羅干生，文 威，鞠昌兵，陳小兵，張 迪，張小瑞，趙 靜

（1. 寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心，浙江 寧波 315000； 2. 東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 南通市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南通 226000）

引言

凝灰?guī)r集料性能良好、開采簡單和運(yùn)輸便利，緩解了傳統(tǒng)集料資源匱乏的問題，在東南沿海地區(qū)的道路工程建設(shè)中得到廣泛使用［1］。凝灰?guī)r集料是一種酸性集料，與瀝青間的黏附性不足，凝灰?guī)r瀝青路面在陽光、雨水等環(huán)境因素和行車荷載作用下容易出現(xiàn)水損害，甚至導(dǎo)致城市內(nèi)澇［2］。

當(dāng)前瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)評價方法包括瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)和瀝青混合料整體的水穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)合微觀測試技術(shù)更好地揭示水損害作用機(jī)理［3］。瀝青混合料水穩(wěn)定性改善方法包括瀝青改性、集料改性、優(yōu)化級配等［4］。按密實(shí)級配原則構(gòu)成的瀝青混合料空隙率小，但不能形成骨架使得內(nèi)摩阻力較小，受瀝青材料性質(zhì)的影響較大［5］。TAFPACK-Super（TPS）是高黏度改性瀝青混合料中應(yīng)用最廣泛的改性劑，它能增大瀝青的稠度和黏度，增強(qiáng)瀝青與集料間的黏附作用，從而提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，延長瀝青路面使用壽命［6］。

1 原材料

選用國產(chǎn)70#基質(zhì)瀝青和凝灰?guī)r集料，并將凝灰?guī)r集料分為0 ～5 mm、5 ～10 mm、10 ～15 mm、15 ～20 mm 四種規(guī)格，試驗(yàn)用高黏改性劑為日本技術(shù)生產(chǎn)的TPS 改性劑。

2 試驗(yàn)方案

2.1 級配設(shè)計(jì)和試件成型

密級配瀝青混合料顆粒級配連續(xù)、相互嵌擠密實(shí)，能增強(qiáng)凝灰?guī)r集料和瀝青之間的黏附作用，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）［7］規(guī)定的AC-16 級配類型對凝灰?guī)r集料進(jìn)行篩分，級配曲線見圖1。

圖1 AC-16 級配類型

選用合成級配作為瀝青混合料的設(shè)計(jì)級配，以外摻的方式加入基質(zhì)瀝青質(zhì)量3%、6%、12%的TPS改性劑，按馬歇爾試驗(yàn)方法確定的凝灰?guī)r瀝青混合料最佳油石比為4.7%，雙面擊實(shí)50 次后在室溫下養(yǎng)生24 h，得到基質(zhì)瀝青混合料和TPS 改性瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。

2.2 凝灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［8］對凝灰?guī)r基質(zhì)瀝青混合料和三種TPS 摻量的凝灰?guī)r瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，然后計(jì)算浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，作為凝灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。

2.3 TPS 改性瀝青微觀性能試驗(yàn)

為了分析TPS 改性劑對凝灰?guī)r瀝青混合料的改善機(jī)理，通過高速剪切機(jī)制備TPS 改性瀝青，TPS摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的3%、6%、12%，借助原子力顯微鏡測試基質(zhì)瀝青和TPS改性瀝青的掃描形貌圖，并導(dǎo)入AFM 附帶的專業(yè)離線軟件Nanoscope Analysis進(jìn)行分析，可以獲得瀝青的二維形貌圖［9］。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2 可以看出，隨著TPS 摻量的提高，浸水0.5 h 穩(wěn)定度和浸水48 h 穩(wěn)定度均有所提高，且浸水48 h 穩(wěn)定度的提升速率均比浸水0.5 h 穩(wěn)定度的提升速率大，當(dāng)TPS 摻量為12%時，浸水0.5 h 穩(wěn)定度和浸水48 h 穩(wěn)定度達(dá)到了10 kN 左右。這是由于摻入TPS 改性劑后能夠提高瀝青自身黏聚力，凝灰?guī)r集料表面能吸附大量瀝青膜，改善了瀝青與集料之間的黏附作用，增強(qiáng)了凝灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性。殘留穩(wěn)定度隨著TPS 摻量的增加而提高，浸水48 h 后的基質(zhì)瀝青混合料殘留穩(wěn)定度＞80%，TPS 改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度＞85%，滿足普通瀝青混合料和改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度要求，說明AC-16 級配的凝灰?guī)r瀝青混合料中集料嵌擠密實(shí)，減小瀝青混合料的空隙率，具有良好的水穩(wěn)定性。

圖2 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.2 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3 可知，瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度均隨著TPS 摻量的增加而變大，相比于基質(zhì)瀝青混合料，3%TPS 改性瀝青混合料凍融前劈裂強(qiáng)度增加了6%，其凍融后劈裂強(qiáng)度增加了23%，說明摻入TPS 后瀝青與凝灰?guī)r集料充分接觸，水分不易侵入瀝青-集料界面，加強(qiáng)了瀝青和集料之間的黏附作用。當(dāng)TPS 摻量為12%時，瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度均大于0.7 MPa，提高了凝灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性。基質(zhì)瀝青混合料的凍融劈裂比＜75%，不滿足要求，TPS 改性瀝青混合的凍融劈裂比均大于80%，符合要求。說明加入TPS 明顯提高了瀝青混合料的凍融劈裂比，改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

圖3 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖2 和圖3 得知，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比隨著TPS 摻量的增長率都逐漸減小，相比于TPS 摻量為6%，TPS 摻量為12%的凝灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性提升效果不明顯。

3.3 瀝青表面微觀形貌

“蜂狀結(jié)構(gòu)”為所有TPS 改性瀝青樣品共有特征結(jié)構(gòu)，但蜂狀結(jié)構(gòu)的形狀、數(shù)量和分布有差別，見圖4。瀝青各組分在納米尺度具有不同的相態(tài)，蜂狀結(jié)構(gòu)由強(qiáng)極性的瀝青質(zhì)為晶核并包裹蠟分子生長而成，瀝青中蜂狀結(jié)構(gòu)的明亮部分為瀝青質(zhì)，黯淡部分為烷烴、稠環(huán)芳烴類等輕質(zhì)組分組成［10］。

圖4 基質(zhì)瀝青和三種TPS 摻量改性瀝青的表面形貌

由圖4 可知，基質(zhì)瀝青的蜂狀結(jié)構(gòu)比較分散，形狀為細(xì)長型。加入TPS 后，蜂狀結(jié)構(gòu)尺寸變小，數(shù)量變多，說明TPS 為聚合物改性劑，能吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，使瀝青中瀝青質(zhì)組分比例增大，瀝青變得黏稠［11］。隨著TPS 摻量的提高，蜂狀結(jié)構(gòu)交叉合并共同生長，出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，表明TPS 可以減小瀝青質(zhì)分子受到飽和分的收縮阻力，打破了基質(zhì)瀝青的平衡膠體結(jié)構(gòu)，瀝青質(zhì)所占比例變大，瀝青逐漸向凝膠型膠體過渡［12］。當(dāng)TPS 摻量為12%時，TPS 改性劑充分溶脹，以膠團(tuán)的形式溶解分散到瀝青當(dāng)中，充分吸收瀝青內(nèi)的輕質(zhì)組分，形成了瀝青質(zhì)和TPS 的兩相共混體系，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成凝膠型，且TPS 膠團(tuán)對自由瀝青的流動產(chǎn)生了阻尼作用，極大地提高了瀝青的稠度和黏聚力，改善瀝青的黏附性能［13］。

4 結(jié)語

（1）密級配凝灰?guī)r瀝青混合料高溫水穩(wěn)定性差，低溫凍融水穩(wěn)定性良好。（2）TPS 改性劑提高凝灰?guī)r瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善凝灰?guī)r瀝青混合料水穩(wěn)定性。（3）TPS 改性劑可以改變?yōu)r青表面微觀形貌，增大瀝青自身黏聚力和黏附性能。