复合增效型沥青混合料设计及性能研究

夏泽沛

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610017)

0 引言

解决现有车辙问题是高速公路养护的关键[1]。对于高速公路车辙维修养护技术，国内外虽然已进行了不少相关研究，也取得了一些相关研究成果，如采用抗车辙剂和使用SBS改性沥青等，但仍然存在一些问题没有得到彻底地解决[2]，比如：

(1)抗车辙剂等材料虽然可以改善沥青混合料的抗车辙性能，但添加抗车辙剂需要额外提高沥青混合料的生产温度，性能尚可而环保不足；(2)SBS掺量、储存稳定性、高温生产、高排放、施工和易性等各个因素之间形成矛盾，常规SBS改性沥青已不能满足在一些特殊路段重载交通对沥青胶结料的性能要求；(3)与新建工程不同，养护工程一般没有特定的现场拌合楼，养护施工材料一般只能选择就近供料，且运距较长，常规的沥青混合料类型难以满足施工养护的要求。

本文拟研究的复合增效型沥青混合料就是基于上述问题所提出的。(1)提高沥青胶结料的高温PG等级，进而提高沥青路面的抗车辙性能50%～100%。(2)具有较为明显的降温特性，约降温30℃，可以改善沥青混合料的施工和易性，减少压实次数，延长可施工时间，适合作为薄层加铺的沥青混凝土材料。此外，生产温度降低意味着沥青混合料生产能耗的降低，同时大大减少了有害气体的排放，从而起到绿色环保的效果。(3)复合增效剂可以提高沥青混合料的高温性能，又能降低施工温度。工程造价从整体上来说比单一改性沥青混合料减少很多，具有极大的经济效益[3]。为了便于科学地指导其工程应用，需要对其作用机理以及对沥青混合料的影响进行深入研究。本文首先采用差热分析试验对其受热熔融情况进行分析，以了解其熔融峰的出现温度，方便施工温度的调整；其次，就其对沥青常规指标的影响进行研究，了解其影响趋势，作为混合料设计的参考和优化；最后，根据其特性，进行混合料的设计和路用性能的评价。

1 复合增效剂作用机理及对沥青性能的影响

1.1 复合增效剂的差热扫描分析

外掺剂的性能直接影响混合料的使用效果，而性能又由其化学组成来决定。一般而言，外掺剂的化学组成不对外公开，但对于聚合物改性添加剂可通过差热扫描量热法试验(Differential Scanning Calorimetry，简称DSC)来对其熔融温度及热熔进行测定[4]。利用DSC分析方法，可以从能量变化角度考察外掺剂在温度变化过程中的组成与结构微观变化。在进行DSC分析时，外掺剂中各组分的吸收峰重叠在一起形成一个温度范围很宽的吸收峰，峰的大小和位置反映了外掺剂组成与结构的微观性质。

熔融是指聚合物从固态向具有不同黏度的液态的转变，在DSC曲线上表现为吸热峰。熔融焓是指在恒压下，材料熔融所需要的热量，熔融焓越大，表明聚合物熔融所需吸收热量越大，反之亦然。通过对比DSC曲线，并计算相应焓值，可表征不同聚合物外掺剂在混合料生产时，正常时间内通过熔融改性，形成稳定内部结构的难易程度。即焓值越大，在常规生产时间内越难形成稳定结构，其改性效果也越差[5]。

试验对象：两种外掺剂——复合增效剂A和PR.M。

试验条件：取6 mg左右样品(精确至0.01 mg)置于仪器内，从50 ℃以20 ℃/min的升温速率加热至300 ℃，实时记录DSC曲线。

试验结果如图1所示：

(a)

(b)图1 两种外掺剂DSC曲线图

从试验结果来看：

复合增效剂的熔融峰峰值温度为135℃，且只出现一个熔融峰；而PR.M出现了两个熔融峰，第一个峰值约为126 ℃，第二个峰值约为161 ℃。从中可以看出复合增效剂的成分较为单一，PR.M成分中含有两个不同熔融点的组分团，其中第二个组分团对施工不利，施工工艺应进行调整。采用复合增效外掺剂，在施工时最低拌合温度应不低于135 ℃，为保证质量，推荐在140 ℃以上。

1.2 复合增效剂的作用机理

复合增效型添加剂的主要成分为分子量在10 000～15 000的高分子聚烯烃。其有机成分调节剂可以调整沥青各组分比例以及分子量的分布，从而实现提高高温抗车辙和降低拌合温度的复合特性。即当温度升高时，复合增效剂中的长链脂肪烃通过吸附沥青中与它本身结构相近似的饱和组分产生溶胀，溶解形成稳定不离析的溶液，加速沥青熔化，进而降低其运动黏度；当温度降低时，复合增效剂在沥青中形成网状的晶格结构，进而锁定这些饱和组分，增加沥青稳定性，提高其抗车辙性能，从而达到复合增效的作用[6]。它不同于Evotherm基于降低表面活性温拌技术和Sasobit合成蜡的降粘温拌机理[7]。

1.3 复合增效剂对沥青的影响研究

本文就复合增效剂对沥青胶结料的性能影响进行了研究，采用沥青为壳牌70#(PG64-22)，其常规指标见表1；复合增效剂采用A，掺量为内掺2%。

表1 复合增效剂对沥青指标的影响数值表

添加时先将基质沥青加热到140 ℃～150 ℃，掺加一定剂量的复合增效剂，保持150 ℃剪切60 min，掺加前后指标变化如图2～4所示：

图2 复合增效剂对沥青指标的影响示意图

图3 不同掺量复合增效剂对沥青指标的影响示意图

图4 与SBS改性沥青黏度的比较示意图

上述结果表明，复合增效剂能明显提高沥青胶结料的60 ℃黏度和软化点，但是对于135 ℃黏度反而有减少的趋势。与相同掺量下的SBS改性沥青相比，其高温黏度亦更低。

2 复合增效型沥青混合料设计及应用思路

针对复合增效材料高温降粘、低温增粘的特点，本文借鉴法国超薄磨耗层的级配设计理念以及国内相关应用实践[8]，进行了复合增效型沥青混合料的设计，并对其路用性能进行了相应研究。其级配图如图5所示，其中MAC-10级配介于传统AC和SMA之间，MAC-13级配则与传统的AC-13型级配差别不大。MAC-10和MAC-13油石比分别采用5.5%和5.1%，采用100次旋转成型空隙率分别为4.6%和3.5%。

图5 复合增效型沥青混合料级配示意图

3 复合增效型沥青混合料性能研究

复合增效剂的添加，一方面极大提高了沥青胶结料在60 ℃时的黏度，而60 ℃黏度与沥青混合料的高温抗车辙性能密切相关，从而改善沥青混合料的高温抗车辙性能；另一方面降低沥青胶结料在施工拌合时的高温黏度，从而可以有效降低摊铺温度，改善了改性沥青混合料的施工和易性，使得改性沥青混合料易于压实成型。同时，生产能耗和温室气体排放也将大大减少。复合增效剂采用“直投式”生产，无需对拌合楼进行改装，施工便利。本文对其混合料的路用性能进行了试验评价。

3.1 高温稳定性

采用车辙试验对不掺添加剂和掺加0.35%复合增效剂的混合料高温性能进行对比分析，如图6所示，沥青胶结料采用PG70-22改性沥青。对于MAC-10型改性沥青混合料，添加0.35%复合增效剂后车辙动稳定度由4 735次/mm增加到8 735次/mm，而MAC-13型沥青混合料则由5 728次/mm增加到9 770次/mm，可见，复合增效剂对沥青混合料的高温性能改善明显。

图6 复合增效剂对混合料高温性能的影响对比柱形图

3.2 降温特性

借鉴美国NCHRP 9-44的研究成果[9]，采用降温压实比R对沥青混合料的温拌效果进行评价。R根据下式进行计算得到：

其中：R——降温压实比，通常≤1.25；

(N92%)T——压实温度T时，室内试件达到92%理论压实度的旋转压实次数；

(N92%)T-30——压实温度在T-30 ℃时，室内试件达到92%理论压实度的压实次数。

本文还对比了普通沥青混合料和掺加改性剂的复合增效型沥青混合料的压实次数结果，如图7所示。

图7 不同温度下达到92%理论密实度的旋转作用次数对比(MAC-13)柱形图

从图7可以看出，同一温度下，复合增效型沥青混合料达到92%理论密实度的旋转作用次数，比普通沥青混合料要少。从降低30 ℃的压实作用结果来看，其降温压实比R=13/11=1.18，满足规范≤1.25的要求。在MAC-13混合料中添加复合增效剂后，不同成型温度对混合料空隙率和抗水损害性能影响如图8所示。

图8 不同温度下复合增效剂对混合料性能指标的影响(MAC-13)曲线图

由图8可以看出，复合增效型沥青混合料的空隙率由165℃成型时的2.72%，增加到145 ℃下成型时的3.15%，但其冻融劈裂强度比仍满足规范要求(≥85%)，表明降低成型温度后，仍具有较好的抗水损害性能。上述结果表明，复合增效剂具有较好的降温效果，能极大地改善沥青混合料的压实特性，适合用于高速公路薄层类养护方案的实施。

3.3 抗水损害性

按照规范标准，采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验对添加复合增效剂前后的沥青混合料水稳定性进行验证，结果如图9所示。

图9 复合增效剂对混合料水稳定性能的影响(MAC-13)柱形图

从浸水马歇尔试验结果可以看出，其稳定度比由91.2%提高到98.3%；冻融劈裂试验的TSR值也由83.2%提高到91.8%。表明在添加复合增效剂后，对混合料抗水损害性能也有所改善。

3.4 低温性能

通常高温性能好的沥青混合料由于其较高的模量值，往往具有较差的低温性能。复合增效剂能够有效提高沥青混合料的高温性能，其对低温性能的影响也值得关注。良好的高低温性能是保证沥青混合料耐久性的基本要求。本文通过低温小梁弯曲试验进行了验证，试验结果见图10。试验结果表明，MAC-13型混合料掺加了0.35%复合增效剂后，其低温弯曲应变略有降低，但总的来看，影响不大。

图10 复合增效剂对混合料低温性能的影响(MAC-13)柱形图

4 结语

课题通过对复合增效剂的差热分析，确定了其熔融温度范围；结合其高温降粘、低温增粘的特点，进行了两种混合料的设计，即MAC-10和MAC-13。复合增效型沥青混凝土MAC-10具有：(1)易于压实，具有较好的表面特性；(2)增加胶结料黏度，提高高温抗车辙性能，具有复合增效特点；(3)增加路面厚度，对结构进行补强，起到预防性养护的作用；(4)材料组成和施工简单，无需对拌合楼进行改装。复合增效型沥青混凝土MAC-13具有材料特性同MAC-10,并可对≥14 mm较深的车辙进行处治；可解决已有的表面层贯穿的裂缝和龟裂；且表面抗滑较好。同时就复合增效剂对混合料的路用性能和降温特性影响进行了研究。结果表明，复合增效剂能对沥青混合料的高温性能和施工压实性能改善明显；对水损害性能有一定提高，对低温性能影响不大。复合增效型沥青混凝土MAC-10适用于车辙较小，采用浅铣刨后的填补，或者采用超薄罩面的预防性养护；复合增效型沥青混凝土MAC-13适用于车辙较大或者表面层贯穿裂缝的铣刨重铺。