高模量添加剂在沥青混合料的作用机理及影响研究

齐 兵，曹振生，吴银芳，赵源元

（1.中电建路桥集团有限公司,北京100084;2.中国水利水电第十六工程局有限公司,福建 福州350000）

引 言

近年来随着国内公路网络日益完善，公路客货运量增长明显，尤其是重载超载现象十分普遍，在重载与不利环境因素的综合作用下，公路极易出现各类病害、强度不足、耐久性差等问题，降低了公路的使用性与安全性。我国幅员辽阔，各地域的气候、温度、湿度等差异巨大，需求的混合料性能有所差异，而添加剂则成为各地区改善沥青混合料性能的重要工具[1,2]。采用高模量添加剂后，能够显著提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗变形能力，有效提升沥青混凝土的各项性能，降低车辙发生的概率，因此在国内工程实践中受到广泛应用[3,4]。

论文以某高速公路项目中采用的高模量添加剂技术为依托，研究高模量添加剂对沥青混凝土性能的影响。项目以AC-13为基础沥青，制备了一种“橡胶+硫酸钙晶须”的复合高模量添加剂，其中橡胶为废旧轮胎橡胶粉，硫酸钙晶须由脱硫石膏制成，基材常见，且能够提高废旧材料利用率，具备一定的经济性与环保性，希望相关研究能够为同类项目提供借鉴。

1 高模量添加剂沥青混合料的制作

1.1 工程背景

项目以某国道的病害处置项目为依托，项目路段是重要货运通道，交通量巨大，车辙病害较为明显。本次采用复合高模量添加剂改性沥青，处置现状病害，延长了道路使用年限。

1.2 原材料

（1）沥青

项目以70#沥青作为基体，设置对照试验，其中一组为常见的以胶粉作添加剂的沥青，另一组为项目研发的“橡胶+硫酸钙晶须”复合高模量添加剂改性沥青。表1为各组沥青的性能参数。

表1 沥青技术指标Table 1 The technical specifications of asphalt

（2）集料

试验采用石灰岩作为集料，主要分为三种规格：0～3mm、3～5mm、5～15mm三档集料。表2所示为各档集料的密度指标。

表2 集料密度试验结果Table 2 The test results of aggregate density

（3）矿粉

表3所示为本次试验采用的矿粉指标，各参数均满足要求。

表3 矿粉试验结果Table 3 The mineral powder test results

（4）高模量添加剂

项目采用的高模量添加剂原料为橡胶与硫酸钙晶须，橡胶为普通废旧轮胎粉，硫酸钙晶须由脱硫石膏制备而成，晶须纯度达到99.9%。

1.3 试验样品制备

（1）目标配合比设计

试验采用0～3、3～5、3～15mm三种规格的集料，筛分结果如表4所示。

目标配合比设计根据集料筛分结果进行，图1所示为最终的级配曲线，由图1可见混合料为密实型。

表4 集料筛分结果Table 4 The aggregate screening results

图1 目标配合比设计曲线Fig.1 The target mix design curve

（3）沥青混合料试验样品制备

高模量添加剂沥青混合料的制备过程与普通添加剂的过程大致相同，本项目中混凝土用量都控制在5.3wt%。二者的不同之处在于，胶粉添加剂沥青采用湿拌工艺，而高模量添加剂沥青需在较高温度下拌和[5]。具体拌制过程如下：①首先在室温下，将70#基质沥青与硫酸钙晶须直接混合，快速搅拌1min左右；②加入废旧轮胎胶粉，控制胶粉与硫酸钙晶须的总含量为沥青总量的18wt%；③继续加热混合料到180℃，加入5.3wt%比例的经“橡胶粉+硫酸钙晶须”改性的沥青，迅速拌和2min；④拌和结束后按常规做法制作混凝土样品。

2 沥青混合料性能测试与分析

文章对采用胶粉添加剂沥青混合料与复合高模量添加剂沥青混合料进行制样、试验、对比，分析二者的强度、高温稳定性、抗低温、耐水性等性能。

2.1 马歇尔稳定度

通过马歇尔稳定度评价沥青混合料的强度性能。表5所示为胶粉改性沥青与复合高模量改性沥青的强度试验结果，通过表5可知，各组样品的稳定度均满足国标对密级配沥青混合料的稳定度要求。采用高模量添加剂的沥青混合料稳定度普遍大于11kN，超过了普通胶粉改性沥青的稳定度，远远超过普通沥青8kN的动稳定度。马歇尔稳定度试验结果表明，高模量添加剂能够明显改善沥青混凝土的强度。

表5 采用胶粉及复合高模量添加剂的沥青混合料稳定度试验结果（kN）Table 5 The stability test results of the asphalt mixture modified with rubber powder and composite high modulus additives（kN）

2.2 冻融劈裂强度

试验对胶粉添加剂与“橡胶+硫酸钙晶须”各制作八个试样，每四个样为一组，各设空白对照组与冻融劈裂试验组，根据《公路沥青试验规程》要求开展试验。胶粉改性沥青混合料与项目所用复合高模量添加剂沥青混合料的冻融劈裂试验结果如表6、表7所示。从表中可知，采用胶粉添加剂的混合料残存强度比达到84%，而采用复合高模量添加剂的沥青混合料残留强度比，有显著的提升，达到92%。

表6 采用胶粉添加剂的混合料冻融劈裂强度（kN）Table 6 The freeze-thaw splitting strength of mixture modified with the rubber powder additive（kN）

表7 采用复合高模量添加剂的混合料冻融劈裂强度（kN）Table 7 The freeze-thaw splitting strength of the mixture modified with the composite high modulus additive（kN）

2.3 动稳定度

表8所示为采用胶粉添加剂混合料与采用复合高模量添加剂混合料的动稳定度试验数据。由表8与图2可知，二者的动稳定度均满足规范中对改性沥青2800次/mm的要求。采用复合高模量添加剂的沥青混合料动稳定度高达4268次/mm，明显高于胶粉改性，相比规范中对普通沥青混凝土800次/mm的要求，更是有巨大幅度的提升。

表8 胶粉及高模量改性基质沥青混合料动稳定度（次/mm）Table 8 Thedynamicstabilityofrubberpowdermodified and highmodulusadditivemodified matrixasphaltmixture（times/mm）

图2 胶粉及高模量改性基质沥青混合料动稳定度Fig.2 The dynamic stability of rubber powder modified and high modulus additive modified matrix asphalt mixture

3 高模量添加剂的作用机理分析

高模量添加剂通常由高分子物质组成，为了保证与沥青混合料的充分拌和，一般要求其熔点与沥青拌和温度相当[6,7]。在拌和沥青混合料时，应先将集料充分预热后，再倒入拌和设备，在温度满足高模量添加剂熔点时，迅速倒入添加剂，使二者在适宜温度下剪切、碰撞、胶结，最后加入矿粉[8]。在整个过程中，高模量添加剂对沥青的作用过程可以分为三个方面：胶结作用、加筋作用、嵌挤作用。

（1）胶结作用。在沥青混合料与添加剂的热拌和过程中，当温度达到160℃左右时，添加剂达到熔点释放微粒，微粒与沥青成分发生胶溶，使结合料的储存模量进一步提高，温度敏感性降低，温度抗性与抗变形能力得以提升。

（2）加筋作用。通常而言，高模量添加剂中会含有一定含量的塑料纤维，分散在沥青混合料中的纤维会交织成网状，发挥加筋效应，增强沥青混合料的整体性，也使得矿粉、集料与沥青间的胶结更紧密[9]。

（3）嵌挤作用。部分高模量添加剂的微粒受到高温及机械碾压作用，会对沥青混合料的空隙进一步填充，形成密实嵌挤型结构，增强沥青混凝土的承载能力[10]。

4结论

文章分析了高模量添加剂在沥青混合料中的作用机理，基于工程实践，试验以70#沥青作为基体,采用0～3mm、3～5mm、5～15mm三档集料，研究了项目制备的“橡胶粉+硫酸钙晶须”复合高模量添加剂对混合料性能的影响。得出如下试验结果：

（1）采用高模量添加剂的沥青混合料稳定度普遍大于11kN，超过了普通胶粉改性沥青的稳定度，远远超过普通沥青8kN的动稳定度；

（2）采用胶粉添加剂的混合料残存强度比达到84%，而采用复合高模量添加剂的沥青混合料残留强度比，有更为显著的提升，达到92%；

（3）采用复合高模量添加剂的沥青混合料动稳定度高达4268次/mm，明显高于胶粉改性。

试验结果表明，采用该复合高模量添加剂的沥青混合料的性能相比普通沥青、普通胶粉改性沥青，在高温抗车辙、低温抗裂性等方面均有较大程度的提升。