復合增效型瀝青混合料設計及性能研究

夏澤沛

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川 成都 610017)

0 引言

解決現有車轍問題是高速公路養護的關鍵[1]。對于高速公路車轍維修養護技術，國內外雖然已進行了不少相關研究，也取得了一些相關研究成果，如采用抗車轍劑和使用SBS改性瀝青等，但仍然存在一些問題沒有得到徹底地解決[2]，比如：

(1)抗車轍劑等材料雖然可以改善瀝青混合料的抗車轍性能，但添加抗車轍劑需要額外提高瀝青混合料的生產溫度，性能尚可而環保不足；(2)SBS摻量、儲存穩定性、高溫生產、高排放、施工和易性等各個因素之間形成矛盾，常規SBS改性瀝青已不能滿足在一些特殊路段重載交通對瀝青膠結料的性能要求；(3)與新建工程不同，養護工程一般沒有特定的現場拌合樓，養護施工材料一般只能選擇就近供料，且運距較長，常規的瀝青混合料類型難以滿足施工養護的要求。

本文擬研究的復合增效型瀝青混合料就是基于上述問題所提出的。(1)提高瀝青膠結料的高溫PG等級，進而提高瀝青路面的抗車轍性能50%～100%。(2)具有較為明顯的降溫特性，約降溫30℃，可以改善瀝青混合料的施工和易性，減少壓實次數，延長可施工時間，適合作為薄層加鋪的瀝青混凝土材料。此外，生產溫度降低意味著瀝青混合料生產能耗的降低，同時大大減少了有害氣體的排放，從而起到綠色環保的效果。(3)復合增效劑可以提高瀝青混合料的高溫性能，又能降低施工溫度。工程造價從整體上來說比單一改性瀝青混合料減少很多，具有極大的經濟效益[3]。為了便于科學地指導其工程應用，需要對其作用機理以及對瀝青混合料的影響進行深入研究。本文首先采用差熱分析試驗對其受熱熔融情況進行分析，以了解其熔融峰的出現溫度，方便施工溫度的調整；其次，就其對瀝青常規指標的影響進行研究，了解其影響趨勢，作為混合料設計的參考和優化；最后，根據其特性，進行混合料的設計和路用性能的評價。

1 復合增效劑作用機理及對瀝青性能的影響

1.1 復合增效劑的差熱掃描分析

外摻劑的性能直接影響混合料的使用效果，而性能又由其化學組成來決定。一般而言，外摻劑的化學組成不對外公開，但對于聚合物改性添加劑可通過差熱掃描量熱法試驗(Differential Scanning Calorimetry，簡稱DSC)來對其熔融溫度及熱熔進行測定[4]。利用DSC分析方法，可以從能量變化角度考察外摻劑在溫度變化過程中的組成與結構微觀變化。在進行DSC分析時，外摻劑中各組分的吸收峰重疊在一起形成一個溫度范圍很寬的吸收峰，峰的大小和位置反映了外摻劑組成與結構的微觀性質。

熔融是指聚合物從固態向具有不同黏度的液態的轉變，在DSC曲線上表現為吸熱峰。熔融焓是指在恒壓下，材料熔融所需要的熱量，熔融焓越大，表明聚合物熔融所需吸收熱量越大，反之亦然。通過對比DSC曲線，并計算相應焓值，可表征不同聚合物外摻劑在混合料生產時，正常時間內通過熔融改性，形成穩定內部結構的難易程度。即焓值越大，在常規生產時間內越難形成穩定結構，其改性效果也越差[5]。

試驗對象：兩種外摻劑——復合增效劑A和PR.M。

試驗條件：取6 mg左右樣品(精確至0.01 mg)置于儀器內，從50 ℃以20 ℃/min的升溫速率加熱至300 ℃，實時記錄DSC曲線。

試驗結果如圖1所示：

(a)

(b)圖1 兩種外摻劑DSC曲線圖

從試驗結果來看：

復合增效劑的熔融峰峰值溫度為135℃，且只出現一個熔融峰；而PR.M出現了兩個熔融峰，第一個峰值約為126 ℃，第二個峰值約為161 ℃。從中可以看出復合增效劑的成分較為單一，PR.M成分中含有兩個不同熔融點的組分團，其中第二個組分團對施工不利，施工工藝應進行調整。采用復合增效外摻劑，在施工時最低拌合溫度應不低于135 ℃，為保證質量，推薦在140 ℃以上。

1.2 復合增效劑的作用機理

復合增效型添加劑的主要成分為分子量在10 000～15 000的高分子聚烯烴。其有機成分調節劑可以調整瀝青各組分比例以及分子量的分布，從而實現提高高溫抗車轍和降低拌合溫度的復合特性。即當溫度升高時，復合增效劑中的長鏈脂肪烴通過吸附瀝青中與它本身結構相近似的飽和組分產生溶脹，溶解形成穩定不離析的溶液，加速瀝青熔化，進而降低其運動黏度；當溫度降低時，復合增效劑在瀝青中形成網狀的晶格結構，進而鎖定這些飽和組分，增加瀝青穩定性，提高其抗車轍性能，從而達到復合增效的作用[6]。它不同于Evotherm基于降低表面活性溫拌技術和Sasobit合成蠟的降粘溫拌機理[7]。

1.3 復合增效劑對瀝青的影響研究

本文就復合增效劑對瀝青膠結料的性能影響進行了研究，采用瀝青為殼牌70#(PG64-22)，其常規指標見表1；復合增效劑采用A，摻量為內摻2%。

表1 復合增效劑對瀝青指標的影響數值表

添加時先將基質瀝青加熱到140 ℃～150 ℃，摻加一定劑量的復合增效劑，保持150 ℃剪切60 min，摻加前后指標變化如圖2～4所示：

圖2 復合增效劑對瀝青指標的影響示意圖

圖3 不同摻量復合增效劑對瀝青指標的影響示意圖

圖4 與SBS改性瀝青黏度的比較示意圖

上述結果表明，復合增效劑能明顯提高瀝青膠結料的60 ℃黏度和軟化點，但是對于135 ℃黏度反而有減少的趨勢。與相同摻量下的SBS改性瀝青相比，其高溫黏度亦更低。

2 復合增效型瀝青混合料設計及應用思路

針對復合增效材料高溫降粘、低溫增粘的特點，本文借鑒法國超薄磨耗層的級配設計理念以及國內相關應用實踐[8]，進行了復合增效型瀝青混合料的設計，并對其路用性能進行了相應研究。其級配圖如圖5所示，其中MAC-10級配介于傳統AC和SMA之間，MAC-13級配則與傳統的AC-13型級配差別不大。MAC-10和MAC-13油石比分別采用5.5%和5.1%，采用100次旋轉成型空隙率分別為4.6%和3.5%。

圖5 復合增效型瀝青混合料級配示意圖

3 復合增效型瀝青混合料性能研究

復合增效劑的添加，一方面極大提高了瀝青膠結料在60 ℃時的黏度，而60 ℃黏度與瀝青混合料的高溫抗車轍性能密切相關，從而改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能；另一方面降低瀝青膠結料在施工拌合時的高溫黏度，從而可以有效降低攤鋪溫度，改善了改性瀝青混合料的施工和易性，使得改性瀝青混合料易于壓實成型。同時，生產能耗和溫室氣體排放也將大大減少。復合增效劑采用“直投式”生產，無需對拌合樓進行改裝，施工便利。本文對其混合料的路用性能進行了試驗評價。

3.1 高溫穩定性

采用車轍試驗對不摻添加劑和摻加0.35%復合增效劑的混合料高溫性能進行對比分析，如圖6所示，瀝青膠結料采用PG70-22改性瀝青。對于MAC-10型改性瀝青混合料，添加0.35%復合增效劑后車轍動穩定度由4 735次/mm增加到8 735次/mm，而MAC-13型瀝青混合料則由5 728次/mm增加到9 770次/mm，可見，復合增效劑對瀝青混合料的高溫性能改善明顯。

圖6 復合增效劑對混合料高溫性能的影響對比柱形圖

3.2 降溫特性

借鑒美國NCHRP 9-44的研究成果[9]，采用降溫壓實比R對瀝青混合料的溫拌效果進行評價。R根據下式進行計算得到：

其中：R——降溫壓實比，通?！?.25；

(N92%)T——壓實溫度T時，室內試件達到92%理論壓實度的旋轉壓實次數；

(N92%)T-30——壓實溫度在T-30 ℃時，室內試件達到92%理論壓實度的壓實次數。

本文還對比了普通瀝青混合料和摻加改性劑的復合增效型瀝青混合料的壓實次數結果，如圖7所示。

圖7 不同溫度下達到92%理論密實度的旋轉作用次數對比(MAC-13)柱形圖

從圖7可以看出，同一溫度下，復合增效型瀝青混合料達到92%理論密實度的旋轉作用次數，比普通瀝青混合料要少。從降低30 ℃的壓實作用結果來看，其降溫壓實比R=13/11=1.18，滿足規范≤1.25的要求。在MAC-13混合料中添加復合增效劑后，不同成型溫度對混合料空隙率和抗水損害性能影響如圖8所示。

圖8 不同溫度下復合增效劑對混合料性能指標的影響(MAC-13)曲線圖

由圖8可以看出，復合增效型瀝青混合料的空隙率由165℃成型時的2.72%，增加到145 ℃下成型時的3.15%，但其凍融劈裂強度比仍滿足規范要求(≥85%)，表明降低成型溫度后，仍具有較好的抗水損害性能。上述結果表明，復合增效劑具有較好的降溫效果，能極大地改善瀝青混合料的壓實特性，適合用于高速公路薄層類養護方案的實施。

3.3 抗水損害性

按照規范標準，采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗對添加復合增效劑前后的瀝青混合料水穩定性進行驗證，結果如圖9所示。

圖9 復合增效劑對混合料水穩定性能的影響(MAC-13)柱形圖

從浸水馬歇爾試驗結果可以看出，其穩定度比由91.2%提高到98.3%；凍融劈裂試驗的TSR值也由83.2%提高到91.8%。表明在添加復合增效劑后，對混合料抗水損害性能也有所改善。

3.4 低溫性能

通常高溫性能好的瀝青混合料由于其較高的模量值，往往具有較差的低溫性能。復合增效劑能夠有效提高瀝青混合料的高溫性能，其對低溫性能的影響也值得關注。良好的高低溫性能是保證瀝青混合料耐久性的基本要求。本文通過低溫小梁彎曲試驗進行了驗證，試驗結果見圖10。試驗結果表明，MAC-13型混合料摻加了0.35%復合增效劑后，其低溫彎曲應變略有降低，但總的來看，影響不大。

圖10 復合增效劑對混合料低溫性能的影響(MAC-13)柱形圖

4 結語

課題通過對復合增效劑的差熱分析，確定了其熔融溫度范圍；結合其高溫降粘、低溫增粘的特點，進行了兩種混合料的設計，即MAC-10和MAC-13。復合增效型瀝青混凝土MAC-10具有：(1)易于壓實，具有較好的表面特性；(2)增加膠結料黏度，提高高溫抗車轍性能，具有復合增效特點；(3)增加路面厚度，對結構進行補強，起到預防性養護的作用；(4)材料組成和施工簡單，無需對拌合樓進行改裝。復合增效型瀝青混凝土MAC-13具有材料特性同MAC-10,并可對≥14 mm較深的車轍進行處治；可解決已有的表面層貫穿的裂縫和龜裂；且表面抗滑較好。同時就復合增效劑對混合料的路用性能和降溫特性影響進行了研究。結果表明，復合增效劑能對瀝青混合料的高溫性能和施工壓實性能改善明顯；對水損害性能有一定提高，對低溫性能影響不大。復合增效型瀝青混凝土MAC-10適用于車轍較小，采用淺銑刨后的填補，或者采用超薄罩面的預防性養護；復合增效型瀝青混凝土MAC-13適用于車轍較大或者表面層貫穿裂縫的銑刨重鋪。