝青混合料在高溫條件下表現出優秀抗變形能力，進一步提高了瀝青混合料的高溫穩定性。

3.2?水穩定性

水損害性是普通國省干線公路瀝青路面病害之一。本文通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂抗拉試驗來評價干法抗車轍劑瀝青混合料AC-13的水穩定性。浸水馬歇爾試驗采用兩組標準馬歇爾試件，分別置于溫度為60 ℃的恒溫水槽0.5 h、48 h進行試驗。凍融劈裂試驗采用兩組雙面擊實次數為50次馬歇爾試件，首先將一組馬歇爾試件置于-18 ℃的冰箱冰凍16 h后，將其取出并放入60 ℃的恒溫水槽浸泡24 h，而后再將兩組馬歇爾試件共同浸泡于25 ℃的恒溫水槽浸泡2.5 h進行劈裂抗拉試驗，試驗結果如表9所示。

從表9可以知道，瀝青混合料AC-13（基質瀝青）、AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比均能滿足規范技術要求，相對未摻入外加劑瀝青混合料AC-13（基質瀝青），AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）瀝青混合料的殘留穩定度度分別提高了19.6%、20.1%、5.8%，AC-13（濕法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比分別提高了19.4%、18.2%、8.7%。綜合上述得，且就添加外加劑瀝青混合料水穩定性能來說，AC-13（濕法SBS）效果最好，AC-13（干法SBS）次之，AC-13（干法KCZ）最差，這主要原因為瀝青混合料AC-13（干法KCZ）孔隙率相對較低，且其更為粘稠和柔韌性低，經過凍脹作用后，表現為瀝青混合料內部受損程度更大，劈裂強度降低，殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比相對更小。

4?瀝青混合料的力學性能

瀝青混合料的力學強度可以根據其內部組成結構分為兩個方面［9-10］：（1）內摩擦角，表現為集料顆粒間相互嵌擠作用；（2）粘聚力，表現為瀝青膠結料的黏合性能。瀝青混合料的力學性能是采用單軸試驗試驗并結合劈裂試驗的組合形式分別求得單軸抗壓強度σ1及無側限抗拉強度σ3，由摩爾極限應力圓得瀝青混合料的粘聚力c和內摩擦角φ，相關公式見公式（1）、（2）、（3）。試驗采用雙面擊實功為75次標準馬歇爾試件，溫度T分別變化為15 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，干法瀝青混合料AC-13力學性能試驗結果如圖1所示。

由圖1（a）中粘聚力隨溫度變化規律可知，干法添加外加劑改性的瀝青混合料AC-13粘聚力大小不同，但其粘聚力c的變化規律均相同，即瀝青混合料AC-13粘聚力隨著溫度升高而逐漸降低。AC-13（干法SBS）的粘聚力高于AC-13（濕法KCZ）、AC-13（干法KCZ）、AC-13（基質瀝青）。從圖1（b）內摩擦角隨溫度變化規律可知，瀝青混合料AC-13內摩擦角均隨溫度升高而增大，與粘聚力呈反比關系。超過50 ℃后，AC-13（基質瀝青）的粘聚力增加幅度不大，且具有略有減少的趨勢，這主要原因基質瀝青軟化點為50 ℃左右，此時瀝青混合料表現出黏彈性質。超過50 ℃后，瀝青混合料AC-13的內摩擦角排序為：AC-13（干法KCZ）＞AC-13（濕法SBS）＞AC-13（干法SBS）＞AC-13（基質瀝青），表明干

法添加某新型抗車轍劑的瀝青混合料AC-13具有卓越的高溫穩定性，與表8所得結論相同。

5?結語

基于廣西普通國省干線公路重載交通、長大縱坡及紅綠燈交叉口等路段瀝青路面產生車轍沉陷問題，通過采用在基質瀝青混合料AC-13中干法摻入SBS改性劑和某新型抗車轍劑，并以濕法SBS改性瀝青混合料AC-13為對照組進行室內試驗，評估了其水穩定性能、高溫穩定性以及不同溫度下的力學性能，得到以下結論：

（1）在不同改性工藝下，干法SBS改性瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性及力學性能均優于濕法SBS改性瀝青混合料。

（2）在相同干法改性工藝下，新型抗車轍劑KCZ瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力優于干法SBS改性瀝青混合料，但其抗水損害性能和力學性能則相反。

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