硫酸钙晶须高模量沥青混凝土的路用性能

王 修 山

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司博士后工作站，陕西西安710054;2.长安大学 公路学院，陕西西安710064)

随着社会经济的飞速发展，道路交通流量的迅速增大，特别是重型车的增多和高压轮胎的使用，使得很多道路都过早的出现车辙。车辙是一种常见的由于高温稳定性不足导致的道路病害，它使得驾驶员们难以控制方向盘，增加行车的危险性。

为了解决沥青路面的车辙问题，国内外的许多学者提出多种的解决方法，其中一种方法就是通过提高沥青混合料的模量来提高路面的抗车辙能力。国际上主要通过两种方式来提高沥青混合料的模量。一种是采用硬质沥青，所谓硬质沥青，通常指25～℃针入度小于25(0.1 mm)的道路沥青。在过去20多年的时间里硬质沥青在法国广泛应用，其氧化生产工艺和减压蒸馏工艺;另一种方式则是在沥青混合料中加入高模量外掺改性剂［1］。这些传统方法通常对高模量沥青混凝土的低温性能考虑较少。

笔者采用硫酸钙晶须高模量沥青混合料外掺剂，通过高温车辙、低温弯曲、水稳定性及抗疲劳性试验等相关路用性能对比试验，得出硫酸钙晶须高模量沥青混合料的显著性能，并由此定位它的应用前景。

1 高模量沥青混凝土配合比设计

1.1 无机改性剂硫酸钙晶须

晶须是指在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，其直径非常小(μm数量级)，不含有常规材料中存在的缺陷(晶界、位错、空穴等)，其原子排列高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值。其机械强度等于邻接原子间力。晶须的高度取向结构使其具有高强度、高模量和高伸长率［2］。

笔者在研究中所采用的硫酸钙晶须具有较大长径比，形状细微，与其它类型纤维相比更易与沥青融合，硫酸钙晶须耐高温(熔点为1 450℃)、抗腐蚀且性能稳定。硫酸钙晶须填加到沥青中，可在热力、机械力的作用下，以细微纤维状无序地分散在沥青混合料中，由于其尺寸细微，与其它填料相比，硫酸钙晶须与沥青之间的相容性要好得多［3-4］。同时，硫酸钙晶须能与沥青基体形成部分交联网络结构，降低沥青胶体的流动性，提高其黏度和高温变形能力，从而增加沥青混合料抵抗外部荷载的能力。

1.2 材料及配合比设计

沥青材料采用埃索90#沥青，集料采用普通优质石灰岩。经测试，沥青和集料的各项指标均满足规范要求。级配选用AC-20沥青混合料，目标级配如表1，根据马歇尔击实试验确定混合料的最佳油石比为4.2%。

表1 混合料级配数据Table 1 Gradation of asphalt mixtures

根据混合料的体积指标来初步确定改性剂掺量。室内试验时，预先将矿料加热至180～190℃，沥青预热至155℃左右，拌和锅温度控制在180℃左右。拌和时首先将矿料和外掺剂一起拌和3 min，然后加入沥青再拌和3 min。混合料击实温度控制在155℃左右，双面击实75次。不同掺量下混合料的空隙率试验结果见表2。试验参考的技术标准有JTG E 42—2005《公路工程集料试验规程》［5］、JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［6］。

表2 不同改性剂掺量下的混合料空隙率Table 2 Mixture air void in different modifier dosage

表2的试验结果显示，硫酸钙晶须的加入会增大混合料的空隙率，掺量0.05%和掺量0.1%的试件，空隙率都符合规范要求，但掺量0.2%和0.3%的试件空隙率过大，不符合规范要求。原因可能是因为硫酸钙晶须的强度过大，导致混合料较难压实。因此，选用0.05%和0.1%两个掺量来进行进一步研究。

2 路用性能试验

选取硫酸钙晶须掺量为0.05%(A)和0.1%(B)的两种高模量沥青混合料和埃索90#普通沥青混合料(C)3种混合料。分别对其进行室内车辙，低温弯曲，浸水马歇尔，冻融劈裂和抗疲劳试验。

2.1 高温稳定性

根据马歇尔击实实试验结果，分别对3种沥青混合料进行车辙对比试验，高温性能通常以车辙试验(60℃)动稳定度DS(次/mm)值表征，试验结果见表3。

表3 沥青混合料车辙试验结果Table 3 Asphalt mixture rutting test results

由表3可以看出，掺加硫酸钙晶须的高模量沥青混合料的高温稳定性较基质沥青有明显提高。其中硫酸钙晶须掺量为0.05%时，动稳定度较普通沥青混合料略有增加;当掺量增加到0.1%时，混合料的动稳定度较基质沥青混合料提高了约140%，说明硫酸钙晶须在集料之间形成的网状结构，加强了沥青混合料体系的相互作用力和整体性，对混合料温度敏感性降低，高温抗剪切能力的改善效果非常明显。所以单从高温稳定性来看，0.1%是较为理想的改性剂参量值。

2.2 低温弯曲性

在-10℃、加载速率50 mm/min的条件下，将经过轮碾机成型后的3种沥青混合料切制成的棱柱体小梁进行低温弯曲试验，低温性能以低温(-10℃)下的弯曲试验破坏应变值表征，试验结果见表4。

表4 沥青混合料的低温弯曲试验结果Table 4 Asphalt mixtures at low temperature bend test results

由表4可以看出，掺加硫酸钙晶须的高模量沥青混合料的低温抗裂性与基质沥青混合料呈现出不同的水平:基质沥青与0.05%掺量比例的混合料的破坏应变大致为2 450 με左右;0.1%掺量则略有降低。在试验掺量范围内，两种掺量都满足90#沥青的规范要求值(2 300 με)，由此可见，在试验选取的两种掺量下硫酸钙晶须对沥青混合料的低温性能未见显著影响。

2.3 水稳性

沥青混合料的水稳性是指沥青与矿料形成黏附层后，抵抗水引起沥青膜剥落的能力。沥青混合料的水稳定性主要取决于集料的性质、沥青与集料之间相互作用的性质、沥青混合料类型以及施工碾压等因素。本试验中以冻融劈裂试验试验方法来评价3种混合料的水稳性。试验结果如表5。

表5 沥青混合料冻融劈裂试验结果Table 5 Asphalt mixtures freeze-thaw splitting test results

由表5可以看出，掺加硫酸钙晶须的高模量沥青混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比较基质沥青均有明显提高，且0.1%掺量的好于0.05%掺量的，0.1%掺量的较普通混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比分别提高了7.8%和7.1%。可见，硫酸钙晶须改善了沥青与集料间的界面性能，增加了沥青胶浆的黏度，更有利于提高混合料的水稳定性。

2.4 抗疲劳性能

试验以应变控制，采用应变分别为300，400，500 με的控制水平。以材料劲度模量达到初始劲度模量的50%时所经历的加载次数为疲劳次数。根据试验结果得到疲劳次数见表6。

表6 沥青混合料疲劳试验结果Table 6 Asphalt mixtures fatigue test results

从表6中数据可以看出，掺加硫酸钙晶须的高模量沥青混合料的抗疲劳性能明显强于埃索90#沥青混合料，硫酸钙晶须很好的提高了沥青混合料的劲度模量，尤其是在低应力状态下，高模量沥青混合料表现出了较大的抗破坏荷载作用和弯曲破坏强度，充分体现了掺加硫酸钙晶须高模量沥青混合料优越的抗疲劳性能。

2.5 动态模量

在不同温度、不同加载频率试验条件下，对基质90#沥青、掺加硫酸钙晶须沥青混凝土进行了动态模量试验［7-8］。通过数值优化的方法，建立了45℃时沥青混合料的动态模量的主曲线，见图1(①线为掺加硫酸钙晶须沥青混凝土曲线)。

图1 动态模量主曲线(参考温度45℃)Fig.1 Dynamic modulus Lord Curve(referential temperature at 45 ℃)

从图1动态模量主曲线图可以明显看到，在高频区域，两种材料的动态模量趋于一致，而在低频区域使用硫酸钙晶须的沥青混合料表现出较高的动态模量值，表明其抗高温或低频加载能力强。

3 效益分析

硫酸钙晶须的合成原料是我国优势矿产资源生石膏，价格低廉为3 000元/t，而法国PRS单价约为12 000元/t，德国Duroflex单价约为24 600元/t，而且经试验分析:其在沥青混合料中的掺量是一般高模量改性剂用量的1/2～1/5，所以使用硫酸钙晶须作为改性剂，可以降低工程造价，经济效益显著。其次，硫酸钙晶须无毒无害、性能稳定，特别是其优良的耐高温性，使其具有不会引起高温滑移的完整性，温度升高时，晶须不分解、不软化，其强度几乎没有损失，减缓路面早期破坏，延长路面使用寿命。作为新型改性剂，具有绿色环保、广阔的推广应用前景。

4 结论

1)硫酸钙晶须作为一种晶体纤维，其改性沥青混合料的机理符合纤维增强改性沥青混合料的机理。

2)加入硫酸钙晶须改性的高模量沥青混合料，可以在保证混合料低温性能不受影响的情况下显著提高其高温稳定性、水稳性和抗疲劳性等，从而可以解决道路上常见的的车辙，水损等病害，保证道路具有良好的路用性能。

3)硫酸钙晶须改性高模量沥青混合料在保证道路良好路用性能的同时，兼具显著的经济效益与社会效益。

［1］张争奇，张登良，杨荣尚.改性沥青机理研究［J］.西安:西安公路交通大学学报，1998，18(4):22-25.ZHANG Zheng-qi，ZHANG Deng-liang，YANG Rong-shang.The modifying asphalt mechanism study［J］.Journal of Xi’an Highway University，1998，18(4):22-25.

［2］韩跃新，于福家.硫酸钙晶须增强EP-热塑性弹性体研究［J］.非金属矿，1997(6):28-30.HAN Yue-xin，YU Fu-jia. Study of calcium sulfate whisker strengthens the EP-thermoplastic elastomer［J］.Journal of Nonmetalliferous Ore，1997(6):28-30.

［3］费文丽，李征芳，王晰.硫酸钙晶须的制备及应用评述［J］.化工矿物与加工，2002(9):31-32.FEI Wen-li，LI Zheng-fang，WANG Xi.Commentary of calcium sulfate whisker’s preparation and application ［J］.Journal of Chemical Mineral and Processing，2002(9):31-32.

［4］韩跃新，于福家，王泽红.以生石膏为原料合成的硫酸钙晶须及其应用研究［J］.国外金属矿选矿，1996(4):50-52.HAN Yue-xin，YU Fu-jia，WANG Ze-hong.Applied research of calcium sulfate whisker based on gypsum as raw material synthesis［J］.Journal of Overseas Metalliferous Ore Dressing，1996(4):50-52.

［5］JTG E 42—2005公路工程集料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2005.

［6］JTJ 052—2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［7］张朝旭.路宝牌高模量沥青混凝土外掺剂研究与性能分析［J］.北方交通，2008(4):1-4.ZHANG Chao-xu.Research on Lubao brand additive for asphalt concrete with high modulus and analysis of its performance［J］.Journal of North Transportation，2008(4):1-4.

［8］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2001.