油石比對抗車轍劑瀝青混合料性能的影響

樊長昕，王 威，馬德崇

(1.山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030032；2.湖南城市學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院 益陽市 413000)

0 引言

經(jīng)過近十五年的工程推廣應(yīng)用，抗車轍劑已經(jīng)證明是有效的瀝青混合料外摻改性劑[1]。抗車轍劑通常加入到瀝青路面中面層中，不影響基質(zhì)瀝青混合料的級配和油石比，摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%～0.5%即可顯著提升路面的高溫抗車轍性能[2]。由于抗車轍劑是現(xiàn)場直投式添加應(yīng)用，抗車轍劑瀝青混合料的性能受加熱溫度、礦料級配、油石比、添加量、出料溫度等生產(chǎn)工藝參數(shù)的影響嚴(yán)重[3]。

抗車轍劑瀝青混合料在生產(chǎn)過程中有時(shí)受到拌和站計(jì)量系統(tǒng)精度、人員操作不當(dāng)、原料供應(yīng)、設(shè)備管理問題等因素影響，其油石比在抽檢中會有一定范圍內(nèi)的波動。油石比即瀝青用量，是瀝青混合料檢測的關(guān)鍵項(xiàng)目[4]。油石比的變化對抗車轍劑瀝青混合料的性能穩(wěn)定影響嚴(yán)重，容易造成路面過早出現(xiàn)病害，減少路面服役年限[5]。因此為提高抗車轍劑瀝青混合料的性能穩(wěn)定性，研究油石比的變化對其性能影響十分必要。

選用工程應(yīng)用較廣的三種抗車轍劑，以基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比±0.3%范圍內(nèi)的7個(gè)油石比為變量，分別進(jìn)行瀝青混合料的高溫車轍、低溫小梁彎曲、抗水損害試驗(yàn)，全面評價(jià)油石比對抗車轍劑瀝青混合料路用性能的影響程度。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

(1)抗車轍劑

抗車轍劑選用工程應(yīng)用規(guī)模較大的三種品牌的樣品，分別是德國巴塞爾公司的Domix抗車轍劑、法國PR PLAST.S抗車轍劑、深圳路特公司的LT抗車轍劑。其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 抗車轍劑技術(shù)指標(biāo)

(2)瀝青

選用殼牌90號A級基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求。其試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 殼牌90號A級基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果

(3)礦料

粗集料為山西壽陽縣聚興采石場的石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為山西文水縣產(chǎn)機(jī)制砂，填料為廣西興安石灰?guī)r礦粉。各項(xiàng)指標(biāo)滿足路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2004的要求。

1.2 瀝青混合料配合比

(1)級配

根據(jù)抗車轍劑在實(shí)體工程中的應(yīng)用，采用中粒式密級配石灰?guī)rAC-20瀝青混合料，其合成級配通過率見表3。

表3 合成級配通過率

(2)最佳油石比

基質(zhì)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4。通過馬歇爾體積和力學(xué)參數(shù)確定基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比為4.3%。

表4 基質(zhì)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)以AC-20石灰?guī)r基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比4.3%±0.3%范圍內(nèi)的不同油石比，即4.0%～4.6%間隔0.1%的7個(gè)油石比為變量，分別進(jìn)行摻加三種抗車轍劑的瀝青混合料性能測試，摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.4%。通過車轍、小梁彎曲、凍融劈裂試驗(yàn)，全面評價(jià)油石比的變化對其高溫、低溫、抗水損害性能的綜合影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗車轍劑瀝青混合料高溫性能

采用60℃車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度作為瀝青混合料高溫性能的評價(jià)指標(biāo)。不同油石比條件下的抗車轍劑瀝青混合料動穩(wěn)定度結(jié)果見表5，其變化趨勢見圖1。結(jié)果表明：三種品牌抗車轍劑的加入，其瀝青混合料動穩(wěn)定度均達(dá)到2800次/mm的規(guī)范要求。隨著油石比的增加，表現(xiàn)出同樣的趨勢，即先增加后減少，在最佳油石比附近出現(xiàn)峰值。其中Domix在4.1%的油石比下動穩(wěn)定度最高，LT的峰值出現(xiàn)在4.4%，而PR PLAST.S在4.1%～4.5%范圍內(nèi)的動穩(wěn)定度均保持在9200次/mm左右，性能穩(wěn)定。

表5 不同油石比車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度結(jié)果(次/mm)

圖1 動穩(wěn)定度與油石比的變化趨勢圖

過多或過少的油石比均會削弱瀝青混合料的高溫性能。當(dāng)油石比較低時(shí)，集料表面的瀝青膜較薄，混合料內(nèi)部的粘聚力差導(dǎo)致整體強(qiáng)度較低，抗車轍性能弱。隨著瀝青的進(jìn)一步增多，混合料內(nèi)部出現(xiàn)多余的自由瀝青，降低混合料的粘結(jié)力和內(nèi)摩阻角，導(dǎo)致高溫性能的減弱[6]。因此，抗車轍劑瀝青混合料在最佳油石比±0.2%范圍內(nèi)其高溫性能最佳，油石比變化過大時(shí)，會造成動穩(wěn)定度變異系數(shù)過大，抗車轍性能衰減，影響路用性能。

2.2 抗車轍劑瀝青混合料低溫性能

采用-10℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變作為瀝青混合料低溫性能的評價(jià)指標(biāo)。不同油石比條件下的抗車轍劑瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變結(jié)果見表6，其變化趨勢見圖2。結(jié)果表明：同等條件下，低溫性能PR PLAST.S>Domix>LT抗車轍劑。三種抗車轍劑瀝青混合料彎曲破壞應(yīng)變整體上隨油石比的增加而增大，隨后出現(xiàn)小幅的下降，峰值均在4.4%～4.5%之間。當(dāng)油石比低于最佳油石比4.3%時(shí)，低溫性能會有大幅的下降，無法滿足改性瀝青混合料破壞應(yīng)變大于2500με的最低要求。主要由于膠結(jié)料瀝青的含量過低時(shí)，混合料內(nèi)部的粘聚力差，降低混合料的勁度和應(yīng)力松弛性能，在溫度和荷載的作用下導(dǎo)致過大的彎曲應(yīng)變，造成路面的開裂。

表6 不同油石比小梁彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變結(jié)果(με)

圖2 破壞應(yīng)變與油石比的變化趨勢圖

而隨著油石比的增加，其低溫性能會得到顯著改善。一方面瀝青膠結(jié)料的彈性變形增強(qiáng)瀝青混合料的應(yīng)力松弛性能，其收縮性變大；另一方面，抗車轍劑在偏多的瀝青環(huán)境中會更好溶脹起到對基質(zhì)瀝青的部分改性作用，同時(shí)吸收瀝青后的抗車轍劑變軟會起到加筋和嵌擠填充的作用[7]。因此，適量地增加油石比對抗車轍劑瀝青混合料低溫抗裂性能有益，最佳油石比增加0.2%為宜。

2.3 抗車轍劑瀝青混合料抗水損害性能

采用凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比TSR作為瀝青混合料抗水損害性能的評價(jià)指標(biāo)。不同油石比條件下的抗車轍劑瀝青混合料殘留強(qiáng)度比TSR結(jié)果見表7，其變化趨勢見圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明：油石比從4.0%增加到4.6%，三種抗車轍劑瀝青混合料的TSR均呈現(xiàn)增長的趨勢，且PR PLAST.S>Domix>LT抗車轍劑。當(dāng)油石比低于4.2%時(shí)，水穩(wěn)定性無法滿足改性瀝青混合料TSR大于80%的最低要求。分析原因主要是瀝青含量低使混合料內(nèi)部空隙率過大，集料表面的瀝青膜薄，造成水分過多地侵入到瀝青與集料的界面。由于集料對水分的吸引力大于瀝青的吸引力，從而導(dǎo)致瀝青與集料粘結(jié)力降低，引起瀝青膜的脫落，造成路面水損害的發(fā)生[8]。

表7 不同油石比凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比TSR結(jié)果(%)

圖3 TSR與油石比的變化趨勢圖

相反地，油石比增加使得瀝青混合料內(nèi)部的空隙率降低，路面的密水性增加，水分難以進(jìn)入到瀝青混合料內(nèi)部，減少了水損害的發(fā)生。同時(shí)適量多的瀝青會使抗車轍劑起到改性基質(zhì)瀝青的作用，使得瀝青的粘性增強(qiáng)，增大瀝青與集料的界面強(qiáng)度，從而提高抗車轍劑瀝青混合料的抗水損害性能。但是過多的瀝青使空隙率過低會導(dǎo)致瀝青混合料抗老化性能的下降[9]。因此，從水損害的角度考慮，抗車轍劑瀝青混合料的油石比應(yīng)在最佳油石比到+0.3%為宜。

3 結(jié)論

(1)油石比的變化對抗車轍劑瀝青混合料性能影響很大，過低和過多的油石比均會使混合料高溫、低溫、抗水損害性能降低。Domix、PR PLAST.S、LT三種抗車轍劑呈現(xiàn)同樣的影響規(guī)律。過低的油石比使混合料空隙率增大，瀝青膜變薄，高溫、低溫、抗水損害性能均降低，容易造成路面破壞。適量多的瀝青會使抗車轍劑更好地溶脹起到改性基質(zhì)瀝青的作用，使得瀝青的粘性增強(qiáng)，同時(shí)吸收瀝青后的抗車轍劑變軟會起到加筋和嵌擠填充的作用，提高混合料的整體性能。

(2)綜合考慮抗車轍劑瀝青混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)定性能，其油石比應(yīng)在基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比到+0.2%為宜，即4.3%～4.5%的油石比性能最佳。

(3)為保障抗車轍劑瀝青混合料的性能穩(wěn)定，施工生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測瀝青含量。