D-2抗辙裂剂改性沥青及混合料性能研究

王威 马德崇 樊长昕(山西省交通科学研究院,山西太原 030006）



D-2抗辙裂剂改性沥青及混合料性能研究

王威 马德崇 樊长昕
(山西省交通科学研究院,山西太原 030006）

【摘 要】D-2抗辙裂剂是一种新型高分子化合物,对不同抗辙裂剂掺加量沥青及混合料的综合性能进行研究,动稳定度和抗车辙因子的结果显示抗辙裂剂可有效提高沥青及混合料的抗车辙性能,同时抗辙裂剂对于改善混合料的低温抗裂性能和水稳定性亦有显著影响。经济分析表明,与SBS改性剂相比,D-2抗辙裂剂是一种性价比高的外掺剂。

【关键词】抗辙裂剂 路用性能 作用机理

项目获得“2015山西省基础研究计划青年科技研究基金(2015021074）”支持。

车辙是沥青路面一种特有的损坏现象，它的出现将严重影响路面结构的服务能力。沥青路面车辙的出现导致路面平整度变差，在有较大车辙的路段，车辆方向难以控制，从而对行车的舒适度和安全性产生极为不利的影响[1]。国外许多发达国家80%以上的路面维修、罩面都由车辙引起，车辙的出现使得路面使用性能大大降低、工程维修期提前，由此带来维修费用骤增等诸多弊端[2]。车辙现已成为我国沥青路面最主要的早期损坏问题。

车辙是剪应力作用下沥青混合料塑性流动的结果，其产生的根本原因是由于沥青混合料的抗剪强度不足[3]。研究显示，掺加抗辙裂剂是有效解决车辙问题的手段之一。许多国家通过在不同等级公路中使用抗辙裂剂来提高沥青路面抵抗永久变形的能力。本文对不同掺量德路加D-2抗辙裂剂的路用性能进行综合评价。

1 抗辙裂剂添加剂

德路加D-2抗辙裂剂是一种功能强大的复合型沥青混合料改性剂。与传统的沥青混合料抗车辙剂相比，具有加工工艺先进(传统为物理共混，其为化学接枝）、功能成份多等优点。拌料时可直接加入拌缸中对沥青混合料进行改性。

2 原材料及技术指标

2.1 原材料

鉴于经济性和实用性的考虑，抗辙裂剂掺加量选择为1.5‰、3‰、4‰、5‰，掺加量以占沥青混合料总质量比重计[4]。

试验用矿料来自山西喜跃发路桥建筑材料有限公司；沥青采用壳牌90#道路石油沥青，基本性能见表1；抗辙裂剂采用德路加D-2抗辙裂剂。原材料各项技术性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》。

2.2 混合料组成设计

沥青混合料配合比采用马歇尔试验设计方法，混合料类型采用AC-13型沥青混合料，油石比为4.8%。

3 试验结果分析与讨论

3.1 抗车辙性能

研究证实，沥青混合料的高温稳定性越好，其抵抗交通载荷作用下发生永久变形的能力越强[5]，即抗车辙能力愈佳。许多学者认为，抗辙裂剂可以显著提升沥青及混合料的抗车辙性能[6]。实际中，通常认为动稳定度能够较好地反映沥青路面在高温情况下抵抗形成车辙的能力；理论分析中，沥青的抗车辙因子可以用来表征材料的抗车辙性能。对不同抗辙裂剂掺加量的沥青及混合料分别进行流变(应变值为0.2%，温度区间40-70℃）和车辙试验，从微观和宏观的角度考察抗辙裂剂掺加量对抗车辙能力的影响。

图1和图2的结果表明，沥青混合料动稳定度结果以及沥青的抗车辙因子均随抗辙裂剂掺量的增加而不断增强。证实在试验范围内，抗辙裂剂掺量越多，对沥青及混合料抗车辙性能改善效果越好。抗辙裂剂作为一种高分子材料，在与沥青剪切熔融时能够吸收沥青中部分芳香分和饱和分，起到增黏沥青，提高沥青及混合料劲度模量的作用，可以提高沥青的黏弹性。抗辙裂剂掺量越多，高分子聚合物间的网络结构越牢固。

3.2 低温抗裂性能

沥青混合料的低温性能是指沥青混合料在冬季低温条件下抵抗低温收缩裂缝的能力[7]。SHRP计划的研究认为沥青结合料对沥青混合料的低温抗裂性能的贡献率已达到90%[8]，因此沥青结合料是决定沥青混合料低温抗裂性能的关键。本研究采用小梁弯曲试验用以评价沥青混合料的低温抗裂性能；见表2。

表1 壳牌 90#沥青性能指标

表2 不同抗辙裂剂掺加量沥青混合料低温抗裂试验

表3 不同抗辙裂剂掺加量沥青混合料水稳定性试验

图1 不同抗辙裂剂掺加量沥青混合料动稳定度

图2 不同抗辙裂剂掺加量抗车辙因子分析

整体上抗辙裂剂的加入可以很好的提升沥青混合料的低温抗裂性能。这是由于掺加抗辙裂剂后沥青黏度升高，提升的混合料强度和粘结力可以有效缩短裂缝发展路径，提前终止裂缝扩展的出现。剪切屈服形变通过抗辙裂剂的塑性流动和粘弹性流动需要消耗更多的应变能，从而减弱裂纹快速形成破坏性裂纹或引起裂缝钝化发展的趋势。加入抗辙裂剂改性后，在荷载作用下裂缝趋于沿着混合料与矿料颗粒间界面发展，矿料颗粒及未熔融抗辙裂剂颗粒的出现，使裂缝沿矿料和抗辙裂剂表面发生弯折，从而改变裂缝伸展方向，裂缝扩展路径延长需要吸收更多能量从而起到阻裂作用。

但当掺加量过高时，改善效果呈现下降趋势。这是由于高强度和高模量的材料通常具有较低的断裂韧度，在载荷的反复作用下混合料的抗疲劳能力下降从而产生疲劳裂缝。在低温及反复荷载的耦合作用下，外部载荷的能量可能足以破坏矿料颗粒及混合料固-固界面，穿透裂缝，从而不会引起裂纹的转向和支化，最终导致裂缝的出现。抗辙裂剂掺加量过高时该作用凸显，从而使得混合料低温抗裂性能不升反降。在试验范围内，当抗辙裂剂掺加量为4‰时，沥青混合料低温抗裂性能最佳。

3.3 水稳定性能

研究显示，70%以上路面的损害与沥青混合料的水稳定性有关。根据《公路改性沥青路面施工技术规范》(JTJ036-98)要求，沥青混合料水稳定性指标采用冻融前后劈裂强度比(TSR）和浸水马歇尔残留稳定度(MS）见表3进行评价。

冻融劈裂结果与残留稳定度的试验结果趋势相似。掺加抗辙裂剂沥青混合料的劈裂强度比和浸水残留稳定度均高于基质沥青，可见抗辙裂剂的使用有助于提高沥青混合料的水稳定性能。这是由于抗辙裂剂改性后沥青黏度增加，使得沥青与矿料间的界面强度显著增强，从而有效减弱沥青的脱落并使得水分难于进入油石界面；抗辙裂剂改性后未熔融的抗辙裂剂会在高温下软化，在拌和击实过程中发生形变与集料再次粘结，当温度下降时，抗辙裂剂的重新凝聚起到极大增强整体粘结力的效果；此外抗辙裂剂在混合料中形成的立体网状结构，亦可提高混合料体系的稳定性。

但过高的掺加量反而会使混合料水稳定性变差。这是由于抗辙裂剂的加入虽然可以增强混合料界面强度，但抗辙裂剂中的PE组分会吸附沥青中的轻质油分，使混合料变干变硬，难以压实，混合料空隙率变大致使水分易于进入，混合料内部粘结力遭到破坏，致使混合料抗水损害能力变差。

3.4 改性机理分析

抗辙裂剂分子结构由聚合物主链和接枝于聚合物主链的活性改性基团组成。当它熔融分散于沥青后，其高分子主链间相互缠绕且与活性基团间产生作用力，形成立体交联网状结构，这种立体交联网状结构裹覆于自由沥青上，一方面限制了自由沥青的流动，另一方面借助活性改性基团与沥青中的活性基团发生化学作用，从而形成一种高强度的固化结构，提高了沥青的软化点，降低了温度的敏感性，增加了沥青与骨料的粘附性，从而使成型沥青路面的渗透性大大降低，抗水损害能力大大提高。同时抗辙裂改性剂中活性改性基团与骨料表面易于产生较强作用力，提高了沥青与骨料的粘附力。

3.5 经济效益分析

上述试验结果证实，德路加D-2抗辙裂剂的使用可以很好地提升沥青路面的综合路用性能，实体工程中，德路加D-2抗辙裂剂掺量在3‰就可以显著提升沥青混合料性能，重交通路面领域掺量可增加至4‰。将德路加D-2沥青混合料与SBS改性沥青混合料经济性进行对比，数据如下:

壳牌90#基质沥青—4600元/吨，SBS改性沥青—6200元/吨，德路加D-2高性能沥青混合料外加剂—18000元/吨。

假设高性能沥青混合料用于高速公路中面层，路面宽度22.5m，路面厚度0.06m，混合料毛体积相对密度为2.420g/cm3，抗辙裂剂的掺量为3‰，油石比为4.8%，则铺筑1km高速公路中面层胶结料价格为:

SBS:92.78万元，D-2外掺剂:86.58万元，D-2掺量为4‰时，铺筑1 km高速公路中面层胶结料价格为:92.36万元。

与SBS改性沥青混合料相比，掺量为3‰和4‰时，铺筑1km高速公路路面中面层使用德路加D-2高性能沥青混合料外加剂可以节省造价分别为6.2万元和0.42万元，可见德路加D-2高性能沥青混合料抗辙裂剂是一种性价比高的外掺剂。

4 结语

(1）动稳定度和抗车辙因子的结果显示，沥青及混合料的抗车辙性能随抗辙裂剂掺量的增加而不断增强，其中抗辙裂剂的增黏和网格约束作用对提高沥青及混合料抗车辙能力作用明显。

(2）小梁弯曲试验表明，整体上抗辙裂剂的加入可以很好的提升沥青混合料的低温抗裂性能，但过高的掺加量反而使低温性能下降。

(3）冻融劈裂比与残留稳定度结果证实，抗辙裂剂的使用有助于提高沥青混合料的水稳定性能，但掺加量亦存在最优值。抗辙裂剂的增粘、重新凝聚及网状结构对提升水稳定性起主导作用。

(4）与SBS改性剂相比，铺筑1km高速公路路面中面层使用德路加D-2高性能沥青混合料外加剂可以节省造价6.2万元，可见德路加D-2抗辙裂剂是一种性价比高的外掺剂。

参考文献:

[1]张子贤,杨文海,刘秀平.车辙王抗车辙剂在沥青混合料中的应用[J].公路,2010,(10):186-188.

[2]王万平.抗车辙沥青混合料的试验研究[D].长沙:长沙理工大学, 2010.

[3]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]Bing.Hui,Chao.ZHANG.Analysis of high temperature ability influence factors of anti-rutting agent modified asphalt mixture [C].ICTE 2011:1904-1909.

[5]李志强.抗车辙沥青混合料路用性能研究[D].西安:长安大学, 2012.

[6]梁磊.高模量改性沥青改性机理与混合料性能试验研究[J].山西交通科技,2014,(4):50-52.

[7]徐希娟,伍石生.掺加PR PLASTS抗车辙剂的沥青混合料性能研究[J].公路,2005,(1):156-159.

[8]曾志威.掺抗车辙剂沥青混合料路用性能研究[D].长沙:长沙理工大学,2009.

作者简介:王威(1988—）,女,硕士,助理工程师,研究方向:道路材料研发。