高模量瀝青混凝土制備工藝與PR.M的最優摻量研究

余建強,王海飆*,孫明剛,王心智,柳斌

(1.東北林業大學 土木與交通工程學院,哈爾濱 150040;2.龍建路橋股份有限公司,哈爾濱 150001)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和居民生活水平的不斷提高,公路總里程不斷增加的同時,增長的是公路維修養護里程。截至2021年年底,全國超過99%的公路面臨著維修養護[1-2],但是由于交通量和重載車數量的增加,瀝青路面在高荷載、高溫和雨水沖刷等條件下,會出現車轍凹陷等問題,使路面嚴重變形,影響行車安全,這對我國道路的發展水平和研究方向提出了要求[3-6]。

在法國,PR.M(高模量改性劑)廣泛應用于瀝青混合料中,通過摻加在瀝青混合料中以發揮膠結、加筋、嵌擠和變形恢復等作用。高模量瀝青混凝土(High Modulus Asphalt Concrete, HMAC)的研究應用很好地為減輕瀝青路面的表面車轍、變形等問題提供了解決方法和解決思路。高模量瀝青混合料的設計過程一般是在基質瀝青中加入高模量改性劑,來提升瀝青混合料的動態模量和基層瀝青混合料的剛性,從而提高瀝青混合料的抗車轍能力[7]。但是法標設計體系與我國設計體系存在較大差異,其高模量瀝青混合料(EME)技術無法在我國直接應用[8]。國內所采用的高模量瀝青混合料的設計方法依然參考馬歇爾設計法,通過對動穩定度、動態模量等相關指標區分高模量瀝青混合料和普通瀝青混合料。同時如何針對我國的瀝青混合料設計施工規范中的要求,測試PR.M的摻加制備方式及最優摻量是亟待解決的關鍵問題。因此本研究選擇AC-20級配進行設計,研究適合高模量瀝青混凝土的馬歇爾實驗步驟及高模量劑摻加指標,并確定該實驗方法的合理性為工程實踐過程提供完整的設計思路。

1 原材料性質

1)瀝青

HMAC所用70#瀝青均按照規范測試其各項性能指標,均滿足規范規定的道路石油瀝青A、B級瀝青的要求。各性能指標結果見表1。

表1 基質瀝青技術性質Tab.1 Technical properties of base asphalt

2)集料性質

粗細集料均為石灰巖,最大粒徑為19 mm;礦粉為磨細的石灰石粉。集料和礦粉的技術指標均滿足規范規定的要求,具體參數指標見表2—表4。

表2 粗集料物理力學技術指標Tab.2 Technical indexes of physical mechanics of coarse aggregate

表3 細集料的密度Tab.3 Density of fine aggregate

表4 礦粉的技術指標Tab.4 Technical specifications of mineral powder

以上粗集料技術性質檢測結果表明,本研究采用的粗集料符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)對高速公路及一級公路用粗集料的質量技術要求。

以上細集料技術性質檢測結果顯示,細集料各項技術指標滿足規范對高速公路及一級公路用細集料的質量技術要求。

3)高模量劑

高模量劑選用法國PR-M,其外觀呈黑色。高為1～3 mm,直徑4 mm左右的圓柱形固體顆粒,其主要成分為熱塑性樹脂類的PE材料,其中95%以上為纖維聚合物,5%以下為填充物。

2 原材料及配合比設計

2.1 級配類型選擇

1)級配范圍的確定

為探究不同級配對HMAC混合料性能的影響,本研究以 AC-20級配中對應的級配范圍值及額外2種經驗級配為研究對象,級配范圍與級配曲線見表5與圖1。

表5 AC-20 級配Tab.5 Classification of AC-20

圖1 級配曲線Fig.1 Grading curve

2)最佳瀝青用量的確定

確定AC-20-Ⅰ型瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.4%,AC-20-Ⅱ型瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.5%,AC-20-Ⅲ的最佳瀝青用量為4.3%,后續試驗所成型的試件均按照上述級配和最佳瀝青用量確定,見表6。

表6 馬歇爾試驗結果Tab.6 Marshall test results

3)高模量劑用量的確定

在 HMAC 混合料中添加劑種類及劑量為 PR Module(高模量劑含量一般為0.4%～0.7%)。本研究中采用的添加劑種類為PR Module,為研究高模量劑的摻加對于瀝青混凝土的性能影響,選具體摻量為3組:0.4%、0.5%、0.6%。

2.2 試件成型方法和步驟

根據高模量劑加入的階段和方式,其混合料拌和方法可以分為干拌法、濕拌法。同時在拌和過程中,時間和溫度是影響高模量劑的融化效果和分散均勻性的重要影響因素。

2.2.1 試件拌和方法

濕拌法是在骨料拌和之前,先將高模量劑投入到高溫的瀝青中,通過長時間的高溫攪拌,使之在瀝青中進行溶解或熔脹,將攪拌均勻的高模量改性瀝青作為膠結料加入拌鍋,并拌和高模量劑瀝青混合料。干拌法是指高模量瀝青混合料在拌和時,高模量劑在干拌時和集料一起加入拌鍋,然后再加入瀝青,拌成高模量瀝青混合料的生產工藝。采用濕拌法時需要提前對瀝青進行改性,對比干法施工過程,程序相對繁多,施工過程中經濟性不夠理想。因此采用干法作為拌和方式。

2.2.2 外摻劑干拌時間

由于高模量瀝青混合料在拌和過程中容易發生結團現象,故而本研究對高模量瀝青混合料的外摻劑拌和時間進行分析研究,試驗中選用 AC-20-Ⅰ型瀝青混合料級配(最佳瀝青用量為4.4%),根據相關研究[9],干拌時間設定為0、30、60、90 s共4個水平,當取消干拌時間時,試驗結果表明,當干拌時間為15 s后,外摻劑顆粒分布仍有不均勻現象,加入瀝青后存在明顯的結團現象;當干拌時間大于30 s時,外摻劑顆粒分布相對均勻,拌和后無結團現象。因此在高模量瀝青混合料的拌和過程中,適當的干拌時間是必不可少的。從經濟性上考慮,在大規模生產時過長的干拌時間會導致高模量瀝青混凝土的生產效率降低,因此建議選取30 s作為外摻劑的干拌時間。一方面能有效地確保外摻劑和集料能夠充分與瀝青混合,充分保障混合料在攪拌時的均勻性,另一方面能有效地保證實際生產過程中避免因拌和時間過長導致了成本浪費。

2.2.3 拌和溫度

高模量劑主要利用高溫熔化的特點,在拌和過程中有效地融化并分散在混合料中,因此,高模量瀝青混凝土拌和溫度與普通瀝青混合料的拌和溫度相比,應相對較高。本研究依然選擇3個實驗溫度(160 、170 、180 ℃)進行測試。當拌和溫度選擇在160 ℃時,部分外摻劑并未完全融化分散在瀝青混合料里,混合料拌和后存在了明顯的未融化外摻劑,主要由于拌和溫度過低導致拌和過程中由于本身熱量散失,使得混合料內部溫度不均勻,從而不能達到有效的拌和過程;當溫度在170 ℃以上時,混合料拌和后外摻劑均融化在瀝青混合料中,拌和效果較好。但從工程實踐方面來看,過高的拌和溫度一方面會導致基質瀝青的快速老化,另一方面又會導致較多的熱量散失,造成生產過程中的產能浪費。本研究最終確定HMAC混合料拌和溫度設定為170 ℃。

2.2.4 拌和時間

在確定拌和溫度及干拌時間后,同樣需要確定投入瀝青及礦粉的拌和時間,從而保證在充足的拌和時間內,使得高模量劑與瀝青、集料、礦粉均勻充分地攪拌在一起。因此為了保證拌和效果,同樣選擇60 、90 、120 s的瀝青拌和時間,以及45 、60 、75 s的礦粉拌和時間進行研究。對于瀝青拌和時間來看,60 s的拌和時間過后,拌和鍋的內壁及底部依然存在大量的未裹附瀝青,說明拌和得并不充分。而當瀝青拌和時間大于90 s時,瀝青均能較好地裹附在集料的表面,但是依然考慮到瀝青在拌和過程中可能存在的老化問題,故而本研究中對瀝青拌和時間的選擇為90 s。對于礦粉的拌和時間來看,當礦粉的拌和時間為45 s時,礦粉并未能較好地、均勻地分散在混合料中,存在結團等現象,當拌和時間大于60 s時,礦粉能較為均勻地分散在瀝青混合料中。最終確定瀝青及礦粉的拌和時間為:加入瀝青拌和90 s;加入礦粉后拌和60 s。以試拌的方式把握最優拌和時間,確保集料能夠充分與瀝青混合,同時充分保障攪拌的均勻性。

3 高模量瀝青混凝土的路用性能研究

針對本研究所選擇的不同粗細比例特性所提出的級配制備馬歇爾試件,并根據路用性能實驗的結果分析不同級配類型對混合料性能的差異,評價不同級配類型的路用性能,并綜合確定混合料的級配情況。

3.1 高溫穩定性

3.1.1 車轍試驗設計

依據車轍實驗對高模量瀝青混凝土的高溫性能進行評價,從動穩定度(DS)指標分析不同粗細集料級配所制備的高模量瀝青混合料的高溫性能差異,分析粗細集料對高模量瀝青混合料的高溫性能影響。

3.1.2 車轍試驗結果分析

對比3種最佳瀝青用量下的級配類型的車轍試驗,研究高模量瀝青混合料HMAC的高溫穩定性影響,試驗結果見表7和圖2。

表7 車轍實驗結果Tab.7 Rut experiment results

3種類型的高模量瀝青混合料的動穩定度滿足規范中的要求,但是AC-20-Ⅱ級配所對應高模量瀝青混合料的高溫性能要大于其余2種級配類型的動穩定度。說明當粗集料的用量增加有利于形成穩定的骨架結構,從而使混合料有較好的高溫性能[10]。同時其對溫度敏感性更低,復摻纖維進一步增強了高模量瀝青混合料在夏季炎熱環境下的重載承受能力[11]。從PR.M的摻量上來看,對于同一種高模量瀝青混合料來說,當PR.M的摻量逐漸增加,其混合料的動穩定度也逐漸增加,證明高模量劑的摻加對瀝青混合料的高溫抗車轍性能有了一定程度的提升。如圖3所示。

圖3 不同PR.M摻量的最大彎拉應變Fig.3 Maximum flexural tensile strain with different PR.M content

3.2 低溫抗裂性

利用車轍板實驗制作的車轍板二次加工,將其切成尺寸為相應的長方體小梁試件,利用UTM萬能實驗機對切割后的小梁試件進行低溫抗裂的加載處理。通過UTM萬能試驗機所測算的抗彎拉強度、彎拉勁度模量和最大彎拉應變分析粗細集料級配比例對其低溫抗裂性能的影響。通過計算得出相關應力、應變等指標對高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能進行評價,試驗結果見表8。

表8 低溫穩定性實驗結果Tab.8 Experimental results of low temperature stability

在實驗溫度為-10 ℃條件下,從3種級配類型的低溫抗裂性能可見,彎拉應變最大的級配,其勁度模量最小,抵抗收縮變形能力最強,低溫抗裂性能最好。這是由于瀝青混合料中細集料的占比會很大程度影響混合料的低溫性能,細顆粒與瀝青組成的膠漿能有效阻礙裂縫發展,從而表現出較高的破壞應變,相反粗集料越多,裂縫延伸越快,表現出較小的破壞應變[12]。相關研究表明,由于高模量劑的摻入阻礙了分子運動并形成穩定的網絡結構[13-14],使得輕質組分在瀝青中的占比下降,降低了瀝青的蠕變柔度與蠕變速率,使其低溫性能不良[15]。對于同一種高模量瀝青混合料來說,當PR.M的摻量逐漸增加,其混合料的低溫抗裂性能有了一定程度的改善和提高,說明高模量劑摻加融化后增加了集料和瀝青之間的黏結性能。

3.3 水穩定性

結合現行規范要求,研究不同級配類型的高模量混合料水穩性能,試驗結果見表9,如圖4和圖5所示。

圖4 不同PR.M摻量的浸水馬歇爾指標Fig.4 Waterlogged Marshall index of different PR.M content

圖5 不同PR.M摻量的凍融劈裂指標Fig.5 Freeze-thaw splitting index of different PR.M content

表9 水穩定性結果Tab.9 Results of water stability %

從本研究所選擇的級配種類相對應的水穩定性結果分析,粗集料占比較高的級配類型其對應的凍融劈裂指標相對優異,主要原因是,粗集料含量增加使瀝青混合料的骨架性能增強,使得混合料在經歷凍融循環后,粗集料形成的骨架結構及瀝青膠漿的黏附力能有效地抵抗內部凍融所導致的空隙變化。而當細集料增多后導致了瀝青裹附的油膜變薄,使得混合料在凍融循環后內部空隙增加,從而使得凍融劈裂效果變差[15-16]。而PR.M的摻加對高模量瀝青混合料的性能并未產生較大的削弱,仍然能保證瀝青混合料的水穩性能滿足規范要求。

4 結論

本研究分別從拌和方法、混合料路通性能、混合料級配和經濟性比較等方面對高模量瀝青混合料(HMAC)進行評價,結論如下。

1)選擇3種不同粗細集料比例的AC-20級配類型,通過馬歇爾試驗確定高模量瀝青混合料(HMAC)的瀝青最佳用量分別為4.4%、4.5%、4.3%。并分別從高溫、低溫和水穩等方面對級配情況進行評價。結果表明,AC-20-Ⅱ的高溫性能、水穩定性能較優,主要因為粗集料增加有助于形成骨架結構從而增強,從而有效地減少車轍破壞和水損害。

2)結合室內混合料實驗和實際施工過程中拌和的施工工藝對施工成本效率的影響,采用干法作為拌和方式,并確定了混合料的拌和時間為干拌30 s,瀝青拌和90 s,礦粉后拌和60 s。

3)通過對不同摻量的高模量瀝青混合料的性能進行研究。其高溫性能隨著高模量劑的摻加,高模量瀝青混合料的動穩定度不斷增加。其低溫性能隨著高模量劑的摻加,高模量劑融化后增加了石料與瀝青間的黏附性,表現為低溫抗裂性能的增加。