高模量添加劑在瀝青混合料的作用機理及影響研究

齊 兵，曹振生，吳銀芳，趙源元

（1.中電建路橋集團有限公司,北京100084;2.中國水利水電第十六工程局有限公司,福建 福州350000）

引 言

近年來隨著國內(nèi)公路網(wǎng)絡日益完善，公路客貨運量增長明顯，尤其是重載超載現(xiàn)象十分普遍，在重載與不利環(huán)境因素的綜合作用下，公路極易出現(xiàn)各類病害、強度不足、耐久性差等問題，降低了公路的使用性與安全性。我國幅員遼闊，各地域的氣候、溫度、濕度等差異巨大，需求的混合料性能有所差異，而添加劑則成為各地區(qū)改善瀝青混合料性能的重要工具[1,2]。采用高模量添加劑后，能夠顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗變形能力，有效提升瀝青混凝土的各項性能，降低車轍發(fā)生的概率，因此在國內(nèi)工程實踐中受到廣泛應用[3,4]。

論文以某高速公路項目中采用的高模量添加劑技術(shù)為依托，研究高模量添加劑對瀝青混凝土性能的影響。項目以AC-13為基礎(chǔ)瀝青，制備了一種“橡膠+硫酸鈣晶須”的復合高模量添加劑，其中橡膠為廢舊輪胎橡膠粉，硫酸鈣晶須由脫硫石膏制成，基材常見，且能夠提高廢舊材料利用率，具備一定的經(jīng)濟性與環(huán)保性，希望相關(guān)研究能夠為同類項目提供借鑒。

1 高模量添加劑瀝青混合料的制作

1.1 工程背景

項目以某國道的病害處置項目為依托，項目路段是重要貨運通道，交通量巨大，車轍病害較為明顯。本次采用復合高模量添加劑改性瀝青，處置現(xiàn)狀病害，延長了道路使用年限。

1.2 原材料

（1）瀝青

項目以70#瀝青作為基體，設(shè)置對照試驗，其中一組為常見的以膠粉作添加劑的瀝青，另一組為項目研發(fā)的“橡膠+硫酸鈣晶須”復合高模量添加劑改性瀝青。表1為各組瀝青的性能參數(shù)。

表1 瀝青技術(shù)指標Table 1 The technical specifications of asphalt

（2）集料

試驗采用石灰?guī)r作為集料，主要分為三種規(guī)格：0～3mm、3～5mm、5～15mm三檔集料。表2所示為各檔集料的密度指標。

表2 集料密度試驗結(jié)果Table 2 The test results of aggregate density

（3）礦粉

表3所示為本次試驗采用的礦粉指標，各參數(shù)均滿足要求。

表3 礦粉試驗結(jié)果Table 3 The mineral powder test results

（4）高模量添加劑

項目采用的高模量添加劑原料為橡膠與硫酸鈣晶須，橡膠為普通廢舊輪胎粉，硫酸鈣晶須由脫硫石膏制備而成，晶須純度達到99.9%。

1.3 試驗樣品制備

（1）目標配合比設(shè)計

試驗采用0～3、3～5、3～15mm三種規(guī)格的集料，篩分結(jié)果如表4所示。

目標配合比設(shè)計根據(jù)集料篩分結(jié)果進行，圖1所示為最終的級配曲線，由圖1可見混合料為密實型。

表4 集料篩分結(jié)果Table 4 The aggregate screening results

圖1 目標配合比設(shè)計曲線Fig.1 The target mix design curve

（3）瀝青混合料試驗樣品制備

高模量添加劑瀝青混合料的制備過程與普通添加劑的過程大致相同，本項目中混凝土用量都控制在5.3wt%。二者的不同之處在于，膠粉添加劑瀝青采用濕拌工藝，而高模量添加劑瀝青需在較高溫度下拌和[5]。具體拌制過程如下：①首先在室溫下，將70#基質(zhì)瀝青與硫酸鈣晶須直接混合，快速攪拌1min左右；②加入廢舊輪胎膠粉，控制膠粉與硫酸鈣晶須的總含量為瀝青總量的18wt%；③繼續(xù)加熱混合料到180℃，加入5.3wt%比例的經(jīng)“橡膠粉+硫酸鈣晶須”改性的瀝青，迅速拌和2min；④拌和結(jié)束后按常規(guī)做法制作混凝土樣品。

2 瀝青混合料性能測試與分析

文章對采用膠粉添加劑瀝青混合料與復合高模量添加劑瀝青混合料進行制樣、試驗、對比，分析二者的強度、高溫穩(wěn)定性、抗低溫、耐水性等性能。

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度

通過馬歇爾穩(wěn)定度評價瀝青混合料的強度性能。表5所示為膠粉改性瀝青與復合高模量改性瀝青的強度試驗結(jié)果，通過表5可知，各組樣品的穩(wěn)定度均滿足國標對密級配瀝青混合料的穩(wěn)定度要求。采用高模量添加劑的瀝青混合料穩(wěn)定度普遍大于11kN，超過了普通膠粉改性瀝青的穩(wěn)定度，遠遠超過普通瀝青8kN的動穩(wěn)定度。馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果表明，高模量添加劑能夠明顯改善瀝青混凝土的強度。

表5 采用膠粉及復合高模量添加劑的瀝青混合料穩(wěn)定度試驗結(jié)果（kN）Table 5 The stability test results of the asphalt mixture modified with rubber powder and composite high modulus additives（kN）

2.2 凍融劈裂強度

試驗對膠粉添加劑與“橡膠+硫酸鈣晶須”各制作八個試樣，每四個樣為一組，各設(shè)空白對照組與凍融劈裂試驗組，根據(jù)《公路瀝青試驗規(guī)程》要求開展試驗。膠粉改性瀝青混合料與項目所用復合高模量添加劑瀝青混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果如表6、表7所示。從表中可知，采用膠粉添加劑的混合料殘存強度比達到84%，而采用復合高模量添加劑的瀝青混合料殘留強度比，有顯著的提升，達到92%。

表6 采用膠粉添加劑的混合料凍融劈裂強度（kN）Table 6 The freeze-thaw splitting strength of mixture modified with the rubber powder additive（kN）

表7 采用復合高模量添加劑的混合料凍融劈裂強度（kN）Table 7 The freeze-thaw splitting strength of the mixture modified with the composite high modulus additive（kN）

2.3 動穩(wěn)定度

表8所示為采用膠粉添加劑混合料與采用復合高模量添加劑混合料的動穩(wěn)定度試驗數(shù)據(jù)。由表8與圖2可知，二者的動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范中對改性瀝青2800次/mm的要求。采用復合高模量添加劑的瀝青混合料動穩(wěn)定度高達4268次/mm，明顯高于膠粉改性，相比規(guī)范中對普通瀝青混凝土800次/mm的要求，更是有巨大幅度的提升。

表8 膠粉及高模量改性基質(zhì)瀝青混合料動穩(wěn)定度（次/mm）Table 8 Thedynamicstabilityofrubberpowdermodified and highmodulusadditivemodified matrixasphaltmixture（times/mm）

圖2 膠粉及高模量改性基質(zhì)瀝青混合料動穩(wěn)定度Fig.2 The dynamic stability of rubber powder modified and high modulus additive modified matrix asphalt mixture

3 高模量添加劑的作用機理分析

高模量添加劑通常由高分子物質(zhì)組成，為了保證與瀝青混合料的充分拌和，一般要求其熔點與瀝青拌和溫度相當[6,7]。在拌和瀝青混合料時，應先將集料充分預熱后，再倒入拌和設(shè)備，在溫度滿足高模量添加劑熔點時，迅速倒入添加劑，使二者在適宜溫度下剪切、碰撞、膠結(jié)，最后加入礦粉[8]。在整個過程中，高模量添加劑對瀝青的作用過程可以分為三個方面：膠結(jié)作用、加筋作用、嵌擠作用。

（1）膠結(jié)作用。在瀝青混合料與添加劑的熱拌和過程中，當溫度達到160℃左右時，添加劑達到熔點釋放微粒，微粒與瀝青成分發(fā)生膠溶，使結(jié)合料的儲存模量進一步提高，溫度敏感性降低，溫度抗性與抗變形能力得以提升。

（2）加筋作用。通常而言，高模量添加劑中會含有一定含量的塑料纖維，分散在瀝青混合料中的纖維會交織成網(wǎng)狀，發(fā)揮加筋效應，增強瀝青混合料的整體性，也使得礦粉、集料與瀝青間的膠結(jié)更緊密[9]。

（3）嵌擠作用。部分高模量添加劑的微粒受到高溫及機械碾壓作用，會對瀝青混合料的空隙進一步填充，形成密實嵌擠型結(jié)構(gòu)，增強瀝青混凝土的承載能力[10]。

4結(jié)論

文章分析了高模量添加劑在瀝青混合料中的作用機理，基于工程實踐，試驗以70#瀝青作為基體,采用0～3mm、3～5mm、5～15mm三檔集料，研究了項目制備的“橡膠粉+硫酸鈣晶須”復合高模量添加劑對混合料性能的影響。得出如下試驗結(jié)果：

（1）采用高模量添加劑的瀝青混合料穩(wěn)定度普遍大于11kN，超過了普通膠粉改性瀝青的穩(wěn)定度，遠遠超過普通瀝青8kN的動穩(wěn)定度；

（2）采用膠粉添加劑的混合料殘存強度比達到84%，而采用復合高模量添加劑的瀝青混合料殘留強度比，有更為顯著的提升，達到92%；

（3）采用復合高模量添加劑的瀝青混合料動穩(wěn)定度高達4268次/mm，明顯高于膠粉改性。

試驗結(jié)果表明，采用該復合高模量添加劑的瀝青混合料的性能相比普通瀝青、普通膠粉改性瀝青，在高溫抗車轍、低溫抗裂性等方面均有較大程度的提升。