LY抗车辙剂在特殊环境下的混合料性能

李晓娟, 李 渊, 奚龙飞

(1. 西安公路研究院, 陕西 西安 710065; 2. 中交二公局第三工程有限公司, 陕西 西安 710016; 3. 中国市政工程西北设计研究院有限公司 道桥所, 甘肃 兰州 730000)

随着公路交通行业的快速发展,由于货车超载而引发的事故频频发生,全球变暖现象日益严重,这些问题都对路面抗车辙性能提出了更高要求.考虑到未来交通量的增长,必然对路面的抗车辙性能提出更高的要求.基于此,我国道路科研人员开始对抗车辙剂的性能进行研究[1-5].通过借鉴国外对抗高温车辙病害的经验，以及对路孚8000抗车辙剂、法国PR抗车辙剂和壳牌公司抗车辙剂进行沥青混合料高温性能的对比试验，国内多家高校及科研单位研发出不少品种的抗车辙剂[6-8].本研究中笔者选用北京紫瑞天成科技有限公司研发的LY抗车辙剂,这是一种经过特殊生产工艺提炼得到的粒状聚合物添加剂.为验证LY抗车辙剂对沥青混合料抗高温性能的改善效果,笔者分别对高温重载、高温浸水和不同碾压次数等较苛刻条件下掺加LY抗车辙剂的沥青混合料抗车辙性能进行研究探讨.

1 原材料的选择

采用的沥青、集料和矿粉指标要求满足 JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求.

1.1 沥 青

采用的沥青为SBS(1-C)沥青和克拉玛依90#改性沥青,其技术指标见表1.

表1 沥青的技术指标

1.2 集 料

粗集料和细集料均为玄武岩,矿粉为优质石灰岩磨细制成的.表2为粗集料的技术指标.表3为矿粉的技术指标.

表2 粗集料的技术指标

表3 矿粉的技术指标

1.3 LY抗车辙剂

抗车辙剂添加到混合料中可以有效改善和提高沥青混合料的高温稳定性能,其主要成分是高分子聚合物和沥青.

笔者采用新型抗车辙剂LY,其物理技术指标如表4所示.

表4 LY抗车辙剂的物理技术指标

2 高温和重载下的混合料抗车辙性能

2.1 高温条件

当气温小于38 ℃时路面几乎不会产生明显车辙,而当气温超过38 ℃时车辙病害就会变得明显;交通量相同时,温度持续增加会使车辙损坏成倍增长[9-10].笔者用70 ℃高温车辙试验模拟研究夏季路面高温条件下的抗车辙性能,采用试验温度分别为60 ℃和70 ℃时添加0.4%LY的改性沥青混合料、SBS 改性沥青混合料及基质沥青混合料等3种沥青混合料的动稳定度比值,分析高温对3种混合料抗车辙性能的影响程度.试验结果如表5所示.

表5 不同温度条件下动稳定度的试验结果

由表5可知:当温度上升10 ℃时,3种混合料的动稳定度均大幅度下降,表明温度对混合料的高温性能影响显著;由于3种混合料所用胶结料和掺加抗车辙剂的情况不同,动稳定度降低幅度差异较大;3种混合料动稳定度比依次为53.7%,47.8%和40.5%;随着温度升高,基质沥青混合料的耐高温性能最差,SBS改性沥青混合料次之,添加0.4%LY抗车辙剂混合料动稳定度比最大,说明LY抗车辙剂能够更好地提高混合料的高温抗变形能力.

当试验荷载一致时,混合料中的胶结材料随着温度升高逐渐达到软化点,胶结材料软化后,必然导致混合料稳定性下降.区别在于不同的胶结料软化点不同,所表现出来的高温性能也会不同.从LY抗车辙剂自身特性考虑,其软化点较高,且在混合料拌和过程中添加,可以快速融化分散,达到对沥青进行一定程度的有效改性,从而增强沥青与集料间的相互黏附,同时由于LY抗车辙剂受热,在沥青中形成纤维网状结构,可以对混合料产生一定的约束作用,进而改善沥青混合料高温性能.

2.2 重载条件

由于存在货车严重超载现象,在超载大货车常走的高速公路外侧行车道上存在严重的车辙病害.为探讨重载条件下沥青混合料高温抗车辙性能,将试验荷载调整为1.1 MPa,试验温度保持60 ℃,利用荷载分别为0.7 MPa和 1.1 MPa时不同混合料动稳定度比来验证他们在超载条件下的抗车辙性能.动稳定度比计算式为

式中:DS为动稳定度;DR为荷载分别为1.1 MPa和0.7 MPa时动稳定度的比值.

不同试验荷载条件下3种沥青混合料的动稳定度试验值见表6.

表6 不同试验荷载条件下动稳定度的试验值

由表6可知:在温度保持不变的情况下,将试验荷载从0.7 MPa增加到1.1 MPa,混合料的动稳定度出现显著下降;不同混合料类型的下降程度不同,这说明混合料性能可以影响混合料的重载抗车辙能力;2种荷载下,表现最好的是添加0.4%LY 改性沥青混合料,动稳定度比达到了65.1%,SBS 改性沥青混合料次之,基质沥青混合料最差,从这一点可以看出,SBS改性沥青和掺0.4%LY抗车辙剂都能提高重载下的抗变形能力,而LY抗车辙剂表现最佳.

3 浸水车辙试验

3.1 试验方案

JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定,车辙试验是在荷载为0.7 MPa、温度为60 ℃的条件下来模拟研究沥青路面的抗车辙能力,没有水的参与.但是公路长期处在室外环境中,会遭遇各种复杂气候条件,夏季高温条件下有雨水渗入路面中,同时受到车辆荷载的综合作用,无疑会造成更为严重的影响.笔者用2种工况下的浸水车辙试验来模拟浸水后的路面车辙变形:工况(1)为先将试件冷却数小时后,烘箱恒温60 ℃,保温6 h,随后在60 ℃水槽中进行浸水车辙试验;工况(2)为将试件冷却12 h,然后在60 ℃水浴中放置6 h,再取出进行常规车辙试验.通过浸水与常规车辙试验,对比有无水、高温条件下3种材料的抗车辙性能.

3.2 试验结果及分析

用残留动稳定度表征不同条件下混合料的高温浸水抗车辙能力,3个试验数据见表7.

表7 不同车辙试验动稳定度的试验结果对比

由表7可知,3种材料在浸水以后的抗车辙性能都出现降低,但浸水车辙试验(1)相较于浸水车辙试验(2)下降得要多.浸水车辙试验(1)全程都有水的参与,基质沥青混合料、添加0.4%LY改性沥青混合料及SBS 改性沥青混合等3种混合料的残留动稳定度分别为54.6%,58.9%和60.0%,与常规车辙试验相比均出现了动稳定度大幅度的降低,其中SBS改性沥青混合料在高温浸水条件下的抗车辙性能略高于添加0.4%LY改性沥青混合料,说明SBS改性沥青混合料在高温条件下的水稳定性能要略好于添加0.4%LY改性沥青混合料,但两者相对于基质沥青混合料都有较大提升,说明添加LY的沥青混合料可以提升其在高温与水综合作用下的抗车辙能力.

浸水车辙试验(2)中,基质沥青混合料、添加0.4%LY改性沥青混合料以及SBS改性沥青混合料的残留动稳定度分别为65.3%,70.9%和75.3%,与浸水车辙试验(1)相比动稳定度降低幅度略小.综上,沥青混合料高温性能的外部影响因素除了温度、荷载外,水的存在也是必须要考虑的,同时添加LY抗车辙剂对提高混合料的高温、荷载和水综合作用下抵抗永久变形能力有积极的效果.

4 碾压次数对抗车辙性能的影响

普通车辙试验的试件一般往返碾压24次即可,但在沥青混合料中按一定比例添加抗车辙剂LY后,会使混合料中的沥青胶结料黏度增大,因此要增大压实功来保证密实度.在碾压机械不变的情况下,可通过增加碾压次数的方式来实现.

试验时,除了要保证油石比相同,还应尽量保证拌和时间、温度等条件相同.将分别碾压24,36和48次后成型的添加0.4%LY改性沥青混合料试件进行常规车辙试验.表8为不同碾压次数下添加0.4%LY改性沥青混合料动稳定度的试验值.

表8 不同碾压次数下动稳定度的试验值

由表8可知:随着碾压次数增多,混合料的动稳定度也不断上升;从碾压24次增加到36次时,动稳定度急剧增大,比碾压24次时的动稳定度增加了12.5%;从碾压36次增加到48次时,动稳定度涨幅较小,比碾压36次时的动稳定度增加了2.2%.对比可知,碾压次数增加可有效地提高混合料的动稳定度,但超过最佳碾压次数后,对动稳定度的提高效果非常微小.这可能是由于适当增加碾压次数可以减小混合料的空隙率,从而提高动稳定度,但当增加一定次数后,混合料将变得足够密实,因此再继续增加碾压次数将不再有明显效果.综上可知,碾压36次左右对于提高0.4%的LY改性沥青混合料的抗车辙性能有较好的效果.

5 结 论

1) 当试验温度为70 ℃时,测试0.4%LY改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料和基质沥青混合料的高温抗车辙性能,以动稳定度作为评价指标,可以看出在较高的温度下,0.4% LY改性沥青混合料表现最好,SBS改性沥青混合料次之,基质沥青混合料表现不太理想.

2) 将试验荷载由原来的0.7 MPa改成1.1MPa来模拟测试重载环境下3种材料的抗车辙性能,从动稳定度比可以看出,三者的抗车辙能力从大到小依次为添加0.4%LY抗车辙剂的改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料及基质沥青混合料.

3) 通过2种浸水车辙试验和常规车辙试验进行对比,用残留稳定度表征混合料的高温抗车辙性能.试验结果表明:水的存在对混合料高温抗车辙性能带来较大影响,且浸水状况越复杂,其影响越大;3种混合料中,SBS改性沥青混合料性能最佳,0.4%LY改性沥青混合料性能次之,与基质沥青混合料相比,两者性能都有较明显提升.

4) 增加碾压次数可以提升LY改性沥青混合料的抗车辙能力,但有一个最佳碾压次数,超过最佳碾压次数后提升效果不明显.试验结果表明,使得0.4%LY改性沥青混合料的高温抗车辙性能最好的碾压次数是36次.

5) 通过室内试验研究混合料在各种特殊环境下的高温抗车辙性能.相比之下,掺加LY抗车辙剂的沥青混合料能全方位提升混合料在特殊环境下的抗车辙能力,尤其在外部环境恶劣的地区值得推广使用掺加LY抗车辙剂的沥青混合料.