CZW抗车辙剂改性沥青混合料配合比设计与性能研究

陈志毅, 严 超, 方 杨

(1.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心，广州 510420；2.广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

随着我国国民经济的快速增长，汽车数量的大幅增加，尤其是重载、超载车辆数量快速增长，导致公路达不到设计寿命就发生损坏，部分公路甚至建完初期就出现了车辙等早期病害，加之广东省特有的湿热气候，雨水较多，车辙病害结合水损害严重影响了沥青路面的使用性能及行车安全[1～2]。公路沥青路面比较常见的车辙类型可以分为以下几种[3]：(1)结构性车辙；(2)失稳性车辙或者流动性车辙；(3)磨耗性车辙；(4)压密形变。改善沥青路面早期易出现车辙等问题，除了调整路面结构及原材料等措施以外，通过添加抗车辙剂等高聚合物对沥青混合料进行改性也是常用方法之一[4]。

目前市面上抗车辙剂外加剂种类繁多，对沥青混合料的性能提升效果也是各有不同，针对特殊气候、交通荷载环境的沥青路面的高温抗车辙性能并未取得更有效的提升效果，甚至部分抗车辙剂一味改善混合料的高温抗车辙性能，忽略了混合料的水稳定性、低温抗裂等其他路用性能[5]。因此，针对广东地区在高温重载条件下的沥青路面易出现车辙、推移拥包等早期损坏，尤其是长大陡坡段的路面车辙等病害，本文对比研究了70号普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料和CZW抗车辙剂改性沥青混合料的路用性能。

1 原材料

1.1 沥青

沥青为壳牌(佛山)有限公司生产的70号普通沥青和SBS改性沥青。沥青检测指标见表1和表2。从表中可以得出，70号普通沥青和SBS改性沥青均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[6]要求。

表1 70号沥青检测指标

续表1

10℃延度/cm ≥1524.2软化点(R&B)/℃≥4647.5闪点/℃≥26033525℃相对密度实测记录1.03560℃动力黏度/(Pa·s)≥180191旋转薄膜加热后残留物质量变化/(%)-0.8～+0.8-0.044残留针入度比/(%)≥6175.010℃残留延度/cm≥66.315℃残留延度/cm实测记录35.9

表2 SBS改性沥青检测指标

1.2 集料

采用廖坑石场生产的粗集料，集料规格分别为S9(10～20mm)、S12(5～10mm)、S14(3～5mm)碎石；细集料采用廖坑石场生产的S16(0～3mm)石屑。粗、细集料的密度和筛分详见表3和表4。

表3 粗、细集料密度试验结果

表4 粗、细集料筛分试验结果

1.3 填料

填料采用从化吕田矿粉，密度和筛分试验结果见表3和表4。

1.4 抗车辙剂

抗车辙剂采用CZW抗车辙剂，掺量为70号普通沥青混合料质量的0.4%。

2 沥青混合料配合比设计

2.1 矿料级配设计

本文采用马歇尔设计方法设计CZW抗车辙剂改性沥青混合料配合比时，重点考虑沥青混合料的抗高温、抗水损害等性能，在广东省特有的气候、交通特征基础上，结合已有经验，选取最优方案。矿料筛分及合成级配见表5。

表5 GAC-20沥青混合料矿料筛分及合成级配

2.2 马歇尔试验结果

CZW抗车辙剂改性沥青混合料成型温度按照改性沥青混合料规范成型温度，不同油石比下，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的马歇尔试验结果如表6所示。

表6 CZW抗车辙剂改性沥青混合料马歇尔试验结果

2.3 沥青最佳用量

由表6中的沥青用量与各项马歇尔指标的关系可得曲线，如图1所示。

图1 GAC-20抗车辙剂改性沥青混合料配合比确定沥青用量

根据曲线图可知，密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率(4.3%)以及饱和度范围中值对应的沥青用量分别为a1=4.72%、a2=4.10%、a3=4.20%、a4=4.30%。

其中，OACmin=4.10%，OACmax=4.60%；

OAC1=(a1+ a2+a3+a4)/4=4.33%；

OAC2=(OACmin+OACmax)/2=(4.10%+4.60%)/2=4.35%；

OAC=(OAC1+OAC2)/2=(4.33%+4.35%)/2=4.34%；

即最佳沥青含量为4.34%，最佳油石比为4.54%，取整为4.5%。

2.4 最佳油石比马歇尔试验结果

最佳油石比4.5%下马歇尔试验结果见表7。由表7可见，设计制备的CZW抗车辙剂改性沥青混合料马歇尔各项指标均满足规范要求。

表7 最佳油石比马歇尔试验结果

3 性能对比试验

3.1 高温稳定性

相关规范规定，沥青混合料高温性能采用车辙试验进行检验评价，车辙试验评价指标为动稳定度[7]。但由于全国不同地区气候及交通荷载差别很大，尤其广东地处湿热地区，夏季路面温度高达70℃以上，越来越多的重型车轮胎接地压强高达0.9MPa以上，仅仅采用规范中车辙试验条件(压强0.7MPa，温度60℃)并不能全面判定当地沥青混合料的抗车辙性能。为更有效地评价广东湿热重载地区沥青混合料的高温抗车辙性能，在规范车辙试验条件下，增加另外两种试验条件：浸水车辙试验(0.7MPa，60℃)和高温重载车辙试验(0.9MPa，70℃)。车辙试验结果见表8。

表8 车辙试验结果

由表8可以看出，在规范车辙试验条件下，70号普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料和CZW抗车辙剂改性沥青混合料动稳定度均符合规范要求，且CZW抗车辙剂改性沥青混合料车辙试验动稳定度符合《沥青混合料改性添加剂 第1部分：抗车辙剂》(JT/T 860.1-2013)技术要求(0.3%抗车辙剂掺量≥6 000次/mm)[8]；在浸水车辙试验条件下，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的车辙试验动稳定度符合JT/T 860.1-2013技术要求(≥6 000次/mm)；在高温重载车辙试验条件下，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的车辙试验动稳定度达3 848次/mm，接近JT/T 860.1-2013技术要求(≥4 500次/mm)。

三种沥青混合料在不同车辙试验条件下的动稳定度差别较大，在规范车辙试验条件下，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的动稳定度是70号普通沥青混合料的6倍，与SBS改性沥青混合料相当；在浸水车辙试验条件下，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的动稳定度是70号普通沥青混合料的7.3倍，是SBS改性沥青混合料的0.8倍；在高温重载车辙试验条件下，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的动稳定度是70号普通沥青混合料的13倍，是SBS改性沥青混合料的1.3倍。

综合而言，在高温抗车辙性能上，CZW抗车辙剂改性沥青混合料>SBS改性沥青混合料>70号普通沥青混合料。

3.2 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对沥青混合料的抗水稳定性能进行评价研究[9]。其中浸水马歇尔试验评价指标为残留稳定度=浸水48h稳定度/浸水0.5h稳定度×100%；冻融劈裂试验评价指标为残留强度比=冻融循环后劈裂抗拉强度/未冻融循环劈裂抗拉强度×100%。结果分别见表9和表10。

由表9和表10可知，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的残留稳定度、残留强度比分别为94.5%、88.8%，均满足规范要求，与70号普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料水稳定性能相当。

表9 浸水马歇尔残留稳定度试验结果

表10 冻融劈裂试验结果

4 结论

(1)浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果表明，CZW抗车辙剂改性沥青混合料具有良好的水稳定性，残留稳定度、残留强度比分别为94.5%、88.8%，与SBS改性沥青混合料水稳定性能相当。

(2)车辙试验结果表明，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的高温性能较好，添加CZW抗车辙剂可大幅提高70号普通沥青混合料的高温稳定性能，与SBS改性沥青混合料的高温稳定性能相当。尤其在高温重载条件下，CZW抗车辙剂改性沥青混合料的动稳定度是70号普通沥青混合料的13倍；是SBS改性沥青混合料的1.3倍。

(3)CZW抗车辙剂改性沥青混合料路用性能良好，尤其适用于高温多雨、重载交通等特殊地区，具有较好的推广应用价值。