不同添加剂对沥青混合料力学性能的影响分析

2022-09-30李志宏

西部交通科技 2022年6期

李志宏

(河北省交通规划设计院，河北石家庄 050000)

0 引言

近些年来，在生产以及压实沥青混合料时，温度的降低对维持乃至提高热拌沥青的力学性能产生了很大影响。实际施工过程中，不同项目使用不同类型添加剂对沥青混凝土进行改性以研究其添加前后压实和易性的差异。本文为了评价施工温度下降时这些添加剂的效果，对这些加入了添加剂的混合料进行试验并以力学性能指标进行评估，其中包括水稳定性试验以及劲度模量试验等[1]。

1 材料使用和混合料设计

本文对生产和铺设沥青混合料时的温度影响和所使用的添加剂进行了研究。在这项研究中，表面层使用的沥青混凝土(AC16Surf)矿料级配中最大骨料尺寸为16 mm。试验中对AC16Surf的颗粒级配按大小进行了分类并按使用集料、石灰石和沙子的分级包络中心进行了调整。

本文研究了三个生产温度：160 ℃，生产热拌沥青混凝土的温度；140 ℃和120 ℃，生产温拌沥青混凝土的常见温度。本研究中分析了7种不同类型的混合料，包括混合料R(不变沥青)和6种加有添加剂的混合料(A1～A6)。研究使用的添加剂的特点和数量如表1所示。

表1 本研究中所使用的添加剂一览表

2 压实和易性研究

根据以往研究结果，为比较不同混合料的压实度，可以引用一些指数来衡量压实能[2]，这些指数采用从压实曲线中获得的数据进行计算。本文采用的指数为压实能量指数(CEI)和由交通荷载导致压实的交通致密指数(TDI)。压实能量指数(CEI)分析了从第8周期开始直到与开放交通后最小密度相一致的92%混合料最大理论密度(Gmm)的结果。交通致密指数(TDI)和由交通影响导致的压实相关，而且确认其取值范围在92%Gmm到98%Gmm之间，即混合料靠近塑性性能的区域，这是一个非常关键的取值区间。CEI数值大小显示了施工中摊铺混合料的难易程度，其数值越小，混合料越容易压实。相比之下，TDI指数显示了交通荷载作用下混合料的强度。在这种情况下，TDI越高，则表明混合料在其服务年限内可以承受更大的交通荷载。

在本研究中，对于每个温度以及混合料的组合，通过生产6个直径为100 mm的试件并使用旋转压实仪对沥青混合料的压实难易程度进行分析。这种难易程度依据压实曲线进行判定，而此压实曲线是由与周期次数有关的压实结果绘制的。对从压实曲线获得的数据进行分析，以此可以确定压实能量指数(CEI)和交通致密指数(TDI)。

研究发现，在施工温度降低后，加入添加剂的混合料的CEI值会降低，更易压实，如表2所示。

表2 CEI和TDI试验结果表

在三种研究温度下，A5混合料的CEI值均低于混合料R，这说明在施工温度下，添加剂A5引起混合料黏度降低，可以提高沥青混合料的和易性，方便摊铺。

添加剂A6是一种结构内含有水的沸石，当其伴随泡沫结合料被加入到混合料时，水分会被释放出来，使黏度降低，从而提高集料的裹覆和摊铺能力。这也可以由加入添加剂A6的沥青混合料CEI值小于混合料R的试验结果所证实。

TDI指数分析了道路服务寿命内由于交通荷载导致的压实效应。从理论上讲，TDI值越高，混合料在其使用寿命内就越能承受更多交通荷载。120 ℃时，混合料R具有较高的TDI值。TDI试验结果表明，混合料在开放交通之前足够密实，在其使用寿命内能够承受更多的交通荷载。与混合料R相比，加有添加剂的混合料在施工温度降低时CEI值变化更小，其性能更稳定，在温度较低时更容易压实。

为了确定最佳的施工温度，CEI和TDI不能分开使用，而需要结合使用。为了确定最易压实的最低CEI值，需要对CEI进行分析。CEI数值相同，则要根据TDI值做出选择。TDI值越大，沥青混合料的耐久性越好。

3 水稳定性分析

为了分析沥青混合料的水稳定性，对应三个试验温度、七种不同混合料(R和A1～A6)，各制作了8个试件，随后将这些试件分成两组进行试验。按照试验要求，其中一组在室温20 ℃条件下保存3 d，而另一组在经过40 min真空处理后浸在40 ℃水中保存3 d。试验前，试件再放进一个15 ℃的房间保存2 h，然后，使用静态机进行间接抗拉强度试验。

根据间接抗拉强度试验的稳定性，分别对保持干燥(ITSD)状态和浸水(ITSW)状态的试件牵引阻力进行分析计算，以间接拉伸强度比率(ITSR)进行分析计算：

(1)

式中：ITSR——间接抗拉强度比率(%)；

ITSW——浸水试件的间接抗拉强度(kPa)；

《规范》鼓励和支持餐饮服务提供者采用先进的食品安全管理方法，建立餐饮服务食品安全管理体系，提高食品安全管理水平；明示餐食的主要原料信息、数量或重量，开展“减油、减盐、减糖”行动，为消费者提供健康营养的餐食；降低一次性餐饮具的使用量；提示消费者开展光盘行动，减少浪费。《规范》还规定餐饮外卖送餐人员应保持个人卫生，外卖箱（包）应保持清洁，并定期消毒。网络餐饮服务第三方平台提供者和自建网站餐饮服务提供者应如实记录网络订餐的订单信息，包括食品的名称、下单时间、送餐人员、送达时间以及收货地址，信息保存时间不得少于6个月。

ITSD——干燥试件的间接拉伸强度(kPa)。

研究发现，随着温度降低，除A5混合料外，其他混合料的间接抗拉强度均随之降低，且空隙率越大，间接抗拉强度降低越明显，如表3所示。

表3 不同混合料在不同温度下的间接抗拉强度试验结果表

比较表3混合料R以及加有添加剂的混合料的试验结果，在所有温度下使用添加剂会使强度维持不变甚至提高。对于A1～A4添加剂，其组成成分能够提高集料和结合料的粘附性，而且与混合料R相比，这些化合物可以增加水稳定性。其作用在浸水试件强度试验结果上表现得尤为明显。与混合料R相比，所有加添加剂混合料的水稳定性在160 ℃时都提高了。当生产温度较低时，A4是唯一一种与140 ℃时的水稳定性试验结果保持一致的混合料。其他有添加剂的混合料在相同温度下强度值下降20%。

添加剂A5是在施工温度下完全可溶于沥青的蜡状物，通过比较140 ℃以及120 ℃时的ITSD和ITSW值，添加A5的混合料试验结果保持稳定，且比相同温度下混合料R试验数值要大，这证明在较低温度时，A5可以增加混合料水稳定性。A6添加剂是一种沸石，在施工温度下，可以改善混合料的裹覆能力，从而降低混合料孔隙率，提高水稳定性。因此添加剂A6在140 ℃以及120 ℃时的ITSD和ITSW值也要比相同温度下混合料R试验数值要大。

4 劲度模量研究

过往研究把劲度模量大小作为衡量道路沥青混合料结构性能的一种方法[3]。为测试混合料的劲度模量，本研究在20 ℃试验温度下进行间接抗拉强度试验。试验前，试件需要在一个20 ℃恒温的空调室内至少保存24 h。为了完成这个试验，需要使用一个带有10 kN传感器的动态机。

对不同试验温度下的七种不同混合料，均制作4个圆柱体的AC16Surf混合料试件。通过在试件中心施加一个垂直压力荷载，并记录试件所经历的变形，从而完成间接抗拉强度试验。每次试验都包括16个负荷周期，每个周期持续3 s。第1个到第10个周期是为了使试件受力稳定下来，利用第11个到第15个周期进行劲度模量计算。最后，根据每个周期所获得的弹性变形最大振幅计算劲度模量，这五个周期算得的劲度模量平均值作为最终结果，如表4所示。

表4 20 ℃不同混合料的平均劲度模量计算结果表

研究结果表明，降低混合料R的生产温度和压实温度会降低其模量，如120 ℃时模量值大约为160 ℃时的50%。这一试验结果是由空隙率增加从而导致混合料劲度减小引起的。

与混合料R在160 ℃时的值相比，使用了不同添加剂混合料的劲度模量减少了20%～40%。随着施工温度降低，有添加剂的混合料模量变化要比混合料R小。添加剂A3、A5、A6在120 ℃时的模量要比混合料R的大。对于添加剂A3和A5，该结果的产生是由两种化合物成分中所包含的蜡状物导致的，而这些蜡状物会在低于其熔点时形成水晶般的网络结构从而增加混合料的稳定性。添加剂A6使混合料空隙率降低，从而增加混合料的稳定性。加入其他添加剂(A1、A2、A4)的混合料劲度模量未发生较大变化。