新型生物基改性沥青混合料高温性能试验研究

2021-03-17韦明余芳

西部交通科技 2021年12期

韦明　余芳

摘要：为了贯彻绿色交通发展理念，解决广西沥青路面高温性能问题，文章拟将一种环保的新型生物基改性剂（BFL-RS01）加入到沥青混合料中，并通过车辙试验、单轴贯入试验等研究BFL-RS01对混合料高温性能的影响。结果表明：加入BFL-RS01后，动稳定度及无侧限单轴贯入强度明显上升，说明其对沥青混合料高温性能的改善作用效果显著，同时降低了沥青混合料动稳定度的荷载敏感性;掺加BFL-RS01的沥青混合料，在各种高温条件下的稳定性明显高于普通沥青混合料，说明该改性剂能较好抵抗高温天气的影响。

关键词：新型改性剂;沥青混合料;高温性能

中国分类号：U416.03文章标识码：A

0 引言

瀝青路面以行车舒适、修建速度快等优点在高速公路建设中应用广泛[1]。随着公路交通量及超载车辆的日渐增多，且部分汽车的单轴重达到20 t及以上，从而导致轮胎接地压强达到1.0 MPa以上，远远超出沥青路面0.7 MPa的设计荷载。由于广西地区夏季炎热，沥青路面地表温度最高超过60 ℃[2]，又由于超载车辆行驶速度较慢，荷载作用时间长等因素的作用，沥青路面容易出现车辙等病害，因此对于沥青路面高温性能的研究就显得尤为重要。

谭继宗等[3]基于贝雷法、CAVF法、经验法所设计的沥青混合料进行车辙试验和单轴贯入试验，通过贝雷法和级配分形法进行级配评价，结合级配评价指标分析级配对混合料高温性能的影响。张飞等[4]通过温拌前后不同目数的胶粉改性沥青混合料在40 ℃、50 ℃、60 ℃下的三轴重复加载蠕变试验研究温拌沥青混合料中橡胶粉的目数及温拌剂对胶粉改性沥青混合料高温性能的影响。王枫成[5]通过掺加红油增塑剂、C9石油树脂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）改性剂制备不同类型改性沥青，采用沥青针入度、旋转黏度、动态剪切流变、多应力蠕变恢复、弯曲梁流变等试验对其高低温及感温性能进行研究，并与基质沥青进行对比分析。陈渊召等[6]通过DSR试验、BBR试验和布洛克菲尔德黏度计法试验分析纳米氧化锌改性沥青路用性能，发现纳米氧化锌改性沥青混合料的高温稳定性的最佳浓度为4%。王岚等[7]基于流变学与粘弹性理论研究温拌改性沥青的高温、水稳等性能，并通过层次分析法（AHP）对评价沥青高温性能指标的[WTBX]ε1/[WTBX]ε2、[WTB1X]Gv、Z（粘弹指标）进行对比分析发现，粘弹指标具有[JP+1]最大的权重，推荐使用[WTB1X]Z来评价温拌胶粉改性沥青高温性能。郭咏梅等[8]采用多应力蠕变恢复（MSCR）试验，发现SBS改性沥青、高强沥青等的高温性能受到温度和应力的双重作用。

因此，为解决广西沥青路面高温稳定性问题，本文拟在AC-13沥青混合料中掺入一种环保的新型生物基改性剂BFL-RS01，通过沥青混合料的车辙试验及单轴贯入试验研究此种环保材料对改性沥青的高温稳定性的影响。

1 原材料

1.1 沥青

采用70#基质沥青及SBS改性沥青进行对比研究，按试验规程[9]检测各项技术指标，结果如表1所示，其性能试验结果均符合广西地域潮湿高温的气候条件。

1.2 集料

由于广西属于亚热带高温潮湿地区，夏季炎热时间长，年降雨量>1 000 mm，而选择适合的粗集料可使沥青混合料获得更好的路用性能[10]。因此，采用强度高、多棱角、耐磨、水稳定性好的辉绿岩作为沥青混合料中的粗集料。粗集料产自广西百色某采石场，表面无裂纹、质地均匀、深灰黑色，粒径为5～10 mm及10～15 mm两档。细集料采用广西南宁某采石场的粒径为0～5 mm石灰岩石屑，无风化、粉尘含量低。按《公路工程集料试验规程》[11]对集料进行技术性能试验，结果如表2、表3所示。根据《公路沥青路面施工技术规范》[12]中用于潮湿地区高等级道路沥青路面表面层的集料技术标准可知，所用粗、细集料均符合要求。

1.3 矿粉

本次研究采用石灰岩矿粉，其性能测试结果见表4，各项指标符合要求。

1.4 改性剂BFL-RS01

为了改善普通沥青混合料的高温性能，本文采用一种新型生物基改性剂BFL-RS01。这是一种环保材料，其有效成分主要来源于造纸废液中的纤维素，并加入少量高分子聚合物混合制备而成[13]，其与沥青相容性好，性能稳定，且在混合料中具有较好的分散性，其技术性能指标如表5所示。

2 沥青混合料配合比设计

2.1 集料合成级配

按照AC-13要求进行，实测集料合成级配如表6所示。

2.2 改性剂BFL-RS01最佳用量的确定

按照马歇尔标准试验法确定AC-13的最佳油石比。根据规范推荐及经验，从3.5%的油石比开始，以0.5%为增长幅度制作5组试件，通过测试沥青混合料的[WTBX]ρ[WTB1X]f、VMA、VFA、VV、MS、FL六大指标后，确定采用70#基质沥青的AC-13最佳油石比为4.7%。

确定最佳油石比后，在70#基质沥青拌和的AC-13混合料中分别加入浓度为0、0.2%、0.4%、0.6% 的改性剂BFL-RS01进行马歇尔试验。新型生物基BFL-RS01改性沥青混合料用“直接投放法”拌和，即先将集料加热至170 ℃并拌和30 s，后投入改性剂与集料继续拌和15 s，再加入160 ℃的沥青及矿粉拌和90 s即可。拌和好的沥青混合料未见改性剂颗粒，说明该改性剂有较好的分散性和相容性。采用SBS改性沥青混合料为对比试验，试验结果如表7所示。

由表7可得，BFL-RS01掺量由0增至0.6%时沥青混合料空隙率由4.8%降至4.2%，混合料的稳定度也随着改性剂的加入而得到提高，但掺量的增加并不能使稳定度持续提高。综合考虑各方面因素，后续沥青混合料的高温性能试验（车辙试验、单轴贯入试验）将使用无改性剂、0.4%掺量的BFL-RS01、SBS改性沥青三种情况进行对比试验。

3 试验结果及分析

3.1 抗重载性能

车辙试验是研究沥青混合料高温性能的常规方法。为了模拟日益严重的超载情况，分别采用碾轮与试件的接触压强0.7 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa进行车辙试验，结果如图1所示。

由图1可得三种沥青混合料动稳定度与荷载回归曲线见表8。

结合图1、表8可知：

（1）接触压强的增加使得混合料的动稳定度值出现较大幅度下降，三种混合料在接触压强增加了0.3 MPa的情况下，动稳定度分别下降了61.0%、41.3%和43.7%。

（2）在加入改性剂BFL-RS01后混合料的动稳定度显著提高，说明该改性剂改善沥青混合料的高温性能非常明显，且BFL-RS01改性沥青混合料在重载下的动稳定度与SBS改性沥青混合料相当。

（3）尽管随着荷载的增加，沥青混合料的动稳定度呈线性趋势下降，但相对于SBS改性沥青混合料，BFL-RS01改性剂的加入，不仅提高沥青混合料动稳定度的绝对值，同时也降低沥青混合料动稳定度的荷载敏感性，改善其高温性能。

3.2 不同温度作用下的车辙试验

据调查，夏季广西南宁的沥青路面极端地面温度超过70 ℃[14]，因此试验方案设计采用60 ℃、65 ℃、70 ℃三种温度进行车辙试验进行对比分析，试验结果如下页图2所示。

由图2得三种沥青混合料动稳定度与温度回归曲线见下页表9。

结合图2、表9可知：

（1）温度的增加使沥青混合料的高温性能有所下降，当温度增加10 ℃，混合料动稳定度分别下降了54.9%、32.4%和35.2%，说明随着温度提升，其对沥青路面性能的损害越大。

（2）虽然温度升高时动稳定度下降，但是在温度达到70 ℃时，加入改性剂BFL-RS01的比未加该改性剂的混合料动稳定度值仍然高出很多，说明该种改性剂能较好抵抗高温天气的影响。

（3）相对于SBS改性沥青混合料，改性剂BFL-RS01的加入，不仅提高沥青混合料动稳定度的绝对值，同时也减小沥青混合料动稳定度的温度敏感性，改善其高温性能。

3.3 高温、重载耦合作用下的高温稳定性

为了研究在高温重载情况下的沥青路面的性能，又制作了三组试件进行极端情况下（70 ℃，1.0 MPa，1 h）的混合料车辙试验，试验结束后可观察到试件在碾轮处出现较深的车辙轮迹，碾轮两侧混合料明显隆起变形，动稳定度结果如图3所示。

由图3、表10可知：

（1）高温重载耦合作用下混合料的动稳定度急剧下降。

（2）BFL-RS01改性沥青混合料的动稳定度仍能维持在2 000次/mm以上，比SBS改性沥青混合料性能略优。

3.4 沥青混合料单轴贯入试验

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）[15]突出了材料設计参数需根据试验实测选取这一理念，其中用沥青混合料贯入强度表示沥青混合料抗剪切变形的能力，即反映了混合料的高温稳定性。该试验首先进行标准马歇尔试件成型，室温冷却12 h后测定试件空隙率，再放入60 ℃的烘箱中保温6 h后，采用直径为28.5 mm贯入压头利用万能材料试验机进行无侧限单轴贯入试验，试验结果如表11所示。

由表11可知，加入了改性剂BFL-RS01后，沥青混合料的无侧限单轴贯入强度增加了36.0%，进一步反映了该改性剂对混合料高温强度有较大改善。这主要是：（1）改性剂的加入使得混合料的空隙进一步减小，试件密实度更大，抗压能力增强;（2）改性剂中的成分与沥青发生反应，使得沥青更粘稠，粘结集料的性能更优，抵抗外荷载的能力得到进一步的发挥。

4 结语

本次研究通过车辙试验及单轴贯入试验研究新型生物基BFL-RS01改性沥青混合料的高温稳定性，得到以下结论：

（1）在沥青混合料中加入BFL-RS01改性剂后，混合料的动稳定度及无侧限单轴贯入强度明显提升，说明BFL-RS01改加剂能有效改善沥青混合料的高温稳定性。

（2）改性剂BFL-RS01与SBS对沥青路面高温性能的改善效果基本相当。而BFL-RS01改性剂来源为造纸废液，采用这种新型环保的改性剂更加经济环保，符合我国全面推动绿色交通发展的理念。

（3）通过改变温度、荷载等试验条件的车辙试验中，沥青混合料动稳定度发生急剧变化，说明沥青路面在高温重载耦合作用下抵抗变形能力降低，更容易出现严重的车辙变形。因此，提高沥青混合料高温性能在改善沥青性能、调整混合料级配、优化路面结构等方面有进一步的研究空间。

参考文献：

[1][ZK（#]胡志斌.沥青路面和水泥混凝土路面的优缺点[J].科技创新导报，2008（2）：54.

[2]张洪刚，冯永平，黄慧，等.广西地区沥青路面温度场特征及其影响研究[J].西部交通科技，2016（6）：5-8.

[3]谭继宗，刘靖，徐升，等.级配对橡胶沥青混合料高温性能影响研究[J].中外公路，2021，41（2）：301-306.

[HJ1.52mm]

[4]张飞，王岚，邢永明.基于三轴重复加载蠕变试验的温拌胶粉改性沥青混合料高温性能研究[J].北方交通，2021（4）：29-34.

[5]王枫成.不同种类改性剂对于基质沥青性能影响分析[J/OL].https：//doi.org/10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20210526.025.[2021-07-26].