硫酸鈣晶須高模量瀝青混凝土的路用性能

王 修 山

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司博士后工作站，陜西西安710054;2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西西安710064)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，道路交通流量的迅速增大，特別是重型車的增多和高壓輪胎的使用，使得很多道路都過(guò)早的出現(xiàn)車轍。車轍是一種常見(jiàn)的由于高溫穩(wěn)定性不足導(dǎo)致的道路病害，它使得駕駛員們難以控制方向盤(pán)，增加行車的危險(xiǎn)性。

為了解決瀝青路面的車轍問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者提出多種的解決方法，其中一種方法就是通過(guò)提高瀝青混合料的模量來(lái)提高路面的抗車轍能力。國(guó)際上主要通過(guò)兩種方式來(lái)提高瀝青混合料的模量。一種是采用硬質(zhì)瀝青，所謂硬質(zhì)瀝青，通常指25～℃針入度小于25(0.1 mm)的道路瀝青。在過(guò)去20多年的時(shí)間里硬質(zhì)瀝青在法國(guó)廣泛應(yīng)用，其氧化生產(chǎn)工藝和減壓蒸餾工藝;另一種方式則是在瀝青混合料中加入高模量外摻改性劑［1］。這些傳統(tǒng)方法通常對(duì)高模量瀝青混凝土的低溫性能考慮較少。

筆者采用硫酸鈣晶須高模量瀝青混合料外摻劑，通過(guò)高溫車轍、低溫彎曲、水穩(wěn)定性及抗疲勞性試驗(yàn)等相關(guān)路用性能對(duì)比試驗(yàn)，得出硫酸鈣晶須高模量瀝青混合料的顯著性能，并由此定位它的應(yīng)用前景。

1 高模量瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)機(jī)改性劑硫酸鈣晶須

晶須是指在人工控制條件下以單晶形式生長(zhǎng)成的一種纖維，其直徑非常小(μm數(shù)量級(jí))，不含有常規(guī)材料中存在的缺陷(晶界、位錯(cuò)、空穴等)，其原子排列高度有序，因而其強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值。其機(jī)械強(qiáng)度等于鄰接原子間力。晶須的高度取向結(jié)構(gòu)使其具有高強(qiáng)度、高模量和高伸長(zhǎng)率［2］。

筆者在研究中所采用的硫酸鈣晶須具有較大長(zhǎng)徑比，形狀細(xì)微，與其它類型纖維相比更易與瀝青融合，硫酸鈣晶須耐高溫(熔點(diǎn)為1 450℃)、抗腐蝕且性能穩(wěn)定。硫酸鈣晶須填加到瀝青中，可在熱力、機(jī)械力的作用下，以細(xì)微纖維狀無(wú)序地分散在瀝青混合料中，由于其尺寸細(xì)微，與其它填料相比，硫酸鈣晶須與瀝青之間的相容性要好得多［3-4］。同時(shí)，硫酸鈣晶須能與瀝青基體形成部分交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低瀝青膠體的流動(dòng)性，提高其黏度和高溫變形能力，從而增加瀝青混合料抵抗外部荷載的能力。

1.2 材料及配合比設(shè)計(jì)

瀝青材料采用埃索90#瀝青，集料采用普通優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r。經(jīng)測(cè)試，瀝青和集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。級(jí)配選用AC-20瀝青混合料，目標(biāo)級(jí)配如表1，根據(jù)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)確定混合料的最佳油石比為4.2%。

表1 混合料級(jí)配數(shù)據(jù)Table 1 Gradation of asphalt mixtures

根據(jù)混合料的體積指標(biāo)來(lái)初步確定改性劑摻量。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，預(yù)先將礦料加熱至180～190℃，瀝青預(yù)熱至155℃左右，拌和鍋溫度控制在180℃左右。拌和時(shí)首先將礦料和外摻劑一起拌和3 min，然后加入瀝青再拌和3 min?；旌狭蠐魧?shí)溫度控制在155℃左右，雙面擊實(shí)75次。不同摻量下混合料的空隙率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有JTG E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》［5］、JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［6］。

表2 不同改性劑摻量下的混合料空隙率Table 2 Mixture air void in different modifier dosage

表2的試驗(yàn)結(jié)果顯示，硫酸鈣晶須的加入會(huì)增大混合料的空隙率，摻量0.05%和摻量0.1%的試件，空隙率都符合規(guī)范要求，但摻量0.2%和0.3%的試件空隙率過(guò)大，不符合規(guī)范要求。原因可能是因?yàn)榱蛩徕}晶須的強(qiáng)度過(guò)大，導(dǎo)致混合料較難壓實(shí)。因此，選用0.05%和0.1%兩個(gè)摻量來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 路用性能試驗(yàn)

選取硫酸鈣晶須摻量為0.05%(A)和0.1%(B)的兩種高模量瀝青混合料和埃索90#普通瀝青混合料(C)3種混合料。分別對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)車轍，低溫彎曲，浸水馬歇爾，凍融劈裂和抗疲勞試驗(yàn)。

2.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)馬歇爾擊實(shí)實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)3種瀝青混合料進(jìn)行車轍對(duì)比試驗(yàn)，高溫性能通常以車轍試驗(yàn)(60℃)動(dòng)穩(wěn)定度DS(次/mm)值表征，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Asphalt mixture rutting test results

由表3可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性較基質(zhì)瀝青有明顯提高。其中硫酸鈣晶須摻量為0.05%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度較普通瀝青混合料略有增加;當(dāng)摻量增加到0.1%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青混合料提高了約140%，說(shuō)明硫酸鈣晶須在集料之間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了瀝青混合料體系的相互作用力和整體性，對(duì)混合料溫度敏感性降低，高溫抗剪切能力的改善效果非常明顯。所以單從高溫穩(wěn)定性來(lái)看，0.1%是較為理想的改性劑參量值。

2.2 低溫彎曲性

在-10℃、加載速率50 mm/min的條件下，將經(jīng)過(guò)輪碾機(jī)成型后的3種瀝青混合料切制成的棱柱體小梁進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，低溫性能以低溫(-10℃)下的彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變值表征，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Asphalt mixtures at low temperature bend test results

由表4可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的低溫抗裂性與基質(zhì)瀝青混合料呈現(xiàn)出不同的水平:基質(zhì)瀝青與0.05%摻量比例的混合料的破壞應(yīng)變大致為2 450 με左右;0.1%摻量則略有降低。在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，兩種摻量都滿足90#瀝青的規(guī)范要求值(2 300 με)，由此可見(jiàn)，在試驗(yàn)選取的兩種摻量下硫酸鈣晶須對(duì)瀝青混合料的低溫性能未見(jiàn)顯著影響。

2.3 水穩(wěn)性

瀝青混合料的水穩(wěn)性是指瀝青與礦料形成黏附層后，抵抗水引起瀝青膜剝落的能力。瀝青混合料的水穩(wěn)定性主要取決于集料的性質(zhì)、瀝青與集料之間相互作用的性質(zhì)、瀝青混合料類型以及施工碾壓等因素。本試驗(yàn)中以凍融劈裂試驗(yàn)試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)3種混合料的水穩(wěn)性。試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Asphalt mixtures freeze-thaw splitting test results

由表5可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比較基質(zhì)瀝青均有明顯提高，且0.1%摻量的好于0.05%摻量的，0.1%摻量的較普通混合料的殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高了7.8%和7.1%?？梢?jiàn)，硫酸鈣晶須改善了瀝青與集料間的界面性能，增加了瀝青膠漿的黏度，更有利于提高混合料的水穩(wěn)定性。

2.4 抗疲勞性能

試驗(yàn)以應(yīng)變控制，采用應(yīng)變分別為300，400，500 με的控制水平。以材料勁度模量達(dá)到初始勁度模量的50%時(shí)所經(jīng)歷的加載次數(shù)為疲勞次數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到疲勞次數(shù)見(jiàn)表6。

表6 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Asphalt mixtures fatigue test results

從表6中數(shù)據(jù)可以看出，摻加硫酸鈣晶須的高模量瀝青混合料的抗疲勞性能明顯強(qiáng)于埃索90#瀝青混合料，硫酸鈣晶須很好的提高了瀝青混合料的勁度模量，尤其是在低應(yīng)力狀態(tài)下，高模量瀝青混合料表現(xiàn)出了較大的抗破壞荷載作用和彎曲破壞強(qiáng)度，充分體現(xiàn)了摻加硫酸鈣晶須高模量瀝青混合料優(yōu)越的抗疲勞性能。

2.5 動(dòng)態(tài)模量

在不同溫度、不同加載頻率試驗(yàn)條件下，對(duì)基質(zhì)90#瀝青、摻加硫酸鈣晶須瀝青混凝土進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)［7-8］。通過(guò)數(shù)值優(yōu)化的方法，建立了45℃時(shí)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量的主曲線，見(jiàn)圖1(①線為摻加硫酸鈣晶須瀝青混凝土曲線)。

圖1 動(dòng)態(tài)模量主曲線(參考溫度45℃)Fig.1 Dynamic modulus Lord Curve(referential temperature at 45 ℃)

從圖1動(dòng)態(tài)模量主曲線圖可以明顯看到，在高頻區(qū)域，兩種材料的動(dòng)態(tài)模量趨于一致，而在低頻區(qū)域使用硫酸鈣晶須的瀝青混合料表現(xiàn)出較高的動(dòng)態(tài)模量值，表明其抗高溫或低頻加載能力強(qiáng)。

3 效益分析

硫酸鈣晶須的合成原料是我國(guó)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源生石膏，價(jià)格低廉為3 000元/t，而法國(guó)PRS單價(jià)約為12 000元/t，德國(guó)Duroflex單價(jià)約為24 600元/t，而且經(jīng)試驗(yàn)分析:其在瀝青混合料中的摻量是一般高模量改性劑用量的1/2～1/5，所以使用硫酸鈣晶須作為改性劑，可以降低工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。其次，硫酸鈣晶須無(wú)毒無(wú)害、性能穩(wěn)定，特別是其優(yōu)良的耐高溫性，使其具有不會(huì)引起高溫滑移的完整性，溫度升高時(shí)，晶須不分解、不軟化，其強(qiáng)度幾乎沒(méi)有損失，減緩路面早期破壞，延長(zhǎng)路面使用壽命。作為新型改性劑，具有綠色環(huán)保、廣闊的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

1)硫酸鈣晶須作為一種晶體纖維，其改性瀝青混合料的機(jī)理符合纖維增強(qiáng)改性瀝青混合料的機(jī)理。

2)加入硫酸鈣晶須改性的高模量瀝青混合料，可以在保證混合料低溫性能不受影響的情況下顯著提高其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性和抗疲勞性等，從而可以解決道路上常見(jiàn)的的車轍，水損等病害，保證道路具有良好的路用性能。

3)硫酸鈣晶須改性高模量瀝青混合料在保證道路良好路用性能的同時(shí)，兼具顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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