Hon7686改性瀝青混合料抗水損害性能研究

魏騰飛，王大明，朱宇杰

(1.昆山城市建設(shè)投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，江蘇 昆山 215300；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院；3.南京潤程工程咨詢有限公司)

瀝青路面因具有平整度好、噪音低、便于養(yǎng)護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中國城市道路。近年來，由于道路交通量大幅增長及軸載量的不斷增加，道路瀝青路面出現(xiàn)了各種病害，且主要以早期水損害為主。瀝青路面水損害，是指在因行車荷載產(chǎn)生的動水壓力或真空負(fù)壓抽吸循環(huán)作用下，存在于路面結(jié)構(gòu)空隙中的水慢慢滲入瀝青與集料的黏結(jié)界面或?yàn)r青內(nèi)部，導(dǎo)致瀝青與集料之間的黏附性降低直至最終喪失，瀝青膜從礦料表面脫落，從而使瀝青路面出現(xiàn)麻面、松散、掉粒、唧漿、坑槽、網(wǎng)裂等病害。水穩(wěn)定性是評價(jià)瀝青混合料抗水損害性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其方法是通過測定瀝青混合料浸水前后力學(xué)性能的變化量，間接度量抗剝落能力，瀝青混合料飽水后的強(qiáng)度降低越少，表明其水穩(wěn)定性越好。為驗(yàn)證Hon7686改性瀝青混合料的抗水損害性能，該文試驗(yàn)除采用常規(guī)的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比等指標(biāo)外，還增加浸水飛散損失率、浸水車轍、滲透系數(shù)等指標(biāo)來研究Hon7686改性瀝青混合料的各項(xiàng)抗水損害性能。

1 原材料

1.1 瀝青

采用70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1.2 集料

研究所用粗、細(xì)集料均采用石灰?guī)r集料，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 集料試驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求

1.3 填料

填料選用經(jīng)石灰?guī)r磨細(xì)后制成的礦粉，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.4 改性劑

Honeywell TitanTM聚合物改性劑(簡稱Hon)是美國霍尼韋爾公司專門用于對瀝青進(jìn)行改性的一種新材料，Hon改性劑不僅性能優(yōu)越，且添加工藝簡單，施工中無需其他任何特殊工藝和設(shè)備，且每噸價(jià)格與SBS改性劑相差無幾。目前在中國上海、山東、江蘇、內(nèi)蒙一些地區(qū)均有應(yīng)用。Hon改性劑的物理指標(biāo)見表3，化學(xué)成分見表4。

表2 礦粉的試驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求

表3 Hon改性劑物理特性

1.5 配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料的目標(biāo)級配為AC-13，混合料的級配曲線如圖1所示。

瀝青混合料以5.0%的瀝青用量為中值，以0.5%為間隔成型5組馬歇爾試件，用體積法進(jìn)行指標(biāo)控制。通過馬歇爾瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，確定AC-13瀝青混合料的最佳瀝青用量為5.0%。

表4 Hon7686化學(xué)組成

圖1 AC-13合成級配曲線

1.6 Hon7686改性劑最佳摻量

Hon7686改性劑的室內(nèi)拌和工藝流程為：集料中加入Hon干拌90 s；加入瀝青拌和90 s；加入礦粉拌和90 s；制成瀝青混合料。

采用以上方式添加Hon7686改性劑，分別摻入礦料總質(zhì)量0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Hon7686改性劑拌制瀝青混合料，并成型瀝青混合料試件，測定其路用性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合分析得到：Hon改性劑摻量為0.3%時(shí)瀝青混合料性能較好，因此，確定Hon7686改性劑的最佳添加量為0.3%。

室內(nèi)拌制Hon7686AC-13瀝青混合料時(shí)，拌和溫度和時(shí)間等條件的控制如下：

(1) 集料加熱溫度：170～175 ℃。

(2) 瀝青加熱溫度：155～165 ℃。

(3) 將拌和好的瀝青混合料在壓實(shí)溫度下置于145 ℃恒溫烘箱中保溫1 h后翻轉(zhuǎn)，恒溫烘箱中繼續(xù)保溫1 h后，進(jìn)行擊實(shí)。

(4) 瀝青混合料拌和溫度應(yīng)控制為150～155℃，擊實(shí)和車轍成型試件的溫度控制為140～145℃。

2 水穩(wěn)定性對比研究

為驗(yàn)證Hon7686改性瀝青混合料的抗水損害性能，以基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料作為對比項(xiàng)進(jìn)行分析。

2.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

分別對3種混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表5可看出：3種瀝青混合料均滿足技術(shù)要求。其中，Hon7686改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度最大，SBS改性瀝青混合料略低，但Hon7686和SBS兩種改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均高于基質(zhì)瀝青混合料。因此，單從殘留穩(wěn)定度這一指標(biāo)看，在惡劣環(huán)境下(水浸泡)基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性最差，其次是SBS改性瀝青混合料，Hon7686改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好，說明Hon7686有利于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證Hon7686改性瀝青混合料的抗水損害性能，對3種瀝青混合料分別進(jìn)行1、2、3次凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)。

首先，按照每組4個(gè)試件的標(biāo)準(zhǔn)將每種混合料分別成型4組試件；把第2、3、4組試件進(jìn)行真空飽水，再放入保鮮袋中加入約10 mL水，擰緊袋口，置于-18 ℃的高低溫循環(huán)箱16 h，取出試件，拆掉塑料袋，立即置于60 ℃的恒溫水浴中浸泡24 h；然后，將4組試件全部放入25 ℃恒溫水浴中浸泡2 h；取出第1、2組試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，第3、4組試件各重復(fù)上述操作1次和2次后再進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 混合料在不同凍融次數(shù)下的劈裂強(qiáng)度對比圖

圖3 混合料在不同凍融次數(shù)下的劈裂強(qiáng)度比趨勢圖

由圖2、3可以看出：

(1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度越來越小，這是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過程中，水進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部，當(dāng)水凝結(jié)成冰體積增大，在混合料內(nèi)部產(chǎn)生了加大的膨脹力，使瀝青與集料之間的黏結(jié)作用不斷下降，所以在凍融循環(huán)后混合料的劈裂強(qiáng)度逐漸減少。

(2) 3種瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均隨凍融次數(shù)的增加而呈遞減趨勢，且基質(zhì)瀝青混合料的遞減速度要比Hon7686和SBS兩種改性瀝青混合料更快；Hon7686改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比下降速度較SBS改性瀝青混合料慢，因此可認(rèn)為Hon7686改性瀝青混合料較基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性。

2.3 浸水飛散試驗(yàn)

浸水飛散試驗(yàn)是以飛散損失率作為評價(jià)混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)，其實(shí)質(zhì)是在標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提高浸水溫度，增加浸水時(shí)間。對于浸水飛散試驗(yàn)，首先將成型好的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件置于60 ℃恒溫水箱中浸泡48 h，取出，在室溫下放置24 h，放入洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)。

采用上述方法分別對Hon7686AC-13改性瀝青混合料、基質(zhì)瀝青AC-13瀝青混合料以及SBS AC-13改性瀝青混合料進(jìn)行浸水飛散試驗(yàn)，飛散次數(shù)分別選取100、200、300、400、500次。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同浸水飛散次數(shù)下?lián)p失率變化趨勢圖

由圖4可知：試驗(yàn)條件相同時(shí)，3種瀝青混合料的浸水飛散損失均隨飛散次數(shù)的增加而增加，說明隨著飛散次數(shù)的增加，集料所包裹的瀝青與其黏結(jié)力越來越小，抗剝落性能越來越差。但是，改性瀝青混合料的損失率始終比普通瀝青混合料小，這表明Hon7686改性劑對提高瀝青混合料的黏附性是有幫助的，但同時(shí)也應(yīng)注意，Hon7686的飛散損失率始終高于SBS改性瀝青混合料，說明SBS改性劑在提高瀝青與集料的黏附性方面作用更顯著。

2.4 浸水車轍試驗(yàn)

進(jìn)行浸水車轍試驗(yàn)，首先將成型好的車轍板置于60 ℃恒溫箱中6～12 h，然后將試件置于60 ℃恒溫水槽中進(jìn)行車轍試驗(yàn)，測定動穩(wěn)定度。試驗(yàn)中，每種混合料分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，比較3種瀝青混合料浸水條件下動穩(wěn)定度的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：

(1) 3種混合料在動水沖擊作用下，Hon7686、SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯高于基質(zhì)瀝青混合料，動穩(wěn)定度分別相對增加了1.93和1.87倍。

(2) Hon7686、SBS改性瀝青混合料的60 min車轍深度較基質(zhì)瀝青混合料分別減少了69.4%和17.7%。表明在級配和試驗(yàn)條件相同時(shí)，Hon7686改性瀝青混合料較基質(zhì)瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)定性能，且優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

(3) 由于試驗(yàn)條件不同，3種混合料在浸水后動穩(wěn)定度均呈下降趨勢，基質(zhì)瀝青混合料動穩(wěn)定度降低28.3%，Hon7686改性瀝青混合料動穩(wěn)定度降低23.2%，SBS改性瀝青混合料動穩(wěn)定度降低26.7%，此結(jié)果同樣驗(yàn)證了Hon7686改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性較其余兩種瀝青混合料好。

(4) Hon7686改性瀝青混合料的常規(guī)車轍、浸水車轍60 min變形量均小于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料，且浸水車轍總變形量小于標(biāo)準(zhǔn)車轍的總變形量，說明Hon7686改性瀝青混合料具有很好的抗變形強(qiáng)度，浸水后抗變形能力增強(qiáng)，水穩(wěn)定性能更好。

2.5 滲水試驗(yàn)

滲水試驗(yàn)是測定碾壓成型車轍板的滲水系數(shù)，是反映瀝青混合料水穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，檢驗(yàn)瀝青混合料的水穩(wěn)定性有必要進(jìn)行滲水試驗(yàn)。同樣地，分別對基質(zhì)瀝青、Hon7686、SBS改性瀝青混合料進(jìn)行滲水試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 滲透試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：基質(zhì)瀝青混合料的滲水系數(shù)最大，為11.6 mL/min，其次是SBS改性瀝青混合料，滲水系數(shù)為6.3 mL/min。而Hon7686改性瀝青混合料在進(jìn)行滲水試驗(yàn)時(shí)，水面下降至一定程度后基本保持不動(也就是只填充了儀器與試件之間的空隙)，這說明Hon7686改性瀝青混合料基本不透水，從而表明Hon7686改性劑可以有效提高瀝青混合料的壓實(shí)度，減少混合料的空隙率，因此其水穩(wěn)定性最好。

3 微觀形貌特征

試驗(yàn)選取拌和好的基質(zhì)瀝青混合料和Hon7686改性瀝青混合料，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對混合料中的瀝青微觀形貌進(jìn)行觀察分析，進(jìn)而深入分析Hon7686改性劑對混合料的水穩(wěn)定性能的改善機(jī)理。試驗(yàn)對基質(zhì)瀝青混合料和Hon7686改性瀝青混合料表面分別進(jìn)行了2 000、4 000倍的微觀形貌觀察。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出：Hon7686改性瀝青混合料中集料表面比基質(zhì)瀝青混合料中集料表面裹覆的瀝青均勻，綜合分析Hon7686對混合料的改性機(jī)理如下：Hon7686改性劑熔化后不僅使瀝青更容易往集料內(nèi)部滲透，還可以使集料表面得到較好的濕潤，所以無論是瀝青和集料之間的黏附性還是集料與集料之間的黏附性都得到了較大改善，在一定程度上緩解了水對混合料的破壞作用，使混合料的抗水損害能力有了很大程度的提高。

4 結(jié)論

根據(jù)Hon7686改性瀝青混合料、基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料室內(nèi)浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、浸水飛散損失率、浸水車轍、滲透系數(shù)試驗(yàn)對比研究，可以得出如下結(jié)論：

(1) 通過浸水馬歇爾、凍融劈裂、浸水飛散、浸水車轍和滲透試驗(yàn)對比研究，結(jié)果均表明Hon7686改性劑的摻入可以有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，且其抗水損害性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

(2) 肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)表明，Hon7686改性劑可以提高瀝青混合料中瀝青與集料的黏附性，但黏附性提高程度與SBS改性劑相比稍顯遜色。

(3) 浸水車轍試驗(yàn)表明，Hon7686改性瀝青混合料具有較好的抗變形強(qiáng)度，且抗變形能力比基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料強(qiáng)。浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果可以有效評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

圖5 基質(zhì)瀝青、Hon7686改性瀝青微觀圖像

(4) 滲透試驗(yàn)表明，Hon7686改性劑可以有效提高瀝青混合料的壓實(shí)度，減少混合料的空隙率。

(5) 微觀形貌特征反映出Hon7686改性劑熔化后不僅使瀝青更容易往集料內(nèi)部滲透，還可以使集料的表面得到較好的濕潤，所以無論是瀝青和集料之間的黏附性還是集料與集料之間的黏附性都得到了較大的改善，在一定程度上緩解了水對混合料的破壞作用，使混合料的抗水損害能力有了很大程度的提高。

由此可以得出，Hon7686 改性劑通過降低混合料的空隙率，增加瀝青與集料間的黏附力，可以改善瀝青混合料的抗水損害性能。