抗剝落劑對(duì)花崗巖改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

黃麗卿，賴曉龍，孫華

福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，福建 南平 353000

0 引言

瀝青混凝土面層承受氣候環(huán)境和交通荷載等因素的綜合作用，道路表面需要滿足平整、密實(shí)、粗糙、耐磨的要求[1]。福建省地處我國(guó)瀝青路面氣候分區(qū)的夏炎熱冬溫潮濕(1-4-1)區(qū)，瀝青路面應(yīng)具有良好的水穩(wěn)定性和足夠的抗滑能力[2]。按酸堿性質(zhì)，瀝青面層粗集料一般分為堿性、中性和酸性，其中堿性集料與瀝青的黏附性能較好，中性次之，酸性最差，因此石灰?guī)r等堿性集料常作為瀝青混合料的最佳選擇[3-5]，而花崗巖等酸性集料常作為備選[6-8]。石料是一種不可再生資源，大規(guī)模的土木工程建設(shè)導(dǎo)致堿性和中性等優(yōu)質(zhì)集料儲(chǔ)量減少。以花崗巖為典型代表的酸性集料質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨，存儲(chǔ)量較大，若能將其合理運(yùn)用，可有效緩解堿性和中性集料匱乏地區(qū)的道路建設(shè)壓力[9-11]。

采用抗剝落劑可改善瀝青與酸性集料的黏附性，早期采用水泥、石灰等無機(jī)類材料作為抗剝落劑[12-13]，相關(guān)研究表明，無機(jī)類抗剝落劑取代部分礦粉能明顯改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，但因其分散性不佳，易結(jié)團(tuán)，在瀝青混合料中分布不均勻，在實(shí)際工程中應(yīng)用效果不佳。在工程項(xiàng)目中，以納米型材料、硅烷偶聯(lián)劑等為代表的新型抗剝落劑處于試驗(yàn)研究階段[14]，胺類與非胺類等聚合物抗剝落劑應(yīng)用較廣泛，其中非胺類抗剝落劑在改善酸性石料與瀝青的黏附性能方面比消石灰和胺類抗剝落劑更具有優(yōu)勢(shì)[15-21]。

本文分析3種非胺類抗剝落劑對(duì)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene，SBS)改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度等性能的影響，研究抗剝落劑對(duì)花崗巖集料與SBS瀝青黏附性能的影響，對(duì)摻加抗剝落劑的花崗巖瀝青瑪蹄脂碎石(stone matrix asphalt，SMA)改性混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)等，測(cè)試摻加抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性和浸水飛散損失比等性能，以期在道路建設(shè)中可廣泛采用花崗巖作為粗集料。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青(I-D類)，其技術(shù)指標(biāo)符合文獻(xiàn)[22]的要求，性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能測(cè)試結(jié)果

1.2 粗集料

采用粒徑為9.5～13.2 mm的花崗巖和石灰?guī)r粗集料，按文獻(xiàn)[23]測(cè)定其物理、力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 粗集料的物理、力學(xué)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表2可知：花崗巖集料和石灰?guī)r集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[23]要求，且花崗巖集料總體性能優(yōu)于石灰?guī)r；花崗巖集料的壓碎值和洛杉磯磨耗損失比石灰?guī)r集料分別小24.39%、26.80%，磨光值比石灰?guī)r集料高22.92%，說明花崗巖集料的抗壓碎性能、耐磨性能和抗滑性能均優(yōu)于石灰?guī)r集料。

1.3 抗剝落劑

選取3種非胺類抗剝落劑進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)。Ⅰ號(hào)抗剝落劑是非離子有機(jī)胺的表面活性劑，能提高瀝青混合料的抗低溫凍裂、抗車轍、抗疲勞等性能；Ⅱ號(hào)和Ⅲ號(hào)抗剝落劑是有機(jī)高分子活性化合物，水穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性較好，與各類瀝青相容性較好；Ⅲ號(hào)抗剝落劑高溫長(zhǎng)效性(163 ℃持續(xù)高溫48 h)較好，耐老化性優(yōu)于Ⅱ號(hào)抗剝落劑。3種非胺類抗剝落劑的技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 3種非胺類抗剝落劑的技術(shù)指標(biāo)

1.4 其他材料

采用石灰?guī)r石屑為細(xì)集料，磨細(xì)的石灰?guī)r石粉為礦粉。細(xì)集料干燥、潔凈、無風(fēng)化、無雜質(zhì)；礦粉干燥、潔凈，無團(tuán)粒結(jié)塊。細(xì)集料和礦粉的試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范[23]的技術(shù)指標(biāo)。采用木質(zhì)纖維素為穩(wěn)定劑，木質(zhì)纖維素與SBS改性瀝青的質(zhì)量比為0.4%。

2 SBS改性瀝青混合料的性能試驗(yàn)

2.1 抗剝落劑

以SBS改性瀝青為基質(zhì)，抗剝落劑與SBS改性瀝青的質(zhì)量比為0.3%，按文獻(xiàn)[24]分別測(cè)定針入度、軟化點(diǎn)和延度3個(gè)性能指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同抗剝落劑對(duì)SBS改性瀝青性能的影響

由表4可知，抗剝落劑對(duì)SBS改性瀝青的3個(gè)性能指標(biāo)起到一定的改善作用。摻入不同抗剝落劑后，SBS改性瀝青的針入度有所降低，軟化點(diǎn)有所升高但變化不大，延度有所增大。加入Ⅲ號(hào)抗剝落劑后，SBS改性瀝青的針入度比不加抗剝落劑的SBS改性瀝青減少12.24%，延度比不加抗剝落劑的SBS改性瀝青增大9.19%，表明Ⅲ號(hào)抗剝落劑可增大SBS改性瀝青的黏度，SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性變好，塑性和低溫抗裂性變好。

因此，Ⅲ號(hào)抗剝落劑對(duì)SBS改性瀝青性能的影響優(yōu)于Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)抗剝落劑。

2.2 SBS改性瀝青與集料的黏附性

文獻(xiàn)[24]規(guī)定，采用水煮法檢驗(yàn)瀝青與粗集料表面的黏附性時(shí)應(yīng)選擇最大粒徑大于13.2 mm的集料，水浸法則選擇最大粒徑不大于13.2 mm的集料。

本試驗(yàn)采用水浸法檢驗(yàn)SBS改性瀝青與花崗巖集料表面的黏附性。為了模擬SBS改性瀝青和抗剝落劑共同老化后與花崗巖的黏附性能，SBS改性瀝青與抗剝落劑經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱試驗(yàn)(rotating thin film oven test ，RTFOT)老化后，與花崗巖集料進(jìn)行水浸法試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 SBS改性瀝青與花崗巖集料黏附性的水浸法試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，加入3種抗剝落劑在一定程度上能提高SBS改性瀝青與花崗巖的黏附性。對(duì)于未進(jìn)行RTFOT老化的SBS改性瀝青，加入3種抗剝落劑后的效果相同，黏附等級(jí)由原來的3級(jí)均提高到5級(jí)，滿足夏炎熱冬溫潮濕區(qū)對(duì)瀝青黏附性的要求。經(jīng)RTFOT老化后，摻加Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)抗剝落劑的SBS改性瀝青與花崗巖的黏附等級(jí)為4級(jí)，而摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的SBS改性瀝青的黏附等級(jí)為5級(jí)，說明摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑后SBS改性瀝青的耐熱性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于摻加Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)抗剝落劑的SBS改性瀝青。

2.3 花崗巖瀝青混合料的性能

2.3.1 馬歇爾試驗(yàn)

按照文獻(xiàn)[22]中SMA瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配建議，對(duì)SMA-13-石灰?guī)r、SMA-13-Ⅲ號(hào)抗剝落劑-花崗巖進(jìn)行目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，通過馬歇爾試驗(yàn)確定花崗巖SMA-13和石灰?guī)rSMA-13的礦料級(jí)配，如表6所示，其最佳油石比和馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 2種SMA-13混合料通過篩孔的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表7 2種SMA-13混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：2種SM-13混合料的礦料級(jí)配均滿足文獻(xiàn)[22]要求。

由表7可知：3種SMA-13混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[16]的要求，空隙率較小，有利于防止改性瀝青混合料水損害的發(fā)生。摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度比未摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料提高了13.45%，說明加入抗剝落劑能提高花崗巖集料和SMA-13改性瀝青的黏結(jié)力，有利于提高改性瀝青混合料的抗變形能力。

2.3.2 水穩(wěn)定性

根據(jù)文獻(xiàn)[24]要求，采用浸水法馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 各瀝青混合料的水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：未摻加抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比不能滿足夏炎熱冬溫潮濕區(qū)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的要求，而摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑后，花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比未摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料分別提高17.21%、15.86%，比未摻加抗剝落劑的石灰?guī)rSMA-13瀝青混合料提高1.67%、0.93%，說明在改性瀝青中摻加抗剝落劑可以明顯改善花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的抗水損壞能力，花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能優(yōu)于石灰?guī)rSMA-13改性瀝青混合料。

2.3.3 浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)

如果瀝青路面上面層的集料與瀝青間的黏附性較差，容易造成瀝青薄膜在動(dòng)水壓力的反復(fù)作用下剝落，造成嚴(yán)重的水損害破壞。

為評(píng)價(jià)花崗巖集料與SMA-13改性瀝青的黏結(jié)性，在室內(nèi)對(duì)SMA-13-石灰?guī)r、SMA-13-花崗巖、SMA-13 -Ⅲ號(hào)抗剝落劑-花崗巖進(jìn)行浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)，3種混合料的浸水飛散損失比分別為8.7%、9.2%、5.5%，試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范[16]要求。摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料浸水飛散損失比比不摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料降低40.22%，且比石灰?guī)rSMA-13改性瀝青混合料降低36.78%，說明抗剝落劑有效增強(qiáng)了花崗巖集料與改性瀝青間的黏結(jié)力，花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的黏結(jié)效果優(yōu)于石灰?guī)rSMA-13改性瀝青混合料。

3 結(jié)論

1)非胺類抗剝落劑均能改善花崗巖與SBS改性瀝青的黏附性能。摻加抗剝落劑將SBS改性瀝青與花崗巖集料的黏附性由原來的2～3級(jí)提高到5級(jí)。

2)摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比比未摻加Ⅲ號(hào)抗剝落劑的石灰?guī)rSMA-13瀝青混合料分別提高1.67%、0.93%，浸水飛散損失比降低36.78%，說明選擇優(yōu)質(zhì)的花崗巖集料和抗剝落劑能有效提高花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，可滿足夏炎熱冬溫潮濕區(qū)對(duì)瀝青材料的性能要求，花崗巖SMA-13改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)于同級(jí)配的石灰?guī)rSMA-13改性瀝青混合料。