多功能高模量改性沥青混合料级配参数优化研究

2023-02-21陈亚雄

浙江交通职业技术学院学报 2023年4期

徐峰，陈亚雄

(1.嘉兴市永宏建设工程有限公司，浙江嘉兴 314003；2.浙江致欣检测技术有限公司，浙江嘉兴 314003)

0 引言

近年来，长寿命路面建设受到交通运输部重点关注，路面耐久性能成为路面性能评估的重要指标。在温度和频率为15℃、10Hz条件下，动态模量大于14000MPa的沥青混合料被称为高模量沥青混合料(HMAC)，应用于长寿命和重载路面的设计具有优异的路用性能[1]。目前我国道路应用高模量沥青混合料的设计和使用依据为《道路用高模量抗疲劳沥青混合料》(GB/T 36143-2018)，规范中尚未明确高模量沥青混合料细集料用量[2]，且国内外对高模量沥青混合料的研究主要侧重路用性能评价，对其级配设计研究较少。因此，本文依托浙江省某新建公路工程，结合地区高温多雨的气候特点，开展多功能HMAC级配参数优化研究，对推广多功能高模量改性沥青混合料在高温、重载和多雨地区的路面应用，具有重要的实际意义。

1 试验原材料

1.1 主要原材料

本文使用多功能高模量改性剂对基质沥青进行改性，多功能高模量改性剂掺量为沥青混合料用量质量的0.3%，A、B组分调配比例为2∶1。基质沥青为中石化70#沥青，基质沥青主要指标如表1所示。集料为石灰岩矿石。

表1 中石化70#沥青技术指标

1.2 多功能高模量改性剂

(1)组分A为共混改性高分子，在高温作用下组分A可分解为μm级别的微粒扩散入沥青分子间，促使沥青分子链发生位移，增加体系表面能，并吸附能降低沥青表面能的饱和分、芳香分，形成介于改性剂与沥青间稳定的网状结构，起到传递、抵抗外力、吸收能量的作用，提升了改性沥青黏聚力、强度与分散均匀性，组分A具体性能如表2所示。

表2 组分A性能指标

(2)组分B为聚合物黑色粉末状，在石料表面的极性分子取向形成极性力场，产生吸附效应凝聚其他非极性组分分子，从而形成紧密粘结的吸附层，增强了沥青与集料界面的表面能，形成改性沥青胶浆对石料表面的强大吸附力。

2 级配优化试验方案与压碎值试验

2.1 级配优化指标与方案

由于高模量沥青胶浆软化点较高，刚性较强，在夏季高温—荷载耦合作用时高模量沥青胶浆在混合料中可以起到主要承担外力作用，为使沥青混合料抗水温耦合特性好，需要混合料空隙率尽可能小。因此在综合考虑多功能高模量改性沥青混合料自身特性和国内外相关研究的基础上[3-4]，选定最小空隙率为级配优化指标。

根据贝雷法，将HMAC-13级配粗细集料以2.36mm为分界线，细集料与粉料以0.6mm为分界线。为优化HMAC-13级配，确定粗细集料含量范围，首先通过混合料压碎试验，研究沥青混合料中粗细集料的骨架作用与填充作用，随后通过不同粗细集料含量的混合料试验，以路用性能为指标，确定HMAC-13级配粗细集料、粉料的适宜范围。

2.2 集料压碎值试验

取约5000g的AC-13型沥青混合料集料进行压碎值试验，并对压碎后的集料进行筛分，筛分结果如表3所示。

表3 AC-13型沥青混合料集料压碎试验分计筛余百分率

试验结果表明，随着受力的增加，4.75～13.2mm粗集料形成的骨架逐渐破碎解体，转化为0.6～2.36mm细集料(0.6mm以下粉料含量近乎没有变化)，在压力达到峰值520kN时，0.6～2.36mm细集料含量达到最多，说明混合料中主要承担受力作用的为0.6～2.36mm细集料。因此，在石灰岩沥青混合料中，提高0.6～2.36mm细集料掺量，可以有效提升混合料稳定度，降低混合料空隙率，增强混合料密实性，改善沥青混合料水稳定性。

3 多功能高模量改性沥青混合料试验分析

3.1 混合料性能试验对比分析

为进一步验证0.6～2.36mm细集料在沥青混合料中对路用性能的作用，掺配一条双重符合AC-13型混合料级配和SMA-13型混合料级配的沥青混合料曲线，设定添加多功能改性剂与基质沥青两种条件，成型混合料马歇尔试件与车辙试件，进行路用性能对比试验研究。其中AC-13型合成级配0.6～2.36mm细集料含量为30%，SMA-13型合成级配0.6～2.36mm细集料含量为13%，其中未添加多功能改性剂的AC-13型沥青混合料最佳沥青用量为4.8%，添加多功能改性剂的AC-13型沥青混合料最佳沥青用量为4.3%，未添加多功能改性剂SMA-13型沥青混合料最佳沥青用量为6%，添加多功能改性剂的SMA-13型沥青混合料最佳沥青用量为5.5%，SMA型沥青混合料木质纤维用量为混合料质量的0.3%，试验结果如表4所示。

表4 四种沥青混合料路用性能检测

由表4可知，当采用基质沥青时，提升0.6～2.36mm细集料用量可以提升沥青混合料密实性，降低空隙率，提高抗水损性能，但高温稳定性下降，且下降幅度近50%。SMA-13型混合料由于粗集料较多，形成了有效的骨架嵌挤结构，为细集料提供了剪切变形约束。当加入多功能改性剂后，由于其高温降黏效果，且0.6～2.36mm细集料含量较高使填充效应增强，沥青混合料空隙率被大幅降低，沥青混合料的抗水损性能得到提升，AC、SMA两种沥青混合料的动稳定度分别提升近10倍和2倍。究其原因，为防止细集料滑动变形，主要使用粗集料形成骨架嵌挤结构和沥青胶浆的内黏聚力约束，多功能改性剂的加入形成的沥青胶浆内黏聚力极高、与集料黏附特性好，且具有高模量的特点，使沥青混合料刚度大幅提高，有效增加了沥青混合料的高温稳定性。同时，多功能改性沥青胶浆软化点较高，具有高温降黏、中温增黏的效果和极优的抗水温耦合特性。因此在车辙试验时，多功能沥青胶浆表现出极强的刚性，显示了其优异的抗变形能力[5-6]。

3.2 马歇尔试件劈裂断面对比分析

对比两种混合料马歇尔试件劈裂试验断面图，如图1所示。两种混合料提升效果差别巨大的原因在于，在AC-13型沥青混合料中，主要起到承担受力作用的是0.6～2.36mm细集料所形成的次级骨架结构和多功能改性沥青胶浆，且由于空隙率较小，使混合料整体性好，无明显薄弱面，因此AC-13型沥青混合料破坏界面大多沿沥青-沥青、沥青-集料界面破坏；而在SMA-13型沥青混合料中，主要起到承担受力作用的是石灰岩粗集料形成的嵌挤主骨架和多功能改性沥青胶浆，而石灰岩强度不足，因此在SMA-13型沥青混合料中破坏界面出现大量沿集料-集料间破坏，即粗粒径石灰岩在受到剪力作用时出现大量集料破碎，引起混合料破坏。

a)AC-13合成级配马歇尔试件劈裂断面 b)SMA-13合成级配马歇尔试件劈裂断面

4 不同细集料掺量的混合料级配分析

4.1 不同细集料掺量的级配设计

为确定在多功能高模量改性沥青混合料中0.6～2.36mm细集料的最优含量，选择5种级配，其0.6～2.36mm细集料含量分别为15%、30%、45%、60%、75%，设定为级配A～E进行对比性能研究，其中级配A为SMA-13合成级配；级配B为AC-13合成级配；级配C为修改级配上限的AC-13级配；级配D为修改级配上限的高模量沥青混合料级配；级配E为砂浆级配，5种级配具体如图2所示。

图2 级配A～E示意图

4.2 不同级配沥青混合料性能试验分析

确定5种沥青混合料最佳油石比分别为：5.5%、4.3%、4.5%、5%、5.6%，对应空隙率分别为4.87%、1.91%、1.26%、1.43%、2.06%。对5条级配沥青混合料强度、水稳定性进行检测，试验结果如图3和表5所示。

图3 级配A～E马歇尔强度与冻融劈裂强度示意图

表5 级配A～E车辙试验结果

由图3和表5可知，级配A细集料含量为15%，71.2%为粗骨料，形成了有效嵌挤的粗骨架结构，虽然增加了填料含量，但由于细集料含量过少，粗骨架的空隙无法被细料充分填充。当混合料中0.6～2.36mm的细集料含量逐步向45%含量增加时，混合料中受力结构转化为多功能改性沥青胶浆与细集料，且随着细集料的增加，有效提高了混合料的填充效应，进而改善了沥青混合料的空隙率，提升了整体性，使其可以有效抵抗水损害、高温病害与水温耦合作用。但随着混合料中0.6～2.36mm的细集料含量进一步增加，达到60%～75%时，由于相同粒径集料过多，在粒子干涉效应影响下混合料空隙率再度增大，使混合料水稳定性、高温稳定性和抗水温耦合特性出现一定程度下降。

当0.6～2.36mm的细集料含量达到30%～60%时，多功能高模量改性沥青混合料空隙率、高温稳定性、水稳定性等路用性能可以达到较高的水平，而为保证沥青胶浆的质量，经相关试验并参考SMA沥青混合料的设计方法确定混合料粉胶比在1.2左右，即保证0.6mm以下填料含量达到20%～30%，2.36mm以上粗集料含量占20%～40%。多功能高模量改性沥青混合料空隙率随0.6～2.36mm的细集料含量增加呈现先减小后增大的特点[7-8]。