王威 馬德崇 樊長昕(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原 030006）

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D-2抗轍裂劑改性瀝青及混合料性能研究

王威 馬德崇 樊長昕
(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原 030006）

【摘 要】D-2抗轍裂劑是一種新型高分子化合物,對不同抗轍裂劑摻加量瀝青及混合料的綜合性能進(jìn)行研究,動穩(wěn)定度和抗車轍因子的結(jié)果顯示抗轍裂劑可有效提高瀝青及混合料的抗車轍性能,同時(shí)抗轍裂劑對于改善混合料的低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性亦有顯著影響。經(jīng)濟(jì)分析表明,與SBS改性劑相比,D-2抗轍裂劑是一種性價(jià)比高的外摻劑。

【關(guān)鍵詞】抗轍裂劑 路用性能 作用機(jī)理

項(xiàng)目獲得“2015山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年科技研究基金(2015021074）”支持。

車轍是瀝青路面一種特有的損壞現(xiàn)象，它的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)的服務(wù)能力。瀝青路面車轍的出現(xiàn)導(dǎo)致路面平整度變差，在有較大車轍的路段，車輛方向難以控制，從而對行車的舒適度和安全性產(chǎn)生極為不利的影響[1]。國外許多發(fā)達(dá)國家80%以上的路面維修、罩面都由車轍引起，車轍的出現(xiàn)使得路面使用性能大大降低、工程維修期提前，由此帶來維修費(fèi)用驟增等諸多弊端[2]。車轍現(xiàn)已成為我國瀝青路面最主要的早期損壞問題。

車轍是剪應(yīng)力作用下瀝青混合料塑性流動的結(jié)果，其產(chǎn)生的根本原因是由于瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度不足[3]。研究顯示，摻加抗轍裂劑是有效解決車轍問題的手段之一。許多國家通過在不同等級公路中使用抗轍裂劑來提高瀝青路面抵抗永久變形的能力。本文對不同摻量德路加D-2抗轍裂劑的路用性能進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 抗轍裂劑添加劑

德路加D-2抗轍裂劑是一種功能強(qiáng)大的復(fù)合型瀝青混合料改性劑。與傳統(tǒng)的瀝青混合料抗車轍劑相比，具有加工工藝先進(jìn)(傳統(tǒng)為物理共混，其為化學(xué)接枝）、功能成份多等優(yōu)點(diǎn)。拌料時(shí)可直接加入拌缸中對瀝青混合料進(jìn)行改性。

2 原材料及技術(shù)指標(biāo)

2.1 原材料

鑒于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的考慮，抗轍裂劑摻加量選擇為1.5‰、3‰、4‰、5‰，摻加量以占瀝青混合料總質(zhì)量比重計(jì)[4]。

試驗(yàn)用礦料來自山西喜躍發(fā)路橋建筑材料有限公司；瀝青采用殼牌90#道路石油瀝青，基本性能見表1；抗轍裂劑采用德路加D-2抗轍裂劑。原材料各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》。

2.2 混合料組成設(shè)計(jì)

瀝青混合料配合比采用馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，混合料類型采用AC-13型瀝青混合料，油石比為4.8%。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 抗車轍性能

研究證實(shí)，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性越好，其抵抗交通載荷作用下發(fā)生永久變形的能力越強(qiáng)[5]，即抗車轍能力愈佳。許多學(xué)者認(rèn)為，抗轍裂劑可以顯著提升瀝青及混合料的抗車轍性能[6]。實(shí)際中，通常認(rèn)為動穩(wěn)定度能夠較好地反映瀝青路面在高溫情況下抵抗形成車轍的能力；理論分析中，瀝青的抗車轍因子可以用來表征材料的抗車轍性能。對不同抗轍裂劑摻加量的瀝青及混合料分別進(jìn)行流變(應(yīng)變值為0.2%，溫度區(qū)間40-70℃）和車轍試驗(yàn)，從微觀和宏觀的角度考察抗轍裂劑摻加量對抗車轍能力的影響。

圖1和圖2的結(jié)果表明，瀝青混合料動穩(wěn)定度結(jié)果以及瀝青的抗車轍因子均隨抗轍裂劑摻量的增加而不斷增強(qiáng)。證實(shí)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，抗轍裂劑摻量越多，對瀝青及混合料抗車轍性能改善效果越好。抗轍裂劑作為一種高分子材料，在與瀝青剪切熔融時(shí)能夠吸收瀝青中部分芳香分和飽和分，起到增黏瀝青，提高瀝青及混合料勁度模量的作用，可以提高瀝青的黏彈性?？罐H裂劑摻量越多，高分子聚合物間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越牢固。

3.2 低溫抗裂性能

瀝青混合料的低溫性能是指瀝青混合料在冬季低溫條件下抵抗低溫收縮裂縫的能力[7]。SHRP計(jì)劃的研究認(rèn)為瀝青結(jié)合料對瀝青混合料的低溫抗裂性能的貢獻(xiàn)率已達(dá)到90%[8]，因此瀝青結(jié)合料是決定瀝青混合料低溫抗裂性能的關(guān)鍵。本研究采用小梁彎曲試驗(yàn)用以評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能；見表2。

表1 殼牌 90#瀝青性能指標(biāo)

表2 不同抗轍裂劑摻加量瀝青混合料低溫抗裂試驗(yàn)

表3 不同抗轍裂劑摻加量瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

圖1 不同抗轍裂劑摻加量瀝青混合料動穩(wěn)定度

圖2 不同抗轍裂劑摻加量抗車轍因子分析

整體上抗轍裂劑的加入可以很好的提升瀝青混合料的低溫抗裂性能。這是由于摻加抗轍裂劑后瀝青黏度升高，提升的混合料強(qiáng)度和粘結(jié)力可以有效縮短裂縫發(fā)展路徑，提前終止裂縫擴(kuò)展的出現(xiàn)。剪切屈服形變通過抗轍裂劑的塑性流動和粘彈性流動需要消耗更多的應(yīng)變能，從而減弱裂紋快速形成破壞性裂紋或引起裂縫鈍化發(fā)展的趨勢。加入抗轍裂劑改性后，在荷載作用下裂縫趨于沿著混合料與礦料顆粒間界面發(fā)展，礦料顆粒及未熔融抗轍裂劑顆粒的出現(xiàn)，使裂縫沿礦料和抗轍裂劑表面發(fā)生彎折，從而改變裂縫伸展方向，裂縫擴(kuò)展路徑延長需要吸收更多能量從而起到阻裂作用。

但當(dāng)摻加量過高時(shí)，改善效果呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于高強(qiáng)度和高模量的材料通常具有較低的斷裂韌度，在載荷的反復(fù)作用下混合料的抗疲勞能力下降從而產(chǎn)生疲勞裂縫。在低溫及反復(fù)荷載的耦合作用下，外部載荷的能量可能足以破壞礦料顆粒及混合料固-固界面，穿透裂縫，從而不會引起裂紋的轉(zhuǎn)向和支化，最終導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。抗轍裂劑摻加量過高時(shí)該作用凸顯，從而使得混合料低溫抗裂性能不升反降。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)抗轍裂劑摻加量為4‰時(shí)，瀝青混合料低溫抗裂性能最佳。

3.3 水穩(wěn)定性能

研究顯示，70%以上路面的損害與瀝青混合料的水穩(wěn)定性有關(guān)。根據(jù)《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ036-98)要求，瀝青混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)采用凍融前后劈裂強(qiáng)度比(TSR）和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度(MS）見表3進(jìn)行評價(jià)。

凍融劈裂結(jié)果與殘留穩(wěn)定度的試驗(yàn)結(jié)果趨勢相似。摻加抗轍裂劑瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比和浸水殘留穩(wěn)定度均高于基質(zhì)瀝青，可見抗轍裂劑的使用有助于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。這是由于抗轍裂劑改性后瀝青黏度增加，使得瀝青與礦料間的界面強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，從而有效減弱瀝青的脫落并使得水分難于進(jìn)入油石界面；抗轍裂劑改性后未熔融的抗轍裂劑會在高溫下軟化，在拌和擊實(shí)過程中發(fā)生形變與集料再次粘結(jié)，當(dāng)溫度下降時(shí)，抗轍裂劑的重新凝聚起到極大增強(qiáng)整體粘結(jié)力的效果；此外抗轍裂劑在混合料中形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，亦可提高混合料體系的穩(wěn)定性。

但過高的摻加量反而會使混合料水穩(wěn)定性變差。這是由于抗轍裂劑的加入雖然可以增強(qiáng)混合料界面強(qiáng)度，但抗轍裂劑中的PE組分會吸附瀝青中的輕質(zhì)油分，使混合料變干變硬，難以壓實(shí)，混合料空隙率變大致使水分易于進(jìn)入，混合料內(nèi)部粘結(jié)力遭到破壞，致使混合料抗水損害能力變差。

3.4 改性機(jī)理分析

抗轍裂劑分子結(jié)構(gòu)由聚合物主鏈和接枝于聚合物主鏈的活性改性基團(tuán)組成。當(dāng)它熔融分散于瀝青后，其高分子主鏈間相互纏繞且與活性基團(tuán)間產(chǎn)生作用力，形成立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裹覆于自由瀝青上，一方面限制了自由瀝青的流動，另一方面借助活性改性基團(tuán)與瀝青中的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)作用，從而形成一種高強(qiáng)度的固化結(jié)構(gòu)，提高了瀝青的軟化點(diǎn)，降低了溫度的敏感性，增加了瀝青與骨料的粘附性，從而使成型瀝青路面的滲透性大大降低，抗水損害能力大大提高。同時(shí)抗轍裂改性劑中活性改性基團(tuán)與骨料表面易于產(chǎn)生較強(qiáng)作用力，提高了瀝青與骨料的粘附力。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

上述試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，德路加D-2抗轍裂劑的使用可以很好地提升瀝青路面的綜合路用性能，實(shí)體工程中，德路加D-2抗轍裂劑摻量在3‰就可以顯著提升瀝青混合料性能，重交通路面領(lǐng)域摻量可增加至4‰。將德路加D-2瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如下:

殼牌90#基質(zhì)瀝青—4600元/噸，SBS改性瀝青—6200元/噸，德路加D-2高性能瀝青混合料外加劑—18000元/噸。

假設(shè)高性能瀝青混合料用于高速公路中面層，路面寬度22.5m，路面厚度0.06m，混合料毛體積相對密度為2.420g/cm3，抗轍裂劑的摻量為3‰，油石比為4.8%，則鋪筑1km高速公路中面層膠結(jié)料價(jià)格為:

SBS:92.78萬元，D-2外摻劑:86.58萬元，D-2摻量為4‰時(shí)，鋪筑1 km高速公路中面層膠結(jié)料價(jià)格為:92.36萬元。

與SBS改性瀝青混合料相比，摻量為3‰和4‰時(shí)，鋪筑1km高速公路路面中面層使用德路加D-2高性能瀝青混合料外加劑可以節(jié)省造價(jià)分別為6.2萬元和0.42萬元，可見德路加D-2高性能瀝青混合料抗轍裂劑是一種性價(jià)比高的外摻劑。

4 結(jié)語

(1）動穩(wěn)定度和抗車轍因子的結(jié)果顯示，瀝青及混合料的抗車轍性能隨抗轍裂劑摻量的增加而不斷增強(qiáng)，其中抗轍裂劑的增黏和網(wǎng)格約束作用對提高瀝青及混合料抗車轍能力作用明顯。

(2）小梁彎曲試驗(yàn)表明，整體上抗轍裂劑的加入可以很好的提升瀝青混合料的低溫抗裂性能，但過高的摻加量反而使低溫性能下降。

(3）凍融劈裂比與殘留穩(wěn)定度結(jié)果證實(shí)，抗轍裂劑的使用有助于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，但摻加量亦存在最優(yōu)值?？罐H裂劑的增粘、重新凝聚及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對提升水穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用。

(4）與SBS改性劑相比，鋪筑1km高速公路路面中面層使用德路加D-2高性能瀝青混合料外加劑可以節(jié)省造價(jià)6.2萬元，可見德路加D-2抗轍裂劑是一種性價(jià)比高的外摻劑。

參考文獻(xiàn):

[1]張子賢,楊文海,劉秀平.車轍王抗車轍劑在瀝青混合料中的應(yīng)用[J].公路,2010,(10):186-188.

[2]王萬平.抗車轍瀝青混合料的試驗(yàn)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué), 2010.

[3]孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]Bing.Hui,Chao.ZHANG.Analysis of high temperature ability influence factors of anti-rutting agent modified asphalt mixture [C].ICTE 2011:1904-1909.

[5]李志強(qiáng).抗車轍瀝青混合料路用性能研究[D].西安:長安大學(xué), 2012.

[6]梁磊.高模量改性瀝青改性機(jī)理與混合料性能試驗(yàn)研究[J].山西交通科技,2014,(4):50-52.

[7]徐希娟,伍石生.摻加PR PLASTS抗車轍劑的瀝青混合料性能研究[J].公路,2005,(1):156-159.

[8]曾志威.摻抗車轍劑瀝青混合料路用性能研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2009.

作者簡介:王威(1988—）,女,碩士,助理工程師,研究方向:道路材料研發(fā)。