抗車轍劑與高模量劑復(fù)配改性瀝青混合料路用性能研究

摘 要：為研究抗車轍劑與高模量劑復(fù)配改性瀝青混合料的路用性能，研究依托實(shí)際工程，通過四組配比試驗(yàn)，采用抗車轍劑（PR PLAST S）與高模量劑（HMM-12）復(fù)配改性瀝青混合料對其路用性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：復(fù)配改性顯著提升高溫抗車轍能力，B組（抗車轍劑0.3%、高模量劑8%）動穩(wěn)定度達(dá)未改性基準(zhǔn)組2.55倍；低溫抗裂性與水穩(wěn)定性相較于未改性基準(zhǔn)組分別提升32.6%和19.9%；B組復(fù)配方案兼具性能均衡、經(jīng)濟(jì)性與工藝可行性，可為同類工程提供優(yōu)化施工方案。

關(guān)鍵詞：抗車轍劑 高模量劑 復(fù)配改性瀝青 路用性能

隨著交通量激增與重載車輛比例攀升，瀝青路面在高溫、多雨及頻繁凍融等復(fù)雜環(huán)境下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，車轍、開裂與水損害等病害顯著縮短道路使用壽命[1]，尤其在華南沿海地區(qū)，高溫高濕氣候與重載交通疊加作用導(dǎo)致傳統(tǒng)瀝青混合料性能不足[2]，亟須開發(fā)兼具高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的新型改性材料[3-4]。盡管單一抗車轍劑或高模量劑的應(yīng)用已取得一定成效，但二者復(fù)配協(xié)同作用機(jī)制、摻量優(yōu)化及其對綜合路用性能的影響仍缺乏研究，現(xiàn)有成果多聚焦單一性能提升，難以平衡剛性與延展性矛盾，且實(shí)際工程中的工藝適配性與經(jīng)濟(jì)性尚未明確。

研究依托實(shí)際工程，以抗車轍劑與高模量劑復(fù)配改性瀝青混合料為研究對象，通過設(shè)計(jì)多組配比方案，系統(tǒng)分析其高溫抗車轍、低溫抗裂及抗水損害性能，明確協(xié)同改性機(jī)理與最優(yōu)摻量組合，并驗(yàn)證復(fù)配工藝的工程適用性。研究成果可為高溫多雨、重載交通地區(qū)的瀝青路面設(shè)計(jì)與施工提供理論支撐，推動改性瀝青技術(shù)向高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)方向發(fā)展，對延長道路服役壽命、降低養(yǎng)護(hù)成本具有重要意義。

1 工程概況

項(xiàng)目工程位于華南某沿海省份，屬于重載交通干線高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，全長約32.5km，設(shè)計(jì)為雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h。項(xiàng)目地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫22℃，夏季極端高溫達(dá)38℃，年降水量1800mm，且受臺風(fēng)影響頻繁，對路面抗車轍、抗水損害及低溫抗裂性能要求較高。原道路因長期承受重載貨車及濕熱環(huán)境作用，出現(xiàn)嚴(yán)重車轍、開裂與剝落病害。本次改擴(kuò)建采用抗車轍劑與高模量劑復(fù)配改性瀝青混合料作為上面層鋪裝材料，設(shè)計(jì)厚度5cm，旨在提升路面高溫穩(wěn)定性、抗疲勞性能及使用壽命。

2 復(fù)配改性瀝青混合料制備與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 制備工藝

復(fù)配改性瀝青混合料的制備基于干法工藝，將粒徑范圍為9.5～19mm的粗集料與4.75～9.5mm的細(xì)集料按AC-16設(shè)計(jì)級配混合，置于烘箱升溫至160～170℃，恒溫保持4h確保集料均勻受熱；向集料中加入混合料抗車轍劑（PR PLAST S），以拌合機(jī)轉(zhuǎn)速55r/min至65r/min干拌30s，使抗車轍劑充分分散并包裹集料表面；注入加熱至155℃至160℃的70#基質(zhì)瀝青，繼續(xù)拌合60s形成均勻的瀝青膠漿；加入高模量劑HMM-12，在147～153℃條件下將拌合機(jī)轉(zhuǎn)速提升至70r/min至80r/min，濕拌90s以確保高模量劑與瀝青膠漿充分融合；混合料出料溫度嚴(yán)格控制在145～155℃范圍內(nèi)，將攪拌后的瀝青混合料放入標(biāo)準(zhǔn)擊模具，通過擊實(shí)儀雙面各壓實(shí)75次；擊實(shí)完成后靜止24h脫模，得到成品。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為精準(zhǔn)篩選抗車轍劑與高模量劑復(fù)配改性瀝青混合料的最佳配比，提升高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性的綜合性能，本試驗(yàn)通過調(diào)整抗車轍劑與高模量劑摻量，設(shè)計(jì)四組典型配比方案。試驗(yàn)以規(guī)范要求為基準(zhǔn)，結(jié)合工程實(shí)際需求設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，具體方案見表1。

3 復(fù)配改性瀝青混合料性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性能

高溫穩(wěn)定性能是評價(jià)瀝青混合料在高溫環(huán)境下抵抗車轍變形能力的關(guān)鍵指標(biāo)[5]。為研究抗車轍劑與高模量劑復(fù)配對改性瀝青混合料高溫性能的影響，本試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），采用車轍試驗(yàn)對四組配比方案進(jìn)行測試。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：溫度60℃，輪壓0.7MPa，試驗(yàn)時(shí)長1h，通過動穩(wěn)定度（次/mm）定量表征抗車轍能力。各組試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1知，A組動穩(wěn)定度僅略高于規(guī)范最低要求（3000次/mm）。未添加改性劑的混合料在高溫下抗車轍能力有限，表明原始瀝青膠漿的粘彈性和集料骨架結(jié)構(gòu)不足以抵抗重載或持續(xù)高溫下的塑性變形，易發(fā)生車轍病害。

復(fù)配組中，B組動穩(wěn)定度較A組提升155%，這是因?yàn)?.3%摻量抗車轍劑增強(qiáng)了瀝青的粘彈性，延緩了高溫流動性，8%摻量高模量劑則提高了混合料的整體剛度，減少荷載作用下的應(yīng)變累積，兩者的協(xié)同效應(yīng)使抗變形能力顯著增強(qiáng)；C組動穩(wěn)定度較B組再提升28%，雙高摻量進(jìn)一步強(qiáng)化了改性效果，抗車轍劑形成更密集的聚合物網(wǎng)絡(luò)，限制瀝青流動；高模量劑則通過增加彈性模量，提升混合料的應(yīng)力擴(kuò)散能力。然而，摻量過高可能導(dǎo)致瀝青膠漿脆性增加，需關(guān)注低溫性能與成本平衡；D組動穩(wěn)定度雖滿足規(guī)范要求，但顯著低于B組。低摻量可能未達(dá)到兩種改性劑的最佳協(xié)同閾值，抗車轍劑分散不足導(dǎo)致粘彈性改善有限，高模量劑摻量降低則削弱了混合料的剛度提升效果，表明改性劑摻量需達(dá)到臨界值才能充分發(fā)揮協(xié)同作用。

3.2 低溫抗裂性能

低溫抗裂性能是評價(jià)瀝青混合料在低溫環(huán)境下抵抗收縮開裂能力的關(guān)鍵指標(biāo)。試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），采用低溫彎曲試驗(yàn)對四組配比方案進(jìn)行測試，通過破壞應(yīng)變表征其低溫性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2知，A組未添加改性劑，破壞應(yīng)變?yōu)樗慕M中最低值，表明試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性較高。低破壞應(yīng)變直接反映了原始瀝青混合料的脆性特征，瀝青膠漿低溫延展性不足，無法有效分散收縮應(yīng)力，易導(dǎo)致路面開裂。

復(fù)配組中，B組較A組提升32.6%，抗車轍劑通過聚合物網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)瀝青的粘彈性，顯著提升低溫延展性；高模量劑在增加剛度的同時(shí)未過度抑制變形能力，兩者協(xié)同作用使低溫抗裂性能穩(wěn)定優(yōu)化；C組破壞應(yīng)變較B組下降14%，這是由于高模量劑過量導(dǎo)致混合料剛性過高，削弱了瀝青膠漿的變形能力，加劇低溫脆性，且誤差范圍擴(kuò)大可能源于改性劑分散不均或膠漿內(nèi)部應(yīng)力集中，表明該配比穩(wěn)定性較差，性能波動風(fēng)險(xiǎn)較高；D組破壞應(yīng)變較A組提升18.6%，但僅為B組的89.5%，低摻量下抗車轍劑分散不足，粘彈性改善有限，高模量劑摻量較低，剛度提升作用未達(dá)閾值，二者協(xié)同效應(yīng)不足。綜上，優(yōu)先選擇B組，其破壞應(yīng)變高且誤差較小，適用于寒冷地區(qū)主線路段。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性通過凍融劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行評價(jià)，以表征瀝青混合料在凍融循環(huán)后抵抗水損害的能力。試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），采用凍融劈裂試驗(yàn)對四組配比方案進(jìn)行測試，試驗(yàn)參數(shù)為一次凍融循環(huán)，將試件放置﹣18℃冰凍16h，并進(jìn)行60℃水浴24h，且每組試驗(yàn)重復(fù)三次。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3知，A組凍融劈裂強(qiáng)度比為72.3%，低于規(guī)范要求的75%，主要是由于未添加改性劑的混合料中，瀝青與集料界面粘結(jié)力弱，凍融循環(huán)后水分侵入導(dǎo)致膠漿剝離，界面粘附性顯著下降。

復(fù)配組中，B組凍融劈裂強(qiáng)度比為86.7%，較A組提升19.9%，主要是因?yàn)榭管囖H劑通過填充孔隙和增強(qiáng)瀝青粘彈性，阻斷水分滲透路徑；高模量劑提升混合料密實(shí)度，減少滲透通道。兩者協(xié)同作用顯著改善界面抗剝離能力，工藝穩(wěn)定性高，適用于多雨或凍融頻繁地區(qū)；C組凍融劈裂強(qiáng)度比為81.4%，較B組下降6.1%，可能是高模量劑過量導(dǎo)致混合料過度密實(shí)，內(nèi)部應(yīng)力集中，使得凍融循環(huán)中試件易產(chǎn)生微裂紋，且抗車轍劑摻量過高可能使膠漿黏度過大，影響二次粘結(jié)；D組凍融劈裂強(qiáng)度比為76.8%，僅略高于規(guī)范要求?？管囖H劑摻量不足導(dǎo)致瀝青改性效果有限，高模量劑對密實(shí)度的提升未達(dá)閾值，兩者協(xié)同效應(yīng)較弱。綜上，優(yōu)先選擇B組復(fù)配方案對瀝青混合料改性，其凍融劈裂強(qiáng)度比較高，低溫性能最優(yōu)。

4 施工工藝

4.1 攪拌與運(yùn)輸

復(fù)配改性瀝青混合料的攪拌需嚴(yán)格控制溫度與工藝參數(shù)，集料經(jīng)160-170℃預(yù)熱并恒溫干燥后，依次加入抗車轍劑（PR PLAST S）與70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行分階段拌合。其中，抗車轍劑通過干拌均勻包裹集料表面，隨后注入瀝青形成膠漿，再加入高模量劑HMM-12通過高速濕拌確保充分融合。混合料出料溫度需穩(wěn)定在145-155℃范圍內(nèi)，運(yùn)輸過程中采用保溫罐車覆蓋隔熱層，并控制運(yùn)輸時(shí)間不超過2h，以避免溫度散失影響膠漿流動性與施工質(zhì)量。

4.2 攤鋪與碾壓

攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，復(fù)配改性瀝青混合料溫度需保持在140-150℃之間，攤鋪速度控制在2-4m/min，確保連續(xù)均勻鋪設(shè)；初壓采用雙鋼輪壓路機(jī)在130℃以上完成，碾壓遍數(shù)為2-3遍，靜壓與振動模式交替使用以初步密實(shí)；復(fù)壓階段使用輪胎壓路機(jī)，溫度不低于110℃，碾壓4-6遍，通過揉搓作用提升混合料密實(shí)度與骨架嵌擠效果；終壓采用雙鋼輪壓路機(jī)在90℃以上進(jìn)行1-2遍靜壓，消除輪跡并提高表面平整度。碾壓過程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度，避免低溫碾壓導(dǎo)致混合料開裂或粘結(jié)不良。

5 結(jié)語

通過對抗車轍劑與高模量劑復(fù)配改性瀝青混合料的制備工藝及路用性能進(jìn)行研究，結(jié)合高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性試驗(yàn)分析，結(jié)果表明。

（1）抗車轍劑與高模量劑的復(fù)配可顯著提升混合料的高溫抗車轍能力，其中B組動穩(wěn)定度較基準(zhǔn)組提升155%，雙重協(xié)同作用有效增強(qiáng)粘彈性與剛度。

（2）低溫抗裂性受摻量影響顯著，B組破壞應(yīng)變較基準(zhǔn)組提升32.6%，而高摻量組（C組）因過度剛性化導(dǎo)致低溫性能下降14%，表明摻量需平衡剛性與延展性。

（3）水穩(wěn)定性優(yōu)化以B組最佳，凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)86.7%，這是由于抗車轍劑填充孔隙與高模量劑提升密實(shí)度的協(xié)同效應(yīng)有效阻斷水分滲透，顯著改善抗剝離能力。

參考文獻(xiàn)：

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