新型生物基改性瀝青混合料高溫性能試驗研究

韋明　余芳

摘要：為了貫徹綠色交通發(fā)展理念，解決廣西瀝青路面高溫性能問題，文章擬將一種環(huán)保的新型生物基改性劑（BFL-RS01）加入到瀝青混合料中，并通過車轍試驗、單軸貫入試驗等研究BFL-RS01對混合料高溫性能的影響。結(jié)果表明：加入BFL-RS01后，動穩(wěn)定度及無側(cè)限單軸貫入強度明顯上升，說明其對瀝青混合料高溫性能的改善作用效果顯著，同時降低了瀝青混合料動穩(wěn)定度的荷載敏感性;摻加BFL-RS01的瀝青混合料，在各種高溫條件下的穩(wěn)定性明顯高于普通瀝青混合料，說明該改性劑能較好抵抗高溫天氣的影響。

關(guān)鍵詞：新型改性劑;瀝青混合料;高溫性能

中國分類號：U416.03文章標(biāo)識碼：A

0 引言

瀝青路面以行車舒適、修建速度快等優(yōu)點在高速公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。隨著公路交通量及超載車輛的日漸增多，且部分汽車的單軸重達到20 t及以上，從而導(dǎo)致輪胎接地壓強達到1.0 MPa以上，遠遠超出瀝青路面0.7 MPa的設(shè)計荷載。由于廣西地區(qū)夏季炎熱，瀝青路面地表溫度最高超過60 ℃[2]，又由于超載車輛行駛速度較慢，荷載作用時間長等因素的作用，瀝青路面容易出現(xiàn)車轍等病害，因此對于瀝青路面高溫性能的研究就顯得尤為重要。

譚繼宗等[3]基于貝雷法、CAVF法、經(jīng)驗法所設(shè)計的瀝青混合料進行車轍試驗和單軸貫入試驗，通過貝雷法和級配分形法進行級配評價，結(jié)合級配評價指標(biāo)分析級配對混合料高溫性能的影響。張飛等[4]通過溫拌前后不同目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料在40 ℃、50 ℃、60 ℃下的三軸重復(fù)加載蠕變試驗研究溫拌瀝青混合料中橡膠粉的目數(shù)及溫拌劑對膠粉改性瀝青混合料高溫性能的影響。王楓成[5]通過摻加紅油增塑劑、C9石油樹脂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）改性劑制備不同類型改性瀝青，采用瀝青針入度、旋轉(zhuǎn)黏度、動態(tài)剪切流變、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)、彎曲梁流變等試驗對其高低溫及感溫性能進行研究，并與基質(zhì)瀝青進行對比分析。陳淵召等[6]通過DSR試驗、BBR試驗和布洛克菲爾德黏度計法試驗分析納米氧化鋅改性瀝青路用性能，發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的最佳濃度為4%。王嵐等[7]基于流變學(xué)與粘彈性理論研究溫拌改性瀝青的高溫、水穩(wěn)等性能，并通過層次分析法（AHP）對評價瀝青高溫性能指標(biāo)的[WTBX]ε1/[WTBX]ε2、[WTB1X]Gv、Z（粘彈指標(biāo)）進行對比分析發(fā)現(xiàn)，粘彈指標(biāo)具有[JP+1]最大的權(quán)重，推薦使用[WTB1X]Z來評價溫拌膠粉改性瀝青高溫性能。郭詠梅等[8]采用多應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗，發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青、高強瀝青等的高溫性能受到溫度和應(yīng)力的雙重作用。

因此，為解決廣西瀝青路面高溫穩(wěn)定性問題，本文擬在AC-13瀝青混合料中摻入一種環(huán)保的新型生物基改性劑BFL-RS01，通過瀝青混合料的車轍試驗及單軸貫入試驗研究此種環(huán)保材料對改性瀝青的高溫穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

采用70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青進行對比研究，按試驗規(guī)程[9]檢測各項技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如表1所示，其性能試驗結(jié)果均符合廣西地域潮濕高溫的氣候條件。

1.2 集料

由于廣西屬于亞熱帶高溫潮濕地區(qū)，夏季炎熱時間長，年降雨量>1 000 mm，而選擇適合的粗集料可使瀝青混合料獲得更好的路用性能[10]。因此，采用強度高、多棱角、耐磨、水穩(wěn)定性好的輝綠巖作為瀝青混合料中的粗集料。粗集料產(chǎn)自廣西百色某采石場，表面無裂紋、質(zhì)地均勻、深灰黑色，粒徑為5～10 mm及10～15 mm兩檔。細集料采用廣西南寧某采石場的粒徑為0～5 mm石灰?guī)r石屑，無風(fēng)化、粉塵含量低。按《公路工程集料試驗規(guī)程》[11]對集料進行技術(shù)性能試驗，結(jié)果如表2、表3所示。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[12]中用于潮濕地區(qū)高等級道路瀝青路面表面層的集料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知，所用粗、細集料均符合要求。

1.3 礦粉

本次研究采用石灰?guī)r礦粉，其性能測試結(jié)果見表4，各項指標(biāo)符合要求。

1.4 改性劑BFL-RS01

為了改善普通瀝青混合料的高溫性能，本文采用一種新型生物基改性劑BFL-RS01。這是一種環(huán)保材料，其有效成分主要來源于造紙廢液中的纖維素，并加入少量高分子聚合物混合制備而成[13]，其與瀝青相容性好，性能穩(wěn)定，且在混合料中具有較好的分散性，其技術(shù)性能指標(biāo)如表5所示。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1 集料合成級配

按照AC-13要求進行，實測集料合成級配如表6所示。

2.2 改性劑BFL-RS01最佳用量的確定

按照馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試驗法確定AC-13的最佳油石比。根據(jù)規(guī)范推薦及經(jīng)驗，從3.5%的油石比開始，以0.5%為增長幅度制作5組試件，通過測試瀝青混合料的[WTBX]ρ[WTB1X]f、VMA、VFA、VV、MS、FL六大指標(biāo)后，確定采用70#基質(zhì)瀝青的AC-13最佳油石比為4.7%。

確定最佳油石比后，在70#基質(zhì)瀝青拌和的AC-13混合料中分別加入濃度為0、0.2%、0.4%、0.6% 的改性劑BFL-RS01進行馬歇爾試驗。新型生物基BFL-RS01改性瀝青混合料用“直接投放法”拌和，即先將集料加熱至170 ℃并拌和30 s，后投入改性劑與集料繼續(xù)拌和15 s，再加入160 ℃的瀝青及礦粉拌和90 s即可。拌和好的瀝青混合料未見改性劑顆粒，說明該改性劑有較好的分散性和相容性。采用SBS改性瀝青混合料為對比試驗，試驗結(jié)果如表7所示。

由表7可得，BFL-RS01摻量由0增至0.6%時瀝青混合料空隙率由4.8%降至4.2%，混合料的穩(wěn)定度也隨著改性劑的加入而得到提高，但摻量的增加并不能使穩(wěn)定度持續(xù)提高。綜合考慮各方面因素，后續(xù)瀝青混合料的高溫性能試驗（車轍試驗、單軸貫入試驗）將使用無改性劑、0.4%摻量的BFL-RS01、SBS改性瀝青三種情況進行對比試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 抗重載性能

車轍試驗是研究瀝青混合料高溫性能的常規(guī)方法。為了模擬日益嚴(yán)重的超載情況，分別采用碾輪與試件的接觸壓強0.7 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa進行車轍試驗，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可得三種瀝青混合料動穩(wěn)定度與荷載回歸曲線見表8。

結(jié)合圖1、表8可知：

（1）接觸壓強的增加使得混合料的動穩(wěn)定度值出現(xiàn)較大幅度下降，三種混合料在接觸壓強增加了0.3 MPa的情況下，動穩(wěn)定度分別下降了61.0%、41.3%和43.7%。

（2）在加入改性劑BFL-RS01后混合料的動穩(wěn)定度顯著提高，說明該改性劑改善瀝青混合料的高溫性能非常明顯，且BFL-RS01改性瀝青混合料在重載下的動穩(wěn)定度與SBS改性瀝青混合料相當(dāng)。

（3）盡管隨著荷載的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈線性趨勢下降，但相對于SBS改性瀝青混合料，BFL-RS01改性劑的加入，不僅提高瀝青混合料動穩(wěn)定度的絕對值，同時也降低瀝青混合料動穩(wěn)定度的荷載敏感性，改善其高溫性能。

3.2 不同溫度作用下的車轍試驗

據(jù)調(diào)查，夏季廣西南寧的瀝青路面極端地面溫度超過70 ℃[14]，因此試驗方案設(shè)計采用60 ℃、65 ℃、70 ℃三種溫度進行車轍試驗進行對比分析，試驗結(jié)果如下頁圖2所示。

由圖2得三種瀝青混合料動穩(wěn)定度與溫度回歸曲線見下頁表9。

結(jié)合圖2、表9可知：

（1）溫度的增加使瀝青混合料的高溫性能有所下降，當(dāng)溫度增加10 ℃，混合料動穩(wěn)定度分別下降了54.9%、32.4%和35.2%，說明隨著溫度提升，其對瀝青路面性能的損害越大。

（2）雖然溫度升高時動穩(wěn)定度下降，但是在溫度達到70 ℃時，加入改性劑BFL-RS01的比未加該改性劑的混合料動穩(wěn)定度值仍然高出很多，說明該種改性劑能較好抵抗高溫天氣的影響。

（3）相對于SBS改性瀝青混合料，改性劑BFL-RS01的加入，不僅提高瀝青混合料動穩(wěn)定度的絕對值，同時也減小瀝青混合料動穩(wěn)定度的溫度敏感性，改善其高溫性能。

3.3 高溫、重載耦合作用下的高溫穩(wěn)定性

為了研究在高溫重載情況下的瀝青路面的性能，又制作了三組試件進行極端情況下（70 ℃，1.0 MPa，1 h）的混合料車轍試驗，試驗結(jié)束后可觀察到試件在碾輪處出現(xiàn)較深的車轍輪跡，碾輪兩側(cè)混合料明顯隆起變形，動穩(wěn)定度結(jié)果如圖3所示。

由圖3、表10可知：

（1）高溫重載耦合作用下混合料的動穩(wěn)定度急劇下降。

（2）BFL-RS01改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度仍能維持在2 000次/mm以上，比SBS改性瀝青混合料性能略優(yōu)。

3.4 瀝青混合料單軸貫入試驗

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2017）[15]突出了材料設(shè)計參數(shù)需根據(jù)試驗實測選取這一理念，其中用瀝青混合料貫入強度表示瀝青混合料抗剪切變形的能力，即反映了混合料的高溫穩(wěn)定性。該試驗首先進行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件成型，室溫冷卻12 h后測定試件空隙率，再放入60 ℃的烘箱中保溫6 h后，采用直徑為28.5 mm貫入壓頭利用萬能材料試驗機進行無側(cè)限單軸貫入試驗，試驗結(jié)果如表11所示。

由表11可知，加入了改性劑BFL-RS01后，瀝青混合料的無側(cè)限單軸貫入強度增加了36.0%，進一步反映了該改性劑對混合料高溫強度有較大改善。這主要是：（1）改性劑的加入使得混合料的空隙進一步減小，試件密實度更大，抗壓能力增強;（2）改性劑中的成分與瀝青發(fā)生反應(yīng)，使得瀝青更粘稠，粘結(jié)集料的性能更優(yōu)，抵抗外荷載的能力得到進一步的發(fā)揮。

4 結(jié)語

本次研究通過車轍試驗及單軸貫入試驗研究新型生物基BFL-RS01改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論：

（1）在瀝青混合料中加入BFL-RS01改性劑后，混合料的動穩(wěn)定度及無側(cè)限單軸貫入強度明顯提升，說明BFL-RS01改加劑能有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

（2）改性劑BFL-RS01與SBS對瀝青路面高溫性能的改善效果基本相當(dāng)。而BFL-RS01改性劑來源為造紙廢液，采用這種新型環(huán)保的改性劑更加經(jīng)濟環(huán)保，符合我國全面推動綠色交通發(fā)展的理念。

（3）通過改變溫度、荷載等試驗條件的車轍試驗中，瀝青混合料動穩(wěn)定度發(fā)生急劇變化，說明瀝青路面在高溫重載耦合作用下抵抗變形能力降低，更容易出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍變形。因此，提高瀝青混合料高溫性能在改善瀝青性能、調(diào)整混合料級配、優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)等方面有進一步的研究空間。

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[15]JTG D50-2017，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].

作者簡介：

韋 明（1976—），碩士，講師，工程師，研究方向：路基路面工程;

余 芳（1979—），碩士，副教授，研究方向：路基路面工程。