不同种类沥青混合料马歇尔室内试验研究

2022-09-15张立群余泽韬张学峰

河北建筑工程学院学报 2022年1期

张立群余泽韬熊航张学峰

(河北建筑工程学院，河北张家口 075000)

0 引言

图1 试验用沥青

截至2019年底，我国高速公路里程达15万公里，相比2012年增长56%[1].随着我国公路交通的迅速发展，如何提高沥青路面使用性能引起了社会的广泛关注.目前，国内对沥青混合料进行高分子聚合物改性的方案使用较为普遍，如使用SBS高聚物颗粒和抗车辙剂通过不同方式对沥青混合料进行改性.SBS高聚物颗粒在高速旋转切割机作用下和基质沥青融合生成SBS改性沥青，具有高温下不软化、低温下不发脆、使用温度范围宽、力学性能好的特点，是国内外使用最为广泛的一种高聚物改性沥青[2].抗车辙剂是由多种高分子聚合物复合而成的混合物，以外加剂掺入的方式对沥青混合料进行改性，相比SBS高聚物，其改性方式更加简便.研究结果[3-4]表明，抗车辙剂能显著改善沥青混合料温度敏感性，提升抗车辙性能.

国内外对上述两种聚合物改性沥青混合料路用性能研究较多[5-8]，而针对两种沥青混合料马歇尔指标随油石比变化的规律性对比研究较少.因此，本文通过马歇尔试验对普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料、抗车辙剂改性沥青混合料进行研究，得出3种沥青混合料的最佳油石比，对3种沥青混合料体积指标、马歇尔力学指标进行比较与分析，为实际工程提供参考.

1 原材料

1.1 沥青

本试验采用70#A级石油沥青和SBS改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料的试验规程》(JTG-E20-2011)的试验操作要求对沥青技术指标进行检测，技术指标试验结果见表1.

表1 沥青基本性能

1.2 集料及填料

本次试验用集料分为5档，粗集料为粒径10-20mm石灰岩碎石，5-10mm、3-5mm玄武岩碎石，细集料为0-3mm石灰岩石屑，填料为石灰岩矿粉.集料、矿粉性能试验参照《公路工程集料试验规程》(JTG-E42-2005)，其各项指标满足规范用料要求.

图2 石灰岩碎石图3 玄武岩碎石图4 石灰岩石屑

1.3 抗车辙剂

抗车辙剂为多种聚合物与树脂合成的颗粒状物质，其技术指标见表2.

表2 抗车辙剂技术指标

2 试验方案

2.1 矿料级配设计

根据集料筛分结果，选用AC-20型沥青混合料连续密级配.根据规范要求，确定级配范围的上下限并将中值作为目标级配值，级配组成如图5.

图5 矿料级配图

2.2 马歇尔试验

(1)根据《公路工程沥青及沥青混合料的试验规程》(JTG-E20-2011)规范要求，按照已确定的矿料级配，以经验油石比3.8%、4.3%、4.8%、5.3%、5.8%成型标准马歇尔试件；

图6 马歇尔击实仪图7 脱模中马歇尔试件

(2)通过表干法测定试件马歇尔体积指标及力学指标，绘制所有指标随油石比变化曲线；确定70#A级沥青混合料、SBS改性沥青混合料、抗车辙剂改性沥青混合料的最佳油石比并根据最佳油石比成型马歇尔试件，再次测定上述指标并进行比较.试验结果见表3、表4.

图8 成型后的马歇尔试件图9 马歇尔稳定度试验仪

表3 马歇尔试验指标汇总表

表4 最佳油石比下马歇尔试验指标汇总表

3 试验结果分析

3.1 毛体积相对密度

如图10所示，毛体积相对密度随油石比增大呈现先增后减趋势，原因是沥青用量增多，沥青在矿料表面逐渐形成完整的“结构沥青”膜使矿料间黏结力增强，毛体积相对密度增大.随着沥青用量持续增大，矿料颗粒上的“结构沥青”膜变厚，将矿料颗粒推开，此时膜上一部分“结构沥青”会转化为“自由沥青”，增加了矿料颗粒间的滑移，导致混合料内部结构出现松动，毛体积相对密度随之下降.

在相同油石比情况下，毛体积相对密度排序为：70#A级沥青混合料>抗车辙剂改性沥青混合料>SBS改性沥青混合料，掺加抗车辙剂和使用SBS改性沥青后沥青混合料毛体积密度平均下降率分别为0.62%和2.29%.原因是抗车辙剂颗粒和SBS颗粒都会吸附沥青中的小分子组分，使沥青中极性分子相对增多，矿料与沥青间分子力吸附增强，更多沥青填充到矿料的开口空隙，而通过化学吸附产生的“结构沥青膜”减小，70#A级沥青混合料中的“结构沥青”相对较多，对矿料的化学吸附更强，颗粒间的黏结程度更好，毛体积相对密度相对更大.抗车辙剂改性沥青混合料中沥青物理吸附程度不如SBS改性沥青混合料，因此其毛体积相对密度大小次之.

图10 毛体积相对密度变化图图11 空隙率变化图

3.2 空隙率

如图11所示，相比于70#A级沥青混合料，掺加抗车辙剂和使用SBS改性沥青后沥青混合料空隙率平均上升8.22%和12.11%.原因是SBS改性沥青极性相对较强，更容易被矿料表面开口孔隙吸附填充，而颗粒状的抗车辙剂比表面积较大，也会吸附部分沥青，在沥青含量相同时，由于二者被吸附的沥青比例相对70#A级沥青混合料更大，“自由沥青”量减少，致使空隙率增大.

3.3 矿料间隙率

如图12所示，矿料间隙率大小排序与毛体积相对密度恰好相反，掺加抗车辙剂和使用SBS改性沥青后沥青混合料矿料间隙率平均上升率分别为4.04%和13.74%.原因是SBS改性沥青混合料和抗车辙剂改性沥青混合料中集料之间的黏结力更强，相比70#A级沥青混合料矿料骨架强度更大，则马歇尔试件成型时压实度相对更低，矿料间隙率随之增大.

3.4 沥青饱和度

沥青饱和度表征沥青填充矿料间隙的程度.如图13所示，三种沥青混合料沥青饱和度随油石比增大而增大，且三者之间无明显差异.原因是随着油石比升高填充矿料间隙的“自由沥青”含量升高.沥青混合料改性后虽然空隙率与矿料间隙率均增大，但两个指标之间比值无明显变化，体现为三者沥青饱和度差异较小.

图12 矿料间隙率变化图图13 沥青饱和度变化图

3.5 稳定度和流值

图14 最佳油石比下稳定度、流值图

如图14所示，掺加抗车辙剂和使用SBS改性沥青能显著提高沥青混合料强度和稳定性.在最佳油石比情况下，抗车辙剂改性沥青混合料相比于70#A级沥青混合料稳定度提高10.30%，流值降低6.25%.SBS改性沥青混合料相比于70#A级沥青混合料稳定度提高36.02%，流值降低6.25%.原因是SBS颗粒与沥青通过物理交联作用形成三维网状结构，阻碍了沥青中分子间的相对运动，沥青内聚力增强，同时也增强了与矿料颗粒的黏结力.因此，在相同油石比中SBS改性沥青混合料可能出现生成“结构沥青”较少的情况下，混合料整体也会呈现强度更高，稳定性更好的特点.车辙剂中所含的丁苯橡胶，不仅增强了沥青混合料的弹性，同时吸收沥青中的油分发生溶胀，改变了沥青的胶体结构从而提高沥青黏度，提高了沥青混合料的强度及抗变形能力.