抗剥落剂对南疆地区沥青混合料性能的影响

周天宇,王 彬,杨龙飞

(西安市政设计研究院有限公司,陕西 西安 710068)

0 引 言

随着“一带一路”合作倡议的提出,新疆作为丝绸之路经济带的核心,其基础设施建设迅速发展,交通道路建设更是以前所未有的速度推进。作为道路建设重要原材料的集料的品质极大地影响了道路建设的质量。从地理上来说,天山山脉以南为南疆地区,主要包括阿克苏南部、吐鲁番、巴音、喀什以及和田等地。调查发现,南疆地区优质集料较少,且集料岩性不定,为了保证沥青与集料的粘附性,沥青道路在铺筑时多采用抗剥落剂对材料性能进行改善,但大量工程实践表明,使用抗剥落剂并未大量减缓沥青路面各类病害的发生。

对于抗剥落剂,国内外专家已做了大量的研究,研究表明,掺加抗剥落剂能极大地提高沥青混合料的水稳性,还提高了沥青混合料的抗疲劳性和低温抗裂性,但对于沥青混合料的高温稳定性、耐久性有不利影响,而且抗剥落剂与沥青存在配伍性,应选取与所用沥青相容性好的种类。

通过对研究现状的调查可以发现,目前对抗剥落剂的研究,缺乏对于掺加抗剥落剂的沥青混合料长期性能的研究,更缺乏对环境的考量,南疆地区气候相较北疆而言,降雨少、高温持续时间长、多干热风天气。在这种气候环境下,抗剥落剂是否会对沥青混合料产生不利影响,目前没有相关研究。

因此,对南疆的气候环境进行实验室模拟,设计环境模拟箱,率先开展抗剥落剂对南疆沥青路面混合料长期性能的影响研究。

1 试验设计

1.1 材料

(1)抗剥落剂。

PA-1型抗剥落剂:胺类抗剥落剂,聚酰胺类聚合物,呈棕褐色粘稠液态体,凝固点<0 ℃,密度0.95～0.99 g/cm3,pH值>7,对眼睛、呼吸道及皮肤有微刺激,通常掺量为0.3%～0.5%。

LX-6525型抗剥落剂:非胺类抗剥落剂,外观为棕色粘稠液体,闪点>200 ℃,有轻微气味,比重0.97,25 ℃黏度为900 cps,能同时适用于酸碱两种石料,明显改善黏附性,且高温性能优异。

(2)沥青。

研究选用中石油克拉玛依石化有限责任公司生产的克拉玛依70#A级道路石油沥青。

(3)集料及矿粉。

粗集料采用玄武岩,集料规格分为三个档次,3～5 mm,5～10 mm,10～15 mm;采用石灰岩加工的机制砂作为细集料,规格为0～3 mm;采用9.5～19 mm 石灰岩制成矿粉,集料及矿粉主要技术指标均满足规范要求。

根据相关课题研究成果沥青混合料的配合比m(10～15 mm)∶m(5～10 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m矿粉=30∶32∶15∶16∶7,最佳油石比为4.1%。选取0.4%的PA-1型抗剥落剂和0.45%的LX-6525型抗剥落剂分别加入混合料中。

1.2 试验设备

(1)环境模拟箱及试验参数选取。

研究选取紫外线辐射、温度及湿度作为室内加速耦合老化试验装置的三个最主要因素。

试验采用UVA-340紫外线灯模拟临界短波波长范围阳光光谱,选用6个灯管,紫外辐照度为300 W,根据辐射总量相等的原则,实验采用公式(1)～公式(3)计算室内紫外线辐射时间。

Q紫=a×Q总

(1)

Q室=1.1×Q紫

(2)

T=Q室/P

(3)

式中:Q总为室外每平方米太阳总辐射量,MJ/m2;Q紫为室外紫外线每平方米辐射总量,MJ/m2;A为紫外线在太阳整个辐射能中所占的比例(新疆地区约为7%);Q室为室内紫外线每平方米辐射总量,MJ/m2;P为紫外线灯辐照度,W/m2;T为紫外线灯照射时间,d。

参照最不利原则,试验选取哈密盆地罗布泊地区的太阳年总辐射量6 300 MJ/(m2·a)作为试验参数。通过计算可知,模拟3、6、12、18个月的紫外线辐照的时间为5、9、19、28 d。

试验采用不锈钢干烧型烘箱加热管和TED温控仪进行温度控制,试验温度根据式(4)计算。

te=to+asu×J/ao

(4)

式中:te为路表最高温度,℃;to为大气温度,℃;asu为不同材料表面的日照吸收率和放射吸收率;J为夏季白天时的全日射量,取710 kcal/(m3·h);ao为为放射系数。

沥青混合料的日照吸收率通常在65%～80%之间,风速为零时的放射系数为20 kcal/(m2·h·℃)。南疆地区夏季温度通常在40 ℃以上,极端情况下能达到45 ℃以上,因此选取42 ℃作为to,则沥青路面可能温度范围为65.1～70.4 ℃。因此,选取70 ℃作为模拟沥青混合料长期老化试验的温度参数。

试验采用湿度记录仪和敞口大小固定的容器进行湿度控制。通过容器内水分的蒸发将湿度控制在一定范围。通过调查南疆地区年平均相对湿度基本都在30%～40%,空气较为干燥,考虑绿洲地带的气候特点,试验选择50%～60%相对湿度作为参数。将上述系统组合为模拟箱,如图1所示。

图1 模拟箱结构示意图

(2)长期环境模拟试验方法。

根据已经确定的试验参数,结合沥青路面实际工作状态,并参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的规定,最终确定下述试验步骤。

①试验选取0.4%PA-1型抗剥落剂和0.45%LX-6525型抗剥落剂分别加入沥青,为保证抗剥落剂与沥青均匀混合,试验选用高速剪切机,对掺加抗剥落剂的沥青以1 000 rpm搅拌5 min。

②拌和沥青混合料,并将其按照松铺厚度21～22 kg/m2放置在搪瓷盘中,然后放入烘箱中,烘箱温度控制在135±1 ℃,通风。混合料每小时翻拌一次,保证老化均匀,4 h±5 min后将混合料取出,供试验试用。

③将松散的混合料分别制作成型高温、低温、疲劳试验所需的车辙板、小梁试件以及疲劳荷载试件。

④调节室内加速耦合老化试验装置,打开加热系统,将温控仪调到70 ℃,打开加湿模块容器,将湿度控制在50%左右,保持3 h。

⑤待容器内部的温度和湿度稳定后,将试验所需试件放入机箱内,关上箱门,打开紫外灯。

⑥将试件分别在仪器内放置5、9、19、28 d,当到达时间后,取出部分试件进行性能测试。

2 试验结果与分析

2.1 高温稳定性

研究采用车辙试验评价经过南疆气候模拟试验掺加抗剥落剂的沥青混合料的高温稳定性能,试验温度选择60 ℃,试验数据如图2、图3所示。

图2 沥青混合料动稳定度的变化

图3 沥青混合料相对变形率

三种沥青混合料的动稳定度在长期老化环境作用以后呈现先增加后减小的趋势,而相对变形量随着老化时间的增加而先减小后增加,这说明随着老化时间的增加,沥青混合料的高温稳定性呈先增大后减小的趋势。这是因为模拟老化主要由热老化和紫外线老化构成,在试验开始阶段主要由热老化起作用,沥青中轻质组分或挥发或转化为胶质和沥青质,因此沥青软化点增高,针入度降低,黏度增大,沥青相对变稠,增强了抵抗变形的能力,进而减少了沥青混合料车辙的形成;而随着时间的推移,紫外老化逐渐发挥作用,紫外辐射能够使沥青中含有双键的高分子发生断裂,导致沥青的黏结力降低,从而增加了脆性,因此沥青混合料的高温稳定性降低。在相同老化时间下,未掺加抗剥落剂的沥青混合料动稳定度大于掺加抗剥落剂的沥青混合料,抗剥落剂的加入降低了沥青混合料的高温稳定性。

2.2 低温抗裂性

研究使用车辙板切割的小梁试件来进行低温弯曲试验,评价掺加抗剥落剂的沥青混合料的低温抗裂性能,试验温度选择-10 ℃,试验数据如图4、图5所示。

图4 低温抗弯拉强度

图5 低温最大弯拉应变曲线

由图4、图5可以看出环境模拟实验降低了沥青混合料的抗弯拉强度,降低了混合料的变形能力,降低了沥青混合料的低温抗裂性。相同老化时间下,添加抗剥落剂的沥青混合料最大弯拉强度、最大弯拉应变均大于基质沥青混合料,这说明抗剥落剂对沥青混合料的低温性能有所改善,但不同的抗剥落剂增加幅度不同,其中低温抗裂性优劣顺序由大到小依次为LX-6525型沥青混合料、PA-1型沥青混合料、基质沥青混合料。在老化前期,PA-1型抗剥落剂对沥青混合料的低温抗裂性有较大提升,而随着老化时间的增大,提升幅度逐渐降低,PA-1型沥青混合料的抗弯拉强度以及应变向基质沥青混合料靠近,这说明PA-1型抗剥落剂随着温度和紫外线作用时间的增加,迅速分解,从而失去对沥青混合料性能的改善作用;而LX-6525型沥青混合料在28 d老化后仍有一定改善作用,这表明LX-6525型抗剥落剂具有较好的耐老化性。

2.3 抗疲劳性能

研究选用小梁弯曲三点疲劳试验方法来研究长期老化作用下掺加抗剥落剂的沥青混合料抗疲劳性能。应力比选取0.5,试验数据如图6所示。

图6 掺加抗剥落剂的沥青混合料老化时间与疲劳寿命关系

沥青混合料的疲劳寿命随着老化时间的增加呈降低趋势,并且其下降幅度逐渐降低,当沥青混合料未老化前,混合料的疲劳寿命达到6 000次以上,而老化时间达到28 d时,疲劳寿命只剩下2 000多次,降低幅度达到60%以上;三条曲线基本接近,在相同老化时间作用下,抗剥落剂对沥青混合料疲劳寿命的提升不到9%,且随着老化时间增大而降低,这说明添加抗剥落剂对于沥青混合料的疲劳性能改善效果不明显。

对图6进行拟合,不同混合料的老化时间-疲劳寿命回归方程见表1。

表1 不同混合料的老化时间-疲劳寿命回归方程

由表1回归方程可以发现,常数项中,添加抗剥落剂的沥青混合料常数项要大于基质沥青混合料,这说明对于未经老化试验的沥青混合料,添加抗剥落剂后,沥青混合料的疲劳寿命有所提升;二次项的系数代表老化时间对于沥青混合料疲劳性能的影响程度,由大到小依次为PA-1沥青混合料(6.720 4)、LX-6525沥青混合料(6.241 1)、基质沥青混合料(6.228 5),这说明随着老化时间的增加,添加抗剥落剂的沥青混合料疲劳寿命降低幅度大于未掺加抗剥落剂的沥青混合料,说明掺加抗剥落剂的沥青在紫外高温环境下的耐久性较差。

3 抗剥落剂在南疆地区的适应性

通过研究发现,在南疆长期环境模拟试验的过程中,三种沥青混合料的性能均大幅降低,其中添加抗剥落剂的沥青混合料降低幅度要大于基质沥青混合料。就高温性能而言,基质沥青混合料要优于掺加抗剥落剂的沥青混合料,而就疲劳寿命而言,掺加抗剥落剂的沥青混合料的减小幅度也要大于基质沥青混合料,而低温性能则是掺加抗剥落剂的沥青混合料略有优势,但其衰减幅度较大,且逐渐向基质沥青混合料靠拢。对于两种抗剥落剂来说,LX-6525型非胺类抗剥落剂的耐老化性能要优于PA-1型胺类抗剥落剂,这从沥青混合料的性能变化规律可以看出。

因此,在南疆大部分地区,抗剥落剂的添加不能对沥青路面起到改善的效果,而且部分因添加抗剥落剂而达到规范要求的沥青混合料在南疆的特殊环境下,性能急速衰减,从而在使用年限内发生早期病害,影响路面的使用寿命;而对于通过绿洲地带的沥青路面,则应选择耐老化性更好的非胺类抗剥落剂作为添加剂,提高其低温性能。

4 结 论

(1)在光热耦合老化作用下,沥青混合料的高温性能呈现先增大后减小的趋势,并且抗剥落剂的加入导致沥青混合料的高温稳定性降低,动稳定度减小。

(2)沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变随着老化时间的增加,衰减幅度逐渐降低,而添加抗剥落剂提高了沥青混合料短期内的低温抗裂性,但长期的低温抗弯拉强度反而大幅度降低,降低幅度从大到小依次为PA-1型沥青混合料、LX-6525型沥青混合料、基质沥青混合料。这说明在高温紫外环境下,添加抗剥落剂的沥青混合料低温性能衰减较快,抗剥落剂未对沥青混合料起到效果。

(3)南疆环境长期模拟老化降低了沥青混合料的疲劳性能,降低幅度达到60%以上,而抗剥落剂的添加有助于提高沥青混合料在初始阶段的疲劳性能,但是由于抗剥落剂高温稳定性较差,因此添加抗剥落剂的沥青混合料疲劳寿命降低幅度随着老化时间的增大而变大,且疲劳寿命向基质沥青混合料靠近。

(4)对于南疆高温干旱的环境,抗剥落剂的添加虽然在初始阶段提高了沥青混合料的性能,但是随着老化时间的增加,添加抗剥落剂的沥青混合料性能衰减幅度大于基质沥青混合料,使得沥青路面在使用年限内更易发生病害。