夏澤沛

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610017)

0 引言

解決現(xiàn)有車(chē)轍問(wèn)題是高速公路養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵[1]。對(duì)于高速公路車(chē)轍維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外雖然已進(jìn)行了不少相關(guān)研究，也取得了一些相關(guān)研究成果，如采用抗車(chē)轍劑和使用SBS改性瀝青等，但仍然存在一些問(wèn)題沒(méi)有得到徹底地解決[2]，比如：

(1)抗車(chē)轍劑等材料雖然可以改善瀝青混合料的抗車(chē)轍性能，但添加抗車(chē)轍劑需要額外提高瀝青混合料的生產(chǎn)溫度，性能尚可而環(huán)保不足；(2)SBS摻量、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、高溫生產(chǎn)、高排放、施工和易性等各個(gè)因素之間形成矛盾，常規(guī)SBS改性瀝青已不能滿足在一些特殊路段重載交通對(duì)瀝青膠結(jié)料的性能要求；(3)與新建工程不同，養(yǎng)護(hù)工程一般沒(méi)有特定的現(xiàn)場(chǎng)拌合樓，養(yǎng)護(hù)施工材料一般只能選擇就近供料，且運(yùn)距較長(zhǎng)，常規(guī)的瀝青混合料類(lèi)型難以滿足施工養(yǎng)護(hù)的要求。

本文擬研究的復(fù)合增效型瀝青混合料就是基于上述問(wèn)題所提出的。(1)提高瀝青膠結(jié)料的高溫PG等級(jí)，進(jìn)而提高瀝青路面的抗車(chē)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(shí)次數(shù)，延長(zhǎng)可施工時(shí)間，適合作為薄層加鋪的瀝青混凝土材料。此外，生產(chǎn)溫度降低意味著瀝青混合料生產(chǎn)能耗的降低，同時(shí)大大減少了有害氣體的排放，從而起到綠色環(huán)保的效果。(3)復(fù)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(jià)從整體上來(lái)說(shuō)比單一改性瀝青混合料減少很多，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益[3]。為了便于科學(xué)地指導(dǎo)其工程應(yīng)用，需要對(duì)其作用機(jī)理以及對(duì)瀝青混合料的影響進(jìn)行深入研究。本文首先采用差熱分析試驗(yàn)對(duì)其受熱熔融情況進(jìn)行分析，以了解其熔融峰的出現(xiàn)溫度，方便施工溫度的調(diào)整；其次，就其對(duì)瀝青常規(guī)指標(biāo)的影響進(jìn)行研究，了解其影響趨勢(shì)，作為混合料設(shè)計(jì)的參考和優(yōu)化；最后，根據(jù)其特性，進(jìn)行混合料的設(shè)計(jì)和路用性能的評(píng)價(jià)。

1 復(fù)合增效劑作用機(jī)理及對(duì)瀝青性能的影響

1.1 復(fù)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(xué)組成來(lái)決定。一般而言，外摻劑的化學(xué)組成不對(duì)外公開(kāi)，但對(duì)于聚合物改性添加劑可通過(guò)差熱掃描量熱法試驗(yàn)(Differential Scanning Calorimetry，簡(jiǎn)稱DSC)來(lái)對(duì)其熔融溫度及熱熔進(jìn)行測(cè)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(guò)程中的組成與結(jié)構(gòu)微觀變化。在進(jìn)行DSC分析時(shí)，外摻劑中各組分的吸收峰重疊在一起形成一個(gè)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(jié)構(gòu)的微觀性質(zhì)。

熔融是指聚合物從固態(tài)向具有不同黏度的液態(tài)的轉(zhuǎn)變，在DSC曲線上表現(xiàn)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(guò)對(duì)比DSC曲線，并計(jì)算相應(yīng)焓值，可表征不同聚合物外摻劑在混合料生產(chǎn)時(shí)，正常時(shí)間內(nèi)通過(guò)熔融改性，形成穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的難易程度。即焓值越大，在常規(guī)生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)越難形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其改性效果也越差[5]。

試驗(yàn)對(duì)象：兩種外摻劑——復(fù)合增效劑A和PR.M。

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

試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：

(a)

(b)圖1 兩種外摻劑DSC曲線圖

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看：

復(fù)合增效劑的熔融峰峰值溫度為135℃，且只出現(xiàn)一個(gè)熔融峰；而PR.M出現(xiàn)了兩個(gè)熔融峰，第一個(gè)峰值約為126 ℃，第二個(gè)峰值約為161 ℃。從中可以看出復(fù)合增效劑的成分較為單一，PR.M成分中含有兩個(gè)不同熔融點(diǎn)的組分團(tuán)，其中第二個(gè)組分團(tuán)對(duì)施工不利，施工工藝應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。采用復(fù)合增效外摻劑，在施工時(shí)最低拌合溫度應(yīng)不低于135 ℃，為保證質(zhì)量，推薦在140 ℃以上。

1.2 復(fù)合增效劑的作用機(jī)理

復(fù)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(jī)成分調(diào)節(jié)劑可以調(diào)整瀝青各組分比例以及分子量的分布，從而實(shí)現(xiàn)提高高溫抗車(chē)轍和降低拌合溫度的復(fù)合特性。即當(dāng)溫度升高時(shí)，復(fù)合增效劑中的長(zhǎng)鏈脂肪烴通過(guò)吸附瀝青中與它本身結(jié)構(gòu)相近似的飽和組分產(chǎn)生溶脹，溶解形成穩(wěn)定不離析的溶液，加速瀝青熔化，進(jìn)而降低其運(yùn)動(dòng)黏度；當(dāng)溫度降低時(shí)，復(fù)合增效劑在瀝青中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而鎖定這些飽和組分，增加瀝青穩(wěn)定性，提高其抗車(chē)轍性能，從而達(dá)到復(fù)合增效的作用[6]。它不同于Evotherm基于降低表面活性溫拌技術(shù)和Sasobit合成蠟的降粘溫拌機(jī)理[7]。

1.3 復(fù)合增效劑對(duì)瀝青的影響研究

本文就復(fù)合增效劑對(duì)瀝青膠結(jié)料的性能影響進(jìn)行了研究，采用瀝青為殼牌70#(PG64-22)，其常規(guī)指標(biāo)見(jiàn)表1；復(fù)合增效劑采用A，摻量為內(nèi)摻2%。

表1 復(fù)合增效劑對(duì)瀝青指標(biāo)的影響數(shù)值表

添加時(shí)先將基質(zhì)瀝青加熱到140 ℃～150 ℃，摻加一定劑量的復(fù)合增效劑，保持150 ℃剪切60 min，摻加前后指標(biāo)變化如圖2～4所示：

圖2 復(fù)合增效劑對(duì)瀝青指標(biāo)的影響示意圖

圖3 不同摻量復(fù)合增效劑對(duì)瀝青指標(biāo)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(jié)果表明，復(fù)合增效劑能明顯提高瀝青膠結(jié)料的60 ℃黏度和軟化點(diǎn)，但是對(duì)于135 ℃黏度反而有減少的趨勢(shì)。與相同摻量下的SBS改性瀝青相比，其高溫黏度亦更低。

2 復(fù)合增效型瀝青混合料設(shè)計(jì)及應(yīng)用思路

針對(duì)復(fù)合增效材料高溫降粘、低溫增粘的特點(diǎn)，本文借鑒法國(guó)超薄磨耗層的級(jí)配設(shè)計(jì)理念以及國(guó)內(nèi)相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐[8]，進(jìn)行了復(fù)合增效型瀝青混合料的設(shè)計(jì)，并對(duì)其路用性能進(jìn)行了相應(yīng)研究。其級(jí)配圖如圖5所示，其中MAC-10級(jí)配介于傳統(tǒng)AC和SMA之間，MAC-13級(jí)配則與傳統(tǒng)的AC-13型級(jí)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(zhuǎn)成型空隙率分別為4.6%和3.5%。

圖5 復(fù)合增效型瀝青混合料級(jí)配示意圖

3 復(fù)合增效型瀝青混合料性能研究

復(fù)合增效劑的添加，一方面極大提高了瀝青膠結(jié)料在60 ℃時(shí)的黏度，而60 ℃黏度與瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能密切相關(guān)，從而改善瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能；另一方面降低瀝青膠結(jié)料在施工拌合時(shí)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(shí)成型。同時(shí)，生產(chǎn)能耗和溫室氣體排放也將大大減少。復(fù)合增效劑采用“直投式”生產(chǎn)，無(wú)需對(duì)拌合樓進(jìn)行改裝，施工便利。本文對(duì)其混合料的路用性能進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)不摻添加劑和摻加0.35%復(fù)合增效劑的混合料高溫性能進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示，瀝青膠結(jié)料采用PG70-22改性瀝青。對(duì)于MAC-10型改性瀝青混合料，添加0.35%復(fù)合增效劑后車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)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(jiàn)，復(fù)合增效劑對(duì)瀝青混合料的高溫性能改善明顯。

圖6 復(fù)合增效劑對(duì)混合料高溫性能的影響對(duì)比柱形圖

3.2 降溫特性

借鑒美國(guó)NCHRP 9-44的研究成果[9]，采用降溫壓實(shí)比R對(duì)瀝青混合料的溫拌效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。R根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算得到：

其中：R——降溫壓實(shí)比，通?！?.25；

(N92%)T——壓實(shí)溫度T時(shí)，室內(nèi)試件達(dá)到92%理論壓實(shí)度的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)；

(N92%)T-30——壓實(shí)溫度在T-30 ℃時(shí)，室內(nèi)試件達(dá)到92%理論壓實(shí)度的壓實(shí)次數(shù)。

本文還對(duì)比了普通瀝青混合料和摻加改性劑的復(fù)合增效型瀝青混合料的壓實(shí)次數(shù)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 不同溫度下達(dá)到92%理論密實(shí)度的旋轉(zhuǎn)作用次數(shù)對(duì)比(MAC-13)柱形圖

從圖7可以看出，同一溫度下，復(fù)合增效型瀝青混合料達(dá)到92%理論密實(shí)度的旋轉(zhuǎn)作用次數(shù)，比普通瀝青混合料要少。從降低30 ℃的壓實(shí)作用結(jié)果來(lái)看，其降溫壓實(shí)比R=13/11=1.18，滿足規(guī)范≤1.25的要求。在MAC-13混合料中添加復(fù)合增效劑后，不同成型溫度對(duì)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(fù)合增效劑對(duì)混合料性能指標(biāo)的影響(MAC-13)曲線圖

由圖8可以看出，復(fù)合增效型瀝青混合料的空隙率由165℃成型時(shí)的2.72%，增加到145 ℃下成型時(shí)的3.15%，但其凍融劈裂強(qiáng)度比仍滿足規(guī)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(jié)果表明，復(fù)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(shí)特性，適合用于高速公路薄層類(lèi)養(yǎng)護(hù)方案的實(shí)施。

3.3 抗水損害性

按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)對(duì)添加復(fù)合增效劑前后的瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖9所示。

圖9 復(fù)合增效劑對(duì)混合料水穩(wěn)定性能的影響(MAC-13)柱形圖

從浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可以看出，其穩(wěn)定度比由91.2%提高到98.3%；凍融劈裂試驗(yàn)的TSR值也由83.2%提高到91.8%。表明在添加復(fù)合增效劑后，對(duì)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(fù)合增效劑能夠有效提高瀝青混合料的高溫性能，其對(duì)低溫性能的影響也值得關(guān)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(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。試驗(yàn)結(jié)果表明，MAC-13型混合料摻加了0.35%復(fù)合增效劑后，其低溫彎曲應(yīng)變略有降低，但總的來(lái)看，影響不大。

圖10 復(fù)合增效劑對(duì)混合料低溫性能的影響(MAC-13)柱形圖

4 結(jié)語(yǔ)

課題通過(guò)對(duì)復(fù)合增效劑的差熱分析，確定了其熔融溫度范圍；結(jié)合其高溫降粘、低溫增粘的特點(diǎn)，進(jìn)行了兩種混合料的設(shè)計(jì)，即MAC-10和MAC-13。復(fù)合增效型瀝青混凝土MAC-10具有：(1)易于壓實(shí)，具有較好的表面特性；(2)增加膠結(jié)料黏度，提高高溫抗車(chē)轍性能，具有復(fù)合增效特點(diǎn)；(3)增加路面厚度，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，起到預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的作用；(4)材料組成和施工簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)拌合樓進(jìn)行改裝。復(fù)合增效型瀝青混凝土MAC-13具有材料特性同MAC-10,并可對(duì)≥14 mm較深的車(chē)轍進(jìn)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(shí)就復(fù)合增效劑對(duì)混合料的路用性能和降溫特性影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，復(fù)合增效劑能對(duì)瀝青混合料的高溫性能和施工壓實(shí)性能改善明顯；對(duì)水損害性能有一定提高，對(duì)低溫性能影響不大。復(fù)合增效型瀝青混凝土MAC-10適用于車(chē)轍較小，采用淺銑刨后的填補(bǔ)，或者采用超薄罩面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)；復(fù)合增效型瀝青混凝土MAC-13適用于車(chē)轍較大或者表面層貫穿裂縫的銑刨重鋪。