干法改性剂对沥青混合料AC-13性能的影响分析

樊婷 左健

作者简介：

樊 婷（1987—），工程师，主要从事国省道干线公路的日常养护工作。

为了解决广西普通国省干线公路中重载交通、长大纵坡和红绿灯交叉口等低速行车路段沥青路面极易出现中重度车辙问题，文章针对广西地区高温多雨的气候特点，选用粗颗粒断级配骨架密实型级配，将70#基质沥青、SBS改性沥青、干法SBS改性剂、新型抗车辙剂KCZ制备成四种沥青混合料，通过车辙试验检验其高温稳定性，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验其水稳定性，利用不同温度下的粘聚力和内摩擦角评价其力学性能。结果表明，干法掺入SBS改性剂和新型抗车辙剂可提高沥青混合料的动稳定度，可为干法添加剂新材料在广西普通国省干线公路沥青路面中的推广及应用提供参考。

干法SBS改性剂；新型抗车辙剂；沥青混合料；路用性能；力学性能

U414.1A220803

0 引言

广西普通国省干线公路中，重载交通、长大纵坡和红绿灯交叉口等低速行车路段的沥青路面极易出现中重度车辙现象。广西高速公路沥青路面中、上面层常使用SBS改性沥青。目前，SBS改性沥青主要通过湿法工艺制备，其制备工艺的优点在于可以满足大型项目的需求，但存在长时间储存容易发生离析现象和SBS受热易分解造成使用性能衰减的缺陷，影响沥青路面的耐久性［1-3］。而干法SBS改性沥青是指将改性剂直接加入沥青拌和楼的搅拌锅中，即拌和过程也是沥青改性过程，其主要优点为可以分别控制改性剂、集料和基质沥青等原材料的品质。

近些年来，相关研究人员对改性剂进行了大量研究。闫小岗［4］研究认为湿法掺入4.5%改性剂掺量的沥青混合料路用性能最佳；栾轶博等［5］发现SBR乳胶改性剂可以用于干法工艺；刘利丰［6］发现再生沥青混合料的水稳定性与干法SBS改性剂掺量呈正相关，且冻融劈裂抗拉强度比存在峰值；Mao等［7］通过研究聚烯烃干法改性热拌沥青的使用性能，发现其高温稳定性和冻融劈裂抗拉强度比性能优良；王正同等［8］研究了干法直投式SBS改性剂的路用性能，发现直投SBS改性沥青各项技术要求均满足符合规范要求。

以上研究主要集中在SBS改性剂对沥青混合料性能的影响，且湿法SBS改性沥青研究较多，因其性能优异而被大量应用研究，但缺少与干法SBS改性沥青混合料及干法抗车辙剂沥青混合料的路用性能和力学性能系统对比研究。为了解决广西普通国省干线公路中重载交通、长大纵坡和红绿灯交叉口等低速行车路段沥青路面极易出现中重度车辙现象的问题，考虑到广西高温多雨的气候特点，本研究选用粗颗粒断级配骨架密实型级配，通过对70#基质沥青、SBS改性沥青、干法SBS改性剂、新型抗车辙剂KCZ制备成四种沥青混合料，通过车辙试验检验其高温稳定性，并采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验其水稳定性，利用不同温度下的粘聚力和内摩擦角评价其力学性能，以期为干法添加剂新材料在广西普通国省干线公路沥青路面中的推广及应用提供参考。

1 原材料

1.1 沥青

试验采用70#A级道路石油沥青，试验结果如表1所示。

1.2 粗集料

粗集料为广西贵港市某石场生产的石灰岩碎石1#（5～10）、2#（10～15），细集料为石灰岩石屑（0～5） mm，根据《公路工程集料试验规程》（GTJ E42-2015）对试验采用的花岗岩集料进行物理相关指标试验，其主要技术指标测试结果如表2、表3所示。

1.3 填料

填料为白色石灰岩碎石加工磨制的矿粉，其基本技术指标如表4所示。

1.4 干法添加剂

干法SBS改性剂和新型抗车辙剂KCZ均由国路高科工程技术研究院提供，其中新型抗车辙剂KCZ是一种干法SBS接枝单组份环氧的沥青路面抗车辙改性剂新材料。

2 沥青混合料配合比设计

广西地区雨热同期，在沥青混合料配合比设计时要考虑其密实防水及骨架抗力的综合功能。结合广西公路沥青路面工程经验采用密实型沥青混合料AC-13，其通过率如表5所示。添加剂（新型抗车辙剂KCZ掺量占沥青混合料质量的1%，干法SBS改性剂占基质沥青的4%）以干拌法在沥青混合料中添加，即将外加剂与热集料于拌和锅中搅拌90 s，以确保改性剂充分均匀裹附在集料里，而后加入预定用量的基质沥青搅拌90 s，再后添加矿粉再搅拌90 s，沥青混合料拌制结束后，置于烘箱中短期老化2 h后成型相关马歇尔试件，其不同改性剂沥青混合料室内拌和、老化及成型温度控制如表6所示，相关马歇尔试验结果如表7所示，其中，AC-13（基质沥青）表示不掺外加剂，AC-13（湿法SBS）表示采用湿法添加SBS改性剂，AC-13（干法SBS）表示采用干法添加SBS改性剂，AC-13（干法KCZ）表示采用干法添加某新型抗车辙剂。

由表 7 可知，沥青混合料AC-13（基质沥青）、AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的马歇尔体积指标、稳定度和流值均满足《公路沥青路面施工技术规范》（ JTG F40-2004）的技术要求。相同油石比下，沥青混合料AC-13（基质沥青）、AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的空隙率分别为4.4%、4.2%、3.6%、5.2%。干法抗车辙剂KCZ沥青混合料AC-13空隙率相对较大，毛体积相对密度较少，这与抗车辙剂KCZ全部融化且裹附在集料表面，沥青混合料显得更为粘稠，柔韧性相对减少，降温速率相对更快，成型难度相对增大等相关。

3 沥青混合料的路用性能

3.1 高温稳定性

沥青混合料的高温稳定性表现为在长期高温条件下抵抗外界荷载发生变形的能力，其通过车辙试验来评价。成型标准车辙试块（300 mm×300 mm×50 mm），在试验温度为60 ℃、胶轮碾压荷载为0.7 MPa条件下进行高温抗车辙试验，试验结果如表8所示。

从表8可以知道：（1）AC-13（干法KCZ）在45 min、60 min变形量均小于0.3 mm，而AC-13（基质沥青）、AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）的60 min变形量分别为7.03、2.38、2.34 mm，AC-13（干法KCZ）的变形量明显要小于AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（基质沥青）；（2）沥青混合料AC-13（基质沥青）、AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的动稳定度分别为1 034、3 150、3 407、26 250次/mm，均满足≥1 000次/mm的规范技术要求，且相比于AC-13（基质沥青），AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的动稳定度分别提高了204.6%、229.5%、2 412.6%，即干法掺入抗车辙剂新材料的沥青混合料在高温条件下表现出优秀抗变形能力，进一步提高了沥青混合料的高温稳定性。

3.2 水稳定性

水损害性是普通国省干线公路沥青路面病害之一。本文通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂抗拉试验来评价干法抗车辙剂沥青混合料AC-13的水稳定性。浸水马歇尔试验采用两组标准马歇尔试件，分别置于温度为60 ℃的恒温水槽0.5 h、48 h进行试验。冻融劈裂试验采用两组双面击实次数为50次马歇尔试件，首先将一组马歇尔试件置于-18 ℃的冰箱冰冻16 h后，将其取出并放入60 ℃的恒温水槽浸泡24 h，而后再将两组马歇尔试件共同浸泡于25 ℃的恒温水槽浸泡2.5 h进行劈裂抗拉试验，试验结果如表9所示。

从表9可以知道，沥青混合料AC-13（基质沥青）、AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比均能满足规范技术要求，相对未掺入外加剂沥青混合料AC-13（基质沥青），AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）沥青混合料的残留稳定度度分别提高了19.6%、20.1%、5.8%，AC-13（湿法SBS）、AC-13（干法SBS）、AC-13（干法KCZ）沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比分别提高了19.4%、18.2%、8.7%。综合上述得，且就添加外加剂沥青混合料水稳定性能来说，AC-13（湿法SBS）效果最好，AC-13（干法SBS）次之，AC-13（干法KCZ）最差，这主要原因为沥青混合料AC-13（干法KCZ）孔隙率相对较低，且其更为粘稠和柔韧性低，经过冻胀作用后，表现为沥青混合料内部受损程度更大，劈裂强度降低，残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比相对更小。

4 沥青混合料的力学性能

沥青混合料的力学强度可以根据其内部组成结构分为两个方面［9-10］：（1）内摩擦角，表现为集料颗粒间相互嵌挤作用；（2）粘聚力，表现为沥青胶结料的黏合性能。沥青混合料的力学性能是采用单轴试验试验并结合劈裂试验的组合形式分别求得单轴抗压强度σ1及无侧限抗拉强度σ3，由摩尔极限应力圆得沥青混合料的粘聚力c和内摩擦角φ，相关公式见公式（1）、（2）、（3）。试验采用双面击实功为75次标准马歇尔试件，温度T分别变化为15 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，干法沥青混合料AC-13力学性能试验结果如图1所示。

由图1（a）中粘聚力随温度变化规律可知，干法添加外加剂改性的沥青混合料AC-13粘聚力大小不同，但其粘聚力c的变化规律均相同，即沥青混合料AC-13粘聚力随着温度升高而逐渐降低。AC-13（干法SBS）的粘聚力高于AC-13（湿法KCZ）、AC-13（干法KCZ）、AC-13（基质沥青）。从图1（b）内摩擦角随温度变化规律可知，沥青混合料AC-13内摩擦角均随温度升高而增大，与粘聚力呈反比关系。超过50 ℃后，AC-13（基质沥青）的粘聚力增加幅度不大，且具有略有减少的趋势，这主要原因基质沥青软化点为50 ℃左右，此时沥青混合料表现出黏弹性质。超过50 ℃后，沥青混合料AC-13的内摩擦角排序为：AC-13（干法KCZ）＞AC-13（湿法SBS）＞AC-13（干法SBS）＞AC-13（基质沥青），表明干

法添加某新型抗车辙剂的沥青混合料AC-13具有卓越的高温稳定性，与表8所得结论相同。

5 结语

基于广西普通国省干线公路重载交通、长大纵坡及红绿灯交叉口等路段沥青路面产生车辙沉陷问题，通过采用在基质沥青混合料AC-13中干法掺入SBS改性剂和某新型抗车辙剂，并以湿法SBS改性沥青混合料AC-13为对照组进行室内试验，评估了其水稳定性能、高温稳定性以及不同温度下的力学性能，得到以下结论：

（1）在不同改性工艺下，干法SBS改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及力学性能均优于湿法SBS改性沥青混合料。

（2）在相同干法改性工艺下，新型抗车辙剂KCZ沥青混合料的高温抗车辙变形能力优于干法SBS改性沥青混合料，但其抗水损害性能和力学性能则相反。

参考文献

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