沥青混合料补强剂的路用性能研究及应用

2021-03-18刘合锋田周义寇小舟

硅酸盐通报 2021年2期

刘合锋，田周义，许辉，寇小舟，韩森

(1.长安大学公路学院，特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064;2.甘肃省公路局，兰州 730000)

0 引言

沥青路面因具有良好的行车舒适性和低噪声特性，在已建或在建高等级公路中其比例高达90%以上。我国高等级沥青路面的设计寿命为15年，但是随着交通量的快速增长以及极端天气的影响，许多沥青路面在运营后不久即出现车辙、坑槽、裂缝等病害[1]，这不仅增加了道路维修养护的成本，造成资源浪费，同时也会降低行车舒适性和道路通行能力，影响行车安全。如何在不改变路面结构的前提下，经济高效地提高沥青混合料的路用性能，延长道路使用寿命，是当前的一项重要任务。

提高沥青混合料路用性能的方式主要分为两大类，一是对沥青改性(湿拌法)，二是直接对沥青混合料改性(干拌法)。改性沥青技术的发展已有百年历史，国内外学者研究了各种改性材料，但真正能在工程中得到推广实践的却很有限。比较突出的沥青改性剂有：热塑性丁苯橡胶(SBS)、丁苯橡胶(SBR)、聚乙烯(PE)等。胡杨[2]通过研究发现，基质沥青混合料掺入5%(质量分数)SBS改性剂后，动稳定度提高近6倍，低温弯拉应力提高约60%；姚欢等[3]采用SBS、废胶粉(WTR)和废塑料(EVA)对基质沥青进行改性，结果表明SBS改性沥青高温性能最强，EVA改性沥青最弱；Azam等[4]研究指出聚合物产品或蜡作为改性剂有助于改善路面性能；张永辉[5]研究了SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青，指出SBS改性沥青混合料的高温稳定性和水稳定性更好，而橡胶粉改性沥青混合料的低温性能和温度敏感性更好。与单一改性技术相比，复合改性技术通过优势互补而具有较为明显的综合优势。张争奇等[6]通过试验证明基于热塑性丁苯橡胶-聚氨酯(SBS-PU)复合改性沥青混凝土，比SBS、PU单一改性沥青混凝土有更好的高温性能和抗疲劳性能；Ezzat等[7]认为聚氯乙烯-热塑性丁苯橡胶(PVC-SBS)复合改性沥青混凝土的耐久性、抗车辙能力及抗疲劳开裂能力比单一改性更优；王笑风等[8]通过研究指出硫化橡胶粉和SBS复合改性效果更好。虽然改性沥青技术制备的沥青混合料路用性能较好，但是由于沥青与改性剂之间并未发生明显的化学作用，仅仅依靠微弱的界面作用联结，因此受工艺、设备的影响较大，此外沥青与改性剂相容性不佳、改性沥青储存稳定性不良且SBS实际添加量不易控制等原因，使改性沥青应用效果不尽如人意[9]。

如采用干拌法直接对沥青混合料改性，就能很好地解决湿拌法的局限性。抗车辙剂作为一种有效抵抗车辙减轻路面损害的措施，已被广泛研究及应用。国外研究起步较早，代表产品有德国RUB公司生产的Duroflex、美国的路孚8000抗车辙剂、法国PRI公司生产的PR PLAST.S等。韦洪峰[10]通过试验研究指出Duroflex改性沥青混合料高温性能优于SBS改性沥青混合料；敖清文等[11]通过研究指出，掺加0.3%(质量分数)路孚8000抗车辙剂的沥青混合料在路用性能和经济性方面均优于普通SBS改性沥青混合料；贺鹏宇[12]研究了PR PLAST.S对高模量沥青混合料高温性能的影响，给出了PR PLAST.S的合理掺量；马峰等[13]研究了不同工况下PR PLAST.S对沥青混合料的影响，指出湿拌法改性效果明显优于干拌法。而国内发展时间尚短，目前市面上的抗车辙剂种类繁多,价格较低，有的价格甚至只有国外产品价格的1/3～1/4[14]，能提高沥青混合料的高温稳定性，但是低温抗裂性和水稳定性往往有所降低，对于沥青路面整体性能的提升效果并不理想。

补强剂作为近几年新兴的一种沥青混合料改性剂，以全面提高沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性而得名，在陕西、甘肃等地部分工程施工中表现出不俗的效果。然而目前关于补强剂的研究尚少，对于其具体的作用效果及内在作用机理缺乏科学认知。因此，本文以验证补强剂对沥青混合料的作用效果为目的，将一定质量分数的补强剂(0%、0.2%、0.35%、0.5%)加入AC-13沥青混合料中，从高温性能、低温性能及水稳定性等方面对补强剂的路用性能进行验证，分析补强剂的作用机理，同时将掺补强剂的沥青混合料与掺某国产抗车辙剂A及SBS改性沥青混合料从路用性能、成本、工法等方面进行综合比较，并结合试验路使用情况对补强剂进行分析评价。

图1 补强剂

1 实验

1.1 原材料

采用的沥青为SK70#-A级沥青，其针入度(0.1 mm)、软化点、10 ℃延度分别是69.8、47.5 ℃、>100 cm；采用的粗集料和细集料均是闪长岩，矿粉为石灰岩。沥青与集料的技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[15]中的规定。采用的补强剂外观形态如图1所示，主要的物理指标如表1所示。本文中掺量未经特别说明，%均代表质量分数，即改性剂质量与沥青混合料总质量的比值(%)。

表1 补强剂物理技术指标

1.2 试验内容及方法

1.2.1 沥青混合料设计

图2 AC-13混合料集料级配

采用AC-13沥青混合料，集料级配如图2所示。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[16]进行马歇尔试验，最终确定最佳油石比为质量分数5.0%。

1.2.2 沥青混合料制备

基质沥青混合料参照规定的试验方法进行拌合制备。严格控制掺加补强剂的沥青混合料的拌合过程，根据前期试验对加热温度、掺料顺序及拌合时间的优化，最终确定按如下方法制备：

(1)加热集料与沥青。将集料在180～190 ℃恒温烘箱内加热4 h，沥青在160～170 ℃恒温烘箱内加热1 h。

(2)拌合。分为三个阶段，首先将集料与设计剂量补强剂投入恒温180 ℃的搅拌锅内搅拌90 s，然后加入基质沥青拌合90 s，最后再加入矿粉拌合90 s。

(3)制件。参照规定的试验方法制备标准马歇尔试件与300 mm×300 mm×50 mm板状试件，成型试件在室温下放置24 h后测试其各项路用性能。

1.2.3 路用性能试验

(1)高温性能

采用车辙试验验证补强剂(0%、0.2%、0.35%、0.5%)对沥青混合料高温性能的影响。按照规定的试验方法成型试件，分为4组，每组5个试件，采用车辙深度和动稳定度2个评价指标。

(2)低温性能

采用低温弯曲试验验证补强剂(0%、0.2%、0.35%、0.5%)对沥青混合料低温性能的影响。试件为按照规范成型的板状试件切制而成的棱柱体小梁(长(250±2.0) mm、宽(30±2.0) mm、高(35±2.0) mm)，分为4组，每组5个试件，采用试件破坏时的抗弯拉强度、最大弯拉应变2个评价指标。

(3)水稳定性

采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验验证补强剂(0%、0.2%、0.35%、0.5%)对沥青混合料水稳定性的改善效果。浸水马歇尔试验按规定的试验方法成型试件，分为4组，每组8个试件，其中4个试件浸水48 h作为试验组，另外4个不浸水作为对照组，测算浸水后马歇尔试件残留稳定度指标；冻融劈裂试验按照规范要求成型试件，分为4组，每组8个试件，其中4个试件进行冻融循环作为试验组，另外4个不进行冻融循环作为对照组，测算经过冻融后试件的冻融劈裂强度比指标。

(4)汉堡车辙试验

采用汉堡车辙试验(HWTD)进一步研究沥青混合料在高温、动水及动荷载条件耦合作用下的破坏效应，验证补强剂对沥青混合料路用性能的影响。借鉴已有研究成果[17-20]，确定汉堡车辙试验的试验条件如表2所示。

表2 汉堡车辙试验的实验条件

1.2.4 综合性能对比

根据以上路用性能试验优选出补强剂最佳掺量后，从路用性能、工法、成本等角度对补强剂、SBS及某国产抗车辙剂A进行综合比较。

2 结果与讨论

2.1 高温性能试验

图3为不同掺量补强剂沥青混合料车辙试验结果，动稳定度值计算方法参照规范JTG E20—2011[16]和JTG D50—2017[21]。根据张争奇等[6]的研究结果，前者得出的稳定度值准确度低，而后者能有效避免仪器精度造成的误差从而提高试验结果的准确度，因此增补后者计算方法。

由图3可知，尽管两种计算方法得出的动稳定度值差别较大，但是两者结论基本一致。在相同的矿料级配与油石比下，随着补强剂掺量的增加，沥青混合料的车辙深度呈减小趋势，动稳定次数(DS)呈增大趋势，试验结果表明掺入补强剂能显著提高AC-13沥青混合料的高温抗车辙性能。其作用机理可分为以下三部分：高温拌合时，呈黏流态的补强剂裹附在集料表面，改善了沥青与集料的黏附性；在室内击实或施工碾压时，可塑状态下的补强剂在外力作用下形成各种形态填充于混合料间隙内，提高了混合料整体性与抵抗变形的能力；施工完毕后，补强剂逐渐结晶硬化并维持压实后的形态，其形成的三维网状结构限制了集料颗粒的相对滑动，从而使沥青混合料高温抗车辙性能显著提高。

图3 不同掺量补强剂沥青混合料车辙试验结果

图4 不同掺量补强剂沥青混合料低温弯曲试验结果

2.2 低温性能试验

图4为不同掺量补强剂沥青混合料低温弯曲试验结果。由图4可知，在相同的矿料级配与油石比下，随着补强剂用量的增加，沥青混合料的抗弯拉强度与破坏应变逐渐增大，这表明沥青混合料的低温性能得到改善。这是由于：一方面，补强剂中低交联度聚合的高吸油性高分子材料形成的三维交联的网状结构具有一定的微孔，冬季温度降低时沥青硬化，其通过范德华力对油分的束缚作用，使油分很难释放，从而减少了裂缝的产生；另一方面，当裂缝扩展到补强剂变形体与沥青胶浆界面时，界面上产生的剪应力对裂缝的扩展起到约束作用。当掺量超过0.35%时，补强剂对低温性能的改善效果呈减弱趋势。

2.3 水稳定性试验

2.3.1 浸水马歇尔试验

首先采用浸水马歇尔试验的残留稳定度指标来评价沥青混合料的水稳定性，试验结果见图5。由图5可以看出，随补强剂掺量的提高，沥青混合料的残留稳定度值有小幅度提升，同时稳定度逐渐增大。这是由于：一方面，补强剂在拌合过程中处于黏流状态，增大了沥青的黏度，同时裹附于集料表面，从而提高了沥青与集料间的黏结力；另一方面，呈三维网状结构的补强剂变形体在沥青混合料中起到嵌挤及填充作用，提高了混合料的整体性，从而使水稳定性得到改善。

2.3.2 冻融劈裂试验

采用冻融劈裂试验，测定试件在受到水损害前后劈裂破坏强度的变化，进一步评价沥青混合料的水稳定性，试验结果见图6。由图6可以看出，随补强剂掺量的提高，沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)有由明显提升。试验结果表明，补强剂的掺入能起到改善沥青混合料水稳定性的作用，这与浸水马歇尔试验结果一致。同时可以发现，当掺量超过0.35%时，补强剂对水稳定性的改善效果呈减弱趋势。

图5 不同掺量补强剂沥青混合料浸水马歇尔试验结果

图6 不同掺量补强剂沥青混合料冻融劈裂试验结果

2.4 汉堡车辙试验

采用汉堡车辙试验(HWTD)进一步评价沥青混合料在高温、动水及动荷载条件耦合作用下的路用性能，汉堡车辙试验车辙深度随加载次数变化曲线如图7所示。通常用车辙深度和蠕变速率(creeping slope)来评价沥青混合料的高温性能，车辙深度和蠕变速率越大表明沥青混合料的高温性能越差；用剥落反弯点(SIP)和剥落速率(stripping slope)来评价沥青混合料的水稳定性，剥落反弯点越小，剥落斜率越大，说明沥青混合料的水稳定性越差。

4种沥青混合料的汉堡车辙试验结果如图8所示。由图8可知，基质沥青混合料的车辙发展较快，碾压次数还未达到20 000次就达到了最大车辙深度20 mm，而掺入补强剂后沥青混合料碾压次数均达到了20 000次，因此难以用车辙深度统一评价。另外在选取剥落反弯点时，通常是依靠经验人为划分曲线中的蠕变和剥落部分，其准确性易受到人为因素干扰；同时在计算蠕变斜率和剥落斜率时，采用计算法和回归法得到的结果并不一致。为了提高计算精度，借鉴栗培龙等[19]的研究成果，采用车辙变形率指标取代最大车辙深度和蠕变斜率来评价沥青混合料的高温性能，计算公式见式(1)；借鉴Yin等[22]的研究成果，采用拟合法计算剥落反弯点和剥落斜率值来评价沥青混合料的水稳定性，拟合公式见式(2)，剥落反弯点按式(3)计算，剥落斜率即剥落反弯点至最大车辙深度时曲线的斜率。计算结果如表3所示。

rRD=dRD/t

(1)

式中：rRD是车辙变形率，mm/h；dRD是最大车辙深度，mm；t为车轮碾压时间，h，t=n/(52×60)，其中52是汉堡车辙车轮1 min往返碾压次数，52×60是汉堡车辙车轮一小时往返碾压次数，n为达到最大车辙深度时的碾压次数。

图7 汉堡车辙试验车辙深度随加载次数变化曲线

图8 不同掺量补强剂沥青混合料汉堡车辙试验结果

(2)

式中：NLC为车轮碾压次数；dLC为车轮碾压次数对应的车辙深度；Auit、ρ、β为模型参数。

(3)

式中：NSN为剥落反弯点对应的碾压次数，即剥落次数。

表3 汉堡车辙试验计算及曲线拟合结果

由表3可知，随着补强剂掺量的提高，车辙变形率逐渐减小，与未掺加补强剂的沥青混合料相比，掺加0.2%、0.35%、0.5%补强剂分别使车辙变形率减小了48.6%、59.2%、61.9%，说明补强剂的掺入提高了沥青混合料的高温抗车辙性能。随着补强剂掺量的提高，剥落反弯点逐渐增大而剥落斜率逐渐减小，说明沥青混合料的水稳定性逐渐提高。同时也可以看出，补强剂掺量由0.35%增加至0.5%时，车辙变形率、剥落反弯点和剥落斜率三个评价指标变化均不大，这说明补强剂掺量存在一个合理值，当超过该值后继续增加掺量对沥青混合料性能的提升作用不显著，这与低温弯曲试验、冻融劈裂试验等结果相一致。因此，综合考虑路用效果与施工成本，推荐补强剂掺量为0.35%。

2.5 综合性能对比

选择抗车辙剂A及燕山石化生产的SBS改性剂分别对基质沥青混合料进行改性，与补强剂使用效果进行对比。借鉴孙国伟[23]的研究成果，抗车辙剂A的掺量选为0.4%，SBS改性剂的掺量选为5%。抗车辙剂A及补强剂在混合料拌合时投入，SBS改性剂与沥青通过高速剪切机制成SBS改性沥青后拌制沥青混合料。3种沥青混合料路用性能试验结果及成本、工法对比见表4。

由表4可知，3种改性沥青混合料的路用性能均能满足规范要求，高温性能优劣顺序依次为：补强剂>抗车辙剂A>SBS；低温性能优劣顺序依次为：SBS>补强剂>抗车辙剂A；水稳定性优劣顺序依次为：SBS>补强剂>抗车辙剂A。与抗车辙剂A相比，补强剂具有明显的性能优势；与SBS改性剂相比，补强剂改性沥青混合料高温性能具有显著优势，水稳定性相近，而低温抗裂性能稍低但仍满足规范要求。同时可知，SBS改性沥青混合料的材料成本最高，抗车辙剂A改性沥青混合料成本最低，补强剂改性沥青混合料的成本介于两者之间。此外，补强剂采用干拌法施工，不需要添加机械设备，适用于任何沥青混合料，使用方便快捷，省去了普通改性方式中的加热环节及储存过程，同时能够长期库存不变质。因此，综合路用性能、成本及工法等因素，认为补强剂具有推广使用的价值。

表4 3种沥青混合料路用性能对比

3 补强剂应用

甘肃张掖G30连霍高速公路临清段就地热再生养护工程：连霍高速公路临清段始建于2004年，采用双向4车道标准建设，路面宽度22.5 m，设计时速120 km/h。经调查发现，该段高速公路出现了车辙、坑槽、裂缝等不同类型的病害，需要进行养护维修。因此于2018年6月20日—2018年6月25日，采用补强剂对起止桩号K2288～K2285共3 km路段进行就地热再生试验路铺筑。试验路铺筑方案如表5所示。

表5 试验路铺筑方案

该试验路采用复拌型就地热再生法，沥青路面回收铣刨料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)与新沥青混合料的质量比为70 ∶30，补强剂掺量为0.35%，分别在现场与拌合楼掺入，质量比也为70 ∶30。施工时铣刨车紧跟加热车，将原路面4 cm厚的上面层铣刨在路中央形成料垄，撒布预定量的补强剂后，由料车撒布新沥青混合料覆盖，再进行拌合、碾压，施工过程如图9所示。试验路铺筑过程中，从施工现场取料进行路用性能试验，结果与室内试验基本一致。试验路通车1年多来，通过观测未发现明显病害，路用效果显著。根据试验路结果可知，补强剂使用方便快捷，维修后路用性能得到了有效提升。