不同添加劑對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響分析

李志宏

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050000)

0 引言

近些年來，在生產(chǎn)以及壓實(shí)瀝青混合料時(shí)，溫度的降低對(duì)維持乃至提高熱拌瀝青的力學(xué)性能產(chǎn)生了很大影響。實(shí)際施工過程中，不同項(xiàng)目使用不同類型添加劑對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行改性以研究其添加前后壓實(shí)和易性的差異。本文為了評(píng)價(jià)施工溫度下降時(shí)這些添加劑的效果，對(duì)這些加入了添加劑的混合料進(jìn)行試驗(yàn)并以力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，其中包括水穩(wěn)定性試驗(yàn)以及勁度模量試驗(yàn)等[1]。

1 材料使用和混合料設(shè)計(jì)

本文對(duì)生產(chǎn)和鋪設(shè)瀝青混合料時(shí)的溫度影響和所使用的添加劑進(jìn)行了研究。在這項(xiàng)研究中，表面層使用的瀝青混凝土(AC16Surf)礦料級(jí)配中最大骨料尺寸為16 mm。試驗(yàn)中對(duì)AC16Surf的顆粒級(jí)配按大小進(jìn)行了分類并按使用集料、石灰石和沙子的分級(jí)包絡(luò)中心進(jìn)行了調(diào)整。

本文研究了三個(gè)生產(chǎn)溫度：160 ℃，生產(chǎn)熱拌瀝青混凝土的溫度；140 ℃和120 ℃，生產(chǎn)溫拌瀝青混凝土的常見溫度。本研究中分析了7種不同類型的混合料，包括混合料R(不變?yōu)r青)和6種加有添加劑的混合料(A1～A6)。研究使用的添加劑的特點(diǎn)和數(shù)量如表1所示。

表1 本研究中所使用的添加劑一覽表

2 壓實(shí)和易性研究

根據(jù)以往研究結(jié)果，為比較不同混合料的壓實(shí)度，可以引用一些指數(shù)來衡量壓實(shí)能[2]，這些指數(shù)采用從壓實(shí)曲線中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。本文采用的指數(shù)為壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)和由交通荷載導(dǎo)致壓實(shí)的交通致密指數(shù)(TDI)。壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)分析了從第8周期開始直到與開放交通后最小密度相一致的92%混合料最大理論密度(Gmm)的結(jié)果。交通致密指數(shù)(TDI)和由交通影響導(dǎo)致的壓實(shí)相關(guān)，而且確認(rèn)其取值范圍在92%Gmm到98%Gmm之間，即混合料靠近塑性性能的區(qū)域，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的取值區(qū)間。CEI數(shù)值大小顯示了施工中攤鋪混合料的難易程度，其數(shù)值越小，混合料越容易壓實(shí)。相比之下，TDI指數(shù)顯示了交通荷載作用下混合料的強(qiáng)度。在這種情況下，TDI越高，則表明混合料在其服務(wù)年限內(nèi)可以承受更大的交通荷載。

在本研究中，對(duì)于每個(gè)溫度以及混合料的組合，通過生產(chǎn)6個(gè)直徑為100 mm的試件并使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)難易程度進(jìn)行分析。這種難易程度依據(jù)壓實(shí)曲線進(jìn)行判定，而此壓實(shí)曲線是由與周期次數(shù)有關(guān)的壓實(shí)結(jié)果繪制的。對(duì)從壓實(shí)曲線獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此可以確定壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)和交通致密指數(shù)(TDI)。

研究發(fā)現(xiàn)，在施工溫度降低后，加入添加劑的混合料的CEI值會(huì)降低，更易壓實(shí)，如表2所示。

表2 CEI和TDI試驗(yàn)結(jié)果表

在三種研究溫度下，A5混合料的CEI值均低于混合料R，這說明在施工溫度下，添加劑A5引起混合料黏度降低，可以提高瀝青混合料的和易性，方便攤鋪。

添加劑A6是一種結(jié)構(gòu)內(nèi)含有水的沸石，當(dāng)其伴隨泡沫結(jié)合料被加入到混合料時(shí)，水分會(huì)被釋放出來，使黏度降低，從而提高集料的裹覆和攤鋪能力。這也可以由加入添加劑A6的瀝青混合料CEI值小于混合料R的試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。

TDI指數(shù)分析了道路服務(wù)壽命內(nèi)由于交通荷載導(dǎo)致的壓實(shí)效應(yīng)。從理論上講，TDI值越高，混合料在其使用壽命內(nèi)就越能承受更多交通荷載。120 ℃時(shí)，混合料R具有較高的TDI值。TDI試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料在開放交通之前足夠密實(shí)，在其使用壽命內(nèi)能夠承受更多的交通荷載。與混合料R相比，加有添加劑的混合料在施工溫度降低時(shí)CEI值變化更小，其性能更穩(wěn)定，在溫度較低時(shí)更容易壓實(shí)。

為了確定最佳的施工溫度，CEI和TDI不能分開使用，而需要結(jié)合使用。為了確定最易壓實(shí)的最低CEI值，需要對(duì)CEI進(jìn)行分析。CEI數(shù)值相同，則要根據(jù)TDI值做出選擇。TDI值越大，瀝青混合料的耐久性越好。

3 水穩(wěn)定性分析

為了分析瀝青混合料的水穩(wěn)定性，對(duì)應(yīng)三個(gè)試驗(yàn)溫度、七種不同混合料(R和A1～A6)，各制作了8個(gè)試件，隨后將這些試件分成兩組進(jìn)行試驗(yàn)。按照試驗(yàn)要求，其中一組在室溫20 ℃條件下保存3 d，而另一組在經(jīng)過40 min真空處理后浸在40 ℃水中保存3 d。試驗(yàn)前，試件再放進(jìn)一個(gè)15 ℃的房間保存2 h，然后，使用靜態(tài)機(jī)進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

根據(jù)間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的穩(wěn)定性，分別對(duì)保持干燥(ITSD)狀態(tài)和浸水(ITSW)狀態(tài)的試件牽引阻力進(jìn)行分析計(jì)算，以間接拉伸強(qiáng)度比率(ITSR)進(jìn)行分析計(jì)算：

(1)

式中：ITSR——間接抗拉強(qiáng)度比率(%)；

ITSW——浸水試件的間接抗拉強(qiáng)度(kPa)；

《規(guī)范》鼓勵(lì)和支持餐飲服務(wù)提供者采用先進(jìn)的食品安全管理方法，建立餐飲服務(wù)食品安全管理體系，提高食品安全管理水平；明示餐食的主要原料信息、數(shù)量或重量，開展“減油、減鹽、減糖”行動(dòng)，為消費(fèi)者提供健康營(yíng)養(yǎng)的餐食；降低一次性餐飲具的使用量；提示消費(fèi)者開展光盤行動(dòng)，減少浪費(fèi)?！兑?guī)范》還規(guī)定餐飲外賣送餐人員應(yīng)保持個(gè)人衛(wèi)生，外賣箱（包）應(yīng)保持清潔，并定期消毒。網(wǎng)絡(luò)餐飲服務(wù)第三方平臺(tái)提供者和自建網(wǎng)站餐飲服務(wù)提供者應(yīng)如實(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)訂餐的訂單信息，包括食品的名稱、下單時(shí)間、送餐人員、送達(dá)時(shí)間以及收貨地址，信息保存時(shí)間不得少于6個(gè)月。

ITSD——干燥試件的間接拉伸強(qiáng)度(kPa)。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，除A5混合料外，其他混合料的間接抗拉強(qiáng)度均隨之降低，且空隙率越大，間接抗拉強(qiáng)度降低越明顯，如表3所示。

表3 不同混合料在不同溫度下的間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

比較表3混合料R以及加有添加劑的混合料的試驗(yàn)結(jié)果，在所有溫度下使用添加劑會(huì)使強(qiáng)度維持不變甚至提高。對(duì)于A1～A4添加劑，其組成成分能夠提高集料和結(jié)合料的粘附性，而且與混合料R相比，這些化合物可以增加水穩(wěn)定性。其作用在浸水試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果上表現(xiàn)得尤為明顯。與混合料R相比，所有加添加劑混合料的水穩(wěn)定性在160 ℃時(shí)都提高了。當(dāng)生產(chǎn)溫度較低時(shí)，A4是唯一一種與140 ℃時(shí)的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果保持一致的混合料。其他有添加劑的混合料在相同溫度下強(qiáng)度值下降20%。

添加劑A5是在施工溫度下完全可溶于瀝青的蠟狀物，通過比較140 ℃以及120 ℃時(shí)的ITSD和ITSW值，添加A5的混合料試驗(yàn)結(jié)果保持穩(wěn)定，且比相同溫度下混合料R試驗(yàn)數(shù)值要大，這證明在較低溫度時(shí)，A5可以增加混合料水穩(wěn)定性。A6添加劑是一種沸石，在施工溫度下，可以改善混合料的裹覆能力，從而降低混合料孔隙率，提高水穩(wěn)定性。因此添加劑A6在140 ℃以及120 ℃時(shí)的ITSD和ITSW值也要比相同溫度下混合料R試驗(yàn)數(shù)值要大。

4 勁度模量研究

過往研究把勁度模量大小作為衡量道路瀝青混合料結(jié)構(gòu)性能的一種方法[3]。為測(cè)試混合料的勁度模量，本研究在20 ℃試驗(yàn)溫度下進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)前，試件需要在一個(gè)20 ℃恒溫的空調(diào)室內(nèi)至少保存24 h。為了完成這個(gè)試驗(yàn)，需要使用一個(gè)帶有10 kN傳感器的動(dòng)態(tài)機(jī)。

對(duì)不同試驗(yàn)溫度下的七種不同混合料，均制作4個(gè)圓柱體的AC16Surf混合料試件。通過在試件中心施加一個(gè)垂直壓力荷載，并記錄試件所經(jīng)歷的變形，從而完成間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。每次試驗(yàn)都包括16個(gè)負(fù)荷周期，每個(gè)周期持續(xù)3 s。第1個(gè)到第10個(gè)周期是為了使試件受力穩(wěn)定下來，利用第11個(gè)到第15個(gè)周期進(jìn)行勁度模量計(jì)算。最后，根據(jù)每個(gè)周期所獲得的彈性變形最大振幅計(jì)算勁度模量，這五個(gè)周期算得的勁度模量平均值作為最終結(jié)果，如表4所示。

表4 20 ℃不同混合料的平均勁度模量計(jì)算結(jié)果表

研究結(jié)果表明，降低混合料R的生產(chǎn)溫度和壓實(shí)溫度會(huì)降低其模量，如120 ℃時(shí)模量值大約為160 ℃時(shí)的50%。這一試驗(yàn)結(jié)果是由空隙率增加從而導(dǎo)致混合料勁度減小引起的。

與混合料R在160 ℃時(shí)的值相比，使用了不同添加劑混合料的勁度模量減少了20%～40%。隨著施工溫度降低，有添加劑的混合料模量變化要比混合料R小。添加劑A3、A5、A6在120 ℃時(shí)的模量要比混合料R的大。對(duì)于添加劑A3和A5，該結(jié)果的產(chǎn)生是由兩種化合物成分中所包含的蠟狀物導(dǎo)致的，而這些蠟狀物會(huì)在低于其熔點(diǎn)時(shí)形成水晶般的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而增加混合料的穩(wěn)定性。添加劑A6使混合料空隙率降低，從而增加混合料的穩(wěn)定性。加入其他添加劑(A1、A2、A4)的混合料勁度模量未發(fā)生較大變化。

5 結(jié)語

在本研究中，對(duì)不同生產(chǎn)溫度和壓實(shí)溫度下的加有添加劑的瀝青混合料的性能同未加添加劑的混合料進(jìn)行比較。結(jié)果表明，添加劑的加入改善了混合料的壓實(shí)性，提高了混合料的施工和易性，從而能夠降低其生產(chǎn)溫度和壓實(shí)溫度，并節(jié)約能源。