抗剝落劑對南疆地區(qū)瀝青混合料性能的影響

周天宇,王 彬,楊龍飛

(西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著“一帶一路”合作倡議的提出,新疆作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心,其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展,交通道路建設(shè)更是以前所未有的速度推進(jìn)。作為道路建設(shè)重要原材料的集料的品質(zhì)極大地影響了道路建設(shè)的質(zhì)量。從地理上來說,天山山脈以南為南疆地區(qū),主要包括阿克蘇南部、吐魯番、巴音、喀什以及和田等地。調(diào)查發(fā)現(xiàn),南疆地區(qū)優(yōu)質(zhì)集料較少,且集料巖性不定,為了保證瀝青與集料的粘附性,瀝青道路在鋪筑時(shí)多采用抗剝落劑對材料性能進(jìn)行改善,但大量工程實(shí)踐表明,使用抗剝落劑并未大量減緩瀝青路面各類病害的發(fā)生。

對于抗剝落劑,國內(nèi)外專家已做了大量的研究,研究表明,摻加抗剝落劑能極大地提高瀝青混合料的水穩(wěn)性,還提高了瀝青混合料的抗疲勞性和低溫抗裂性,但對于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、耐久性有不利影響,而且抗剝落劑與瀝青存在配伍性,應(yīng)選取與所用瀝青相容性好的種類。

通過對研究現(xiàn)狀的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn),目前對抗剝落劑的研究,缺乏對于摻加抗剝落劑的瀝青混合料長期性能的研究,更缺乏對環(huán)境的考量,南疆地區(qū)氣候相較北疆而言,降雨少、高溫持續(xù)時(shí)間長、多干熱風(fēng)天氣。在這種氣候環(huán)境下,抗剝落劑是否會(huì)對瀝青混合料產(chǎn)生不利影響,目前沒有相關(guān)研究。

因此,對南疆的氣候環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬,設(shè)計(jì)環(huán)境模擬箱,率先開展抗剝落劑對南疆瀝青路面混合料長期性能的影響研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料

(1)抗剝落劑。

PA-1型抗剝落劑:胺類抗剝落劑,聚酰胺類聚合物,呈棕褐色粘稠液態(tài)體,凝固點(diǎn)<0 ℃,密度0.95～0.99 g/cm3,pH值>7,對眼睛、呼吸道及皮膚有微刺激,通常摻量為0.3%～0.5%。

LX-6525型抗剝落劑:非胺類抗剝落劑,外觀為棕色粘稠液體,閃點(diǎn)>200 ℃,有輕微氣味,比重0.97,25 ℃黏度為900 cps,能同時(shí)適用于酸堿兩種石料,明顯改善黏附性,且高溫性能優(yōu)異。

(2)瀝青。

研究選用中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司生產(chǎn)的克拉瑪依70#A級道路石油瀝青。

(3)集料及礦粉。

粗集料采用玄武巖,集料規(guī)格分為三個(gè)檔次,3～5 mm,5～10 mm,10～15 mm;采用石灰?guī)r加工的機(jī)制砂作為細(xì)集料,規(guī)格為0～3 mm;采用9.5～19 mm 石灰?guī)r制成礦粉,集料及礦粉主要技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)相關(guān)課題研究成果瀝青混合料的配合比m(10～15 mm)∶m(5～10 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m礦粉=30∶32∶15∶16∶7,最佳油石比為4.1%。選取0.4%的PA-1型抗剝落劑和0.45%的LX-6525型抗剝落劑分別加入混合料中。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)環(huán)境模擬箱及試驗(yàn)參數(shù)選取。

研究選取紫外線輻射、溫度及濕度作為室內(nèi)加速耦合老化試驗(yàn)裝置的三個(gè)最主要因素。

試驗(yàn)采用UVA-340紫外線燈模擬臨界短波波長范圍陽光光譜,選用6個(gè)燈管,紫外輻照度為300 W,根據(jù)輻射總量相等的原則,實(shí)驗(yàn)采用公式(1)～公式(3)計(jì)算室內(nèi)紫外線輻射時(shí)間。

Q紫=a×Q總

(1)

Q室=1.1×Q紫

(2)

T=Q室/P

(3)

式中:Q總為室外每平方米太陽總輻射量,MJ/m2;Q紫為室外紫外線每平方米輻射總量,MJ/m2;A為紫外線在太陽整個(gè)輻射能中所占的比例(新疆地區(qū)約為7%);Q室為室內(nèi)紫外線每平方米輻射總量,MJ/m2;P為紫外線燈輻照度,W/m2;T為紫外線燈照射時(shí)間,d。

參照最不利原則,試驗(yàn)選取哈密盆地羅布泊地區(qū)的太陽年總輻射量6 300 MJ/(m2·a)作為試驗(yàn)參數(shù)。通過計(jì)算可知,模擬3、6、12、18個(gè)月的紫外線輻照的時(shí)間為5、9、19、28 d。

試驗(yàn)采用不銹鋼干燒型烘箱加熱管和TED溫控儀進(jìn)行溫度控制,試驗(yàn)溫度根據(jù)式(4)計(jì)算。

te=to+asu×J/ao

(4)

式中:te為路表最高溫度,℃;to為大氣溫度,℃;asu為不同材料表面的日照吸收率和放射吸收率;J為夏季白天時(shí)的全日射量,取710 kcal/(m3·h);ao為為放射系數(shù)。

瀝青混合料的日照吸收率通常在65%～80%之間,風(fēng)速為零時(shí)的放射系數(shù)為20 kcal/(m2·h·℃)。南疆地區(qū)夏季溫度通常在40 ℃以上,極端情況下能達(dá)到45 ℃以上,因此選取42 ℃作為to,則瀝青路面可能溫度范圍為65.1～70.4 ℃。因此,選取70 ℃作為模擬瀝青混合料長期老化試驗(yàn)的溫度參數(shù)。

試驗(yàn)采用濕度記錄儀和敞口大小固定的容器進(jìn)行濕度控制。通過容器內(nèi)水分的蒸發(fā)將濕度控制在一定范圍。通過調(diào)查南疆地區(qū)年平均相對濕度基本都在30%～40%,空氣較為干燥,考慮綠洲地帶的氣候特點(diǎn),試驗(yàn)選擇50%～60%相對濕度作為參數(shù)。將上述系統(tǒng)組合為模擬箱,如圖1所示。

圖1 模擬箱結(jié)構(gòu)示意圖

(2)長期環(huán)境模擬試驗(yàn)方法。

根據(jù)已經(jīng)確定的試驗(yàn)參數(shù),結(jié)合瀝青路面實(shí)際工作狀態(tài),并參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的規(guī)定,最終確定下述試驗(yàn)步驟。

①試驗(yàn)選取0.4%PA-1型抗剝落劑和0.45%LX-6525型抗剝落劑分別加入瀝青,為保證抗剝落劑與瀝青均勻混合,試驗(yàn)選用高速剪切機(jī),對摻加抗剝落劑的瀝青以1 000 rpm攪拌5 min。

②拌和瀝青混合料,并將其按照松鋪厚度21～22 kg/m2放置在搪瓷盤中,然后放入烘箱中,烘箱溫度控制在135±1 ℃,通風(fēng)?；旌狭厦啃r(shí)翻拌一次,保證老化均勻,4 h±5 min后將混合料取出,供試驗(yàn)試用。

③將松散的混合料分別制作成型高溫、低溫、疲勞試驗(yàn)所需的車轍板、小梁試件以及疲勞荷載試件。

④調(diào)節(jié)室內(nèi)加速耦合老化試驗(yàn)裝置,打開加熱系統(tǒng),將溫控儀調(diào)到70 ℃,打開加濕模塊容器,將濕度控制在50%左右,保持3 h。

⑤待容器內(nèi)部的溫度和濕度穩(wěn)定后,將試驗(yàn)所需試件放入機(jī)箱內(nèi),關(guān)上箱門,打開紫外燈。

⑥將試件分別在儀器內(nèi)放置5、9、19、28 d,當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)間后,取出部分試件進(jìn)行性能測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

研究采用車轍試驗(yàn)評價(jià)經(jīng)過南疆氣候模擬試驗(yàn)摻加抗剝落劑的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能,試驗(yàn)溫度選擇60 ℃,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的變化

圖3 瀝青混合料相對變形率

三種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度在長期老化環(huán)境作用以后呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,而相對變形量隨著老化時(shí)間的增加而先減小后增加,這說明隨著老化時(shí)間的增加,瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性呈先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)槟M老化主要由熱老化和紫外線老化構(gòu)成,在試驗(yàn)開始階段主要由熱老化起作用,瀝青中輕質(zhì)組分或揮發(fā)或轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)和瀝青質(zhì),因此瀝青軟化點(diǎn)增高,針入度降低,黏度增大,瀝青相對變稠,增強(qiáng)了抵抗變形的能力,進(jìn)而減少了瀝青混合料車轍的形成;而隨著時(shí)間的推移,紫外老化逐漸發(fā)揮作用,紫外輻射能夠使瀝青中含有雙鍵的高分子發(fā)生斷裂,導(dǎo)致瀝青的黏結(jié)力降低,從而增加了脆性,因此瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低。在相同老化時(shí)間下,未摻加抗剝落劑的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度大于摻加抗剝落劑的瀝青混合料,抗剝落劑的加入降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

2.2 低溫抗裂性

研究使用車轍板切割的小梁試件來進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),評價(jià)摻加抗剝落劑的瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗(yàn)溫度選擇-10 ℃,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 低溫抗彎拉強(qiáng)度

圖5 低溫最大彎拉應(yīng)變曲線

由圖4、圖5可以看出環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)降低了瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度,降低了混合料的變形能力,降低了瀝青混合料的低溫抗裂性。相同老化時(shí)間下,添加抗剝落劑的瀝青混合料最大彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變均大于基質(zhì)瀝青混合料,這說明抗剝落劑對瀝青混合料的低溫性能有所改善,但不同的抗剝落劑增加幅度不同,其中低溫抗裂性優(yōu)劣順序由大到小依次為LX-6525型瀝青混合料、PA-1型瀝青混合料、基質(zhì)瀝青混合料。在老化前期,PA-1型抗剝落劑對瀝青混合料的低溫抗裂性有較大提升,而隨著老化時(shí)間的增大,提升幅度逐漸降低,PA-1型瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度以及應(yīng)變向基質(zhì)瀝青混合料靠近,這說明PA-1型抗剝落劑隨著溫度和紫外線作用時(shí)間的增加,迅速分解,從而失去對瀝青混合料性能的改善作用;而LX-6525型瀝青混合料在28 d老化后仍有一定改善作用,這表明LX-6525型抗剝落劑具有較好的耐老化性。

2.3 抗疲勞性能

研究選用小梁彎曲三點(diǎn)疲勞試驗(yàn)方法來研究長期老化作用下?lián)郊涌箘兟鋭┑臑r青混合料抗疲勞性能。應(yīng)力比選取0.5,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 摻加抗剝落劑的瀝青混合料老化時(shí)間與疲勞壽命關(guān)系

瀝青混合料的疲勞壽命隨著老化時(shí)間的增加呈降低趨勢,并且其下降幅度逐漸降低,當(dāng)瀝青混合料未老化前,混合料的疲勞壽命達(dá)到6 000次以上,而老化時(shí)間達(dá)到28 d時(shí),疲勞壽命只剩下2 000多次,降低幅度達(dá)到60%以上;三條曲線基本接近,在相同老化時(shí)間作用下,抗剝落劑對瀝青混合料疲勞壽命的提升不到9%,且隨著老化時(shí)間增大而降低,這說明添加抗剝落劑對于瀝青混合料的疲勞性能改善效果不明顯。

對圖6進(jìn)行擬合,不同混合料的老化時(shí)間-疲勞壽命回歸方程見表1。

表1 不同混合料的老化時(shí)間-疲勞壽命回歸方程

由表1回歸方程可以發(fā)現(xiàn),常數(shù)項(xiàng)中,添加抗剝落劑的瀝青混合料常數(shù)項(xiàng)要大于基質(zhì)瀝青混合料,這說明對于未經(jīng)老化試驗(yàn)的瀝青混合料,添加抗剝落劑后,瀝青混合料的疲勞壽命有所提升;二次項(xiàng)的系數(shù)代表老化時(shí)間對于瀝青混合料疲勞性能的影響程度,由大到小依次為PA-1瀝青混合料(6.720 4)、LX-6525瀝青混合料(6.241 1)、基質(zhì)瀝青混合料(6.228 5),這說明隨著老化時(shí)間的增加,添加抗剝落劑的瀝青混合料疲勞壽命降低幅度大于未摻加抗剝落劑的瀝青混合料,說明摻加抗剝落劑的瀝青在紫外高溫環(huán)境下的耐久性較差。

3 抗剝落劑在南疆地區(qū)的適應(yīng)性

通過研究發(fā)現(xiàn),在南疆長期環(huán)境模擬試驗(yàn)的過程中,三種瀝青混合料的性能均大幅降低,其中添加抗剝落劑的瀝青混合料降低幅度要大于基質(zhì)瀝青混合料。就高溫性能而言,基質(zhì)瀝青混合料要優(yōu)于摻加抗剝落劑的瀝青混合料,而就疲勞壽命而言,摻加抗剝落劑的瀝青混合料的減小幅度也要大于基質(zhì)瀝青混合料,而低溫性能則是摻加抗剝落劑的瀝青混合料略有優(yōu)勢,但其衰減幅度較大,且逐漸向基質(zhì)瀝青混合料靠攏。對于兩種抗剝落劑來說,LX-6525型非胺類抗剝落劑的耐老化性能要優(yōu)于PA-1型胺類抗剝落劑,這從瀝青混合料的性能變化規(guī)律可以看出。

因此,在南疆大部分地區(qū),抗剝落劑的添加不能對瀝青路面起到改善的效果,而且部分因添加抗剝落劑而達(dá)到規(guī)范要求的瀝青混合料在南疆的特殊環(huán)境下,性能急速衰減,從而在使用年限內(nèi)發(fā)生早期病害,影響路面的使用壽命;而對于通過綠洲地帶的瀝青路面,則應(yīng)選擇耐老化性更好的非胺類抗剝落劑作為添加劑,提高其低溫性能。

4 結(jié) 論

(1)在光熱耦合老化作用下,瀝青混合料的高溫性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,并且抗剝落劑的加入導(dǎo)致瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低,動(dòng)穩(wěn)定度減小。

(2)瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變隨著老化時(shí)間的增加,衰減幅度逐漸降低,而添加抗剝落劑提高了瀝青混合料短期內(nèi)的低溫抗裂性,但長期的低溫抗彎拉強(qiáng)度反而大幅度降低,降低幅度從大到小依次為PA-1型瀝青混合料、LX-6525型瀝青混合料、基質(zhì)瀝青混合料。這說明在高溫紫外環(huán)境下,添加抗剝落劑的瀝青混合料低溫性能衰減較快,抗剝落劑未對瀝青混合料起到效果。

(3)南疆環(huán)境長期模擬老化降低了瀝青混合料的疲勞性能,降低幅度達(dá)到60%以上,而抗剝落劑的添加有助于提高瀝青混合料在初始階段的疲勞性能,但是由于抗剝落劑高溫穩(wěn)定性較差,因此添加抗剝落劑的瀝青混合料疲勞壽命降低幅度隨著老化時(shí)間的增大而變大,且疲勞壽命向基質(zhì)瀝青混合料靠近。

(4)對于南疆高溫干旱的環(huán)境,抗剝落劑的添加雖然在初始階段提高了瀝青混合料的性能,但是隨著老化時(shí)間的增加,添加抗剝落劑的瀝青混合料性能衰減幅度大于基質(zhì)瀝青混合料,使得瀝青路面在使用年限內(nèi)更易發(fā)生病害。