抗剝落劑對南疆地區瀝青混合料性能的影響

周天宇,王 彬,楊龍飛

(西安市政設計研究院有限公司,陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著“一帶一路”合作倡議的提出,新疆作為絲綢之路經濟帶的核心,其基礎設施建設迅速發展,交通道路建設更是以前所未有的速度推進。作為道路建設重要原材料的集料的品質極大地影響了道路建設的質量。從地理上來說,天山山脈以南為南疆地區,主要包括阿克蘇南部、吐魯番、巴音、喀什以及和田等地。調查發現,南疆地區優質集料較少,且集料巖性不定,為了保證瀝青與集料的粘附性,瀝青道路在鋪筑時多采用抗剝落劑對材料性能進行改善,但大量工程實踐表明,使用抗剝落劑并未大量減緩瀝青路面各類病害的發生。

對于抗剝落劑,國內外專家已做了大量的研究,研究表明,摻加抗剝落劑能極大地提高瀝青混合料的水穩性,還提高了瀝青混合料的抗疲勞性和低溫抗裂性,但對于瀝青混合料的高溫穩定性、耐久性有不利影響,而且抗剝落劑與瀝青存在配伍性,應選取與所用瀝青相容性好的種類。

通過對研究現狀的調查可以發現,目前對抗剝落劑的研究,缺乏對于摻加抗剝落劑的瀝青混合料長期性能的研究,更缺乏對環境的考量,南疆地區氣候相較北疆而言,降雨少、高溫持續時間長、多干熱風天氣。在這種氣候環境下,抗剝落劑是否會對瀝青混合料產生不利影響,目前沒有相關研究。

因此,對南疆的氣候環境進行實驗室模擬,設計環境模擬箱,率先開展抗剝落劑對南疆瀝青路面混合料長期性能的影響研究。

1 試驗設計

1.1 材料

(1)抗剝落劑。

PA-1型抗剝落劑:胺類抗剝落劑,聚酰胺類聚合物,呈棕褐色粘稠液態體,凝固點<0 ℃,密度0.95～0.99 g/cm3,pH值>7,對眼睛、呼吸道及皮膚有微刺激,通常摻量為0.3%～0.5%。

LX-6525型抗剝落劑:非胺類抗剝落劑,外觀為棕色粘稠液體,閃點>200 ℃,有輕微氣味,比重0.97,25 ℃黏度為900 cps,能同時適用于酸堿兩種石料,明顯改善黏附性,且高溫性能優異。

(2)瀝青。

研究選用中石油克拉瑪依石化有限責任公司生產的克拉瑪依70#A級道路石油瀝青。

(3)集料及礦粉。

粗集料采用玄武巖,集料規格分為三個檔次,3～5 mm,5～10 mm,10～15 mm;采用石灰巖加工的機制砂作為細集料,規格為0～3 mm;采用9.5～19 mm 石灰巖制成礦粉,集料及礦粉主要技術指標均滿足規范要求。

根據相關課題研究成果瀝青混合料的配合比m(10～15 mm)∶m(5～10 mm)∶m(3～5 mm)∶m(0～3 mm)∶m礦粉=30∶32∶15∶16∶7,最佳油石比為4.1%。選取0.4%的PA-1型抗剝落劑和0.45%的LX-6525型抗剝落劑分別加入混合料中。

1.2 試驗設備

(1)環境模擬箱及試驗參數選取。

研究選取紫外線輻射、溫度及濕度作為室內加速耦合老化試驗裝置的三個最主要因素。

試驗采用UVA-340紫外線燈模擬臨界短波波長范圍陽光光譜,選用6個燈管,紫外輻照度為300 W,根據輻射總量相等的原則,實驗采用公式(1)～公式(3)計算室內紫外線輻射時間。

Q紫=a×Q總

(1)

Q室=1.1×Q紫

(2)

T=Q室/P

(3)

式中:Q總為室外每平方米太陽總輻射量,MJ/m2;Q紫為室外紫外線每平方米輻射總量,MJ/m2;A為紫外線在太陽整個輻射能中所占的比例(新疆地區約為7%);Q室為室內紫外線每平方米輻射總量,MJ/m2;P為紫外線燈輻照度,W/m2;T為紫外線燈照射時間,d。

參照最不利原則,試驗選取哈密盆地羅布泊地區的太陽年總輻射量6 300 MJ/(m2·a)作為試驗參數。通過計算可知,模擬3、6、12、18個月的紫外線輻照的時間為5、9、19、28 d。

試驗采用不銹鋼干燒型烘箱加熱管和TED溫控儀進行溫度控制,試驗溫度根據式(4)計算。

te=to+asu×J/ao

(4)

式中:te為路表最高溫度,℃;to為大氣溫度,℃;asu為不同材料表面的日照吸收率和放射吸收率;J為夏季白天時的全日射量,取710 kcal/(m3·h);ao為為放射系數。

瀝青混合料的日照吸收率通常在65%～80%之間,風速為零時的放射系數為20 kcal/(m2·h·℃)。南疆地區夏季溫度通常在40 ℃以上,極端情況下能達到45 ℃以上,因此選取42 ℃作為to,則瀝青路面可能溫度范圍為65.1～70.4 ℃。因此,選取70 ℃作為模擬瀝青混合料長期老化試驗的溫度參數。

試驗采用濕度記錄儀和敞口大小固定的容器進行濕度控制。通過容器內水分的蒸發將濕度控制在一定范圍。通過調查南疆地區年平均相對濕度基本都在30%～40%,空氣較為干燥,考慮綠洲地帶的氣候特點,試驗選擇50%～60%相對濕度作為參數。將上述系統組合為模擬箱,如圖1所示。

圖1 模擬箱結構示意圖

(2)長期環境模擬試驗方法。

根據已經確定的試驗參數,結合瀝青路面實際工作狀態,并參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的規定,最終確定下述試驗步驟。

①試驗選取0.4%PA-1型抗剝落劑和0.45%LX-6525型抗剝落劑分別加入瀝青,為保證抗剝落劑與瀝青均勻混合,試驗選用高速剪切機,對摻加抗剝落劑的瀝青以1 000 rpm攪拌5 min。

②拌和瀝青混合料,并將其按照松鋪厚度21～22 kg/m2放置在搪瓷盤中,然后放入烘箱中,烘箱溫度控制在135±1 ℃,通風?；旌狭厦啃r翻拌一次,保證老化均勻,4 h±5 min后將混合料取出,供試驗試用。

③將松散的混合料分別制作成型高溫、低溫、疲勞試驗所需的車轍板、小梁試件以及疲勞荷載試件。

④調節室內加速耦合老化試驗裝置,打開加熱系統,將溫控儀調到70 ℃,打開加濕模塊容器,將濕度控制在50%左右,保持3 h。

⑤待容器內部的溫度和濕度穩定后,將試驗所需試件放入機箱內,關上箱門,打開紫外燈。

⑥將試件分別在儀器內放置5、9、19、28 d,當到達時間后,取出部分試件進行性能測試。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫穩定性

研究采用車轍試驗評價經過南疆氣候模擬試驗摻加抗剝落劑的瀝青混合料的高溫穩定性能,試驗溫度選擇60 ℃,試驗數據如圖2、圖3所示。

圖2 瀝青混合料動穩定度的變化

圖3 瀝青混合料相對變形率

三種瀝青混合料的動穩定度在長期老化環境作用以后呈現先增加后減小的趨勢,而相對變形量隨著老化時間的增加而先減小后增加,這說明隨著老化時間的增加,瀝青混合料的高溫穩定性呈先增大后減小的趨勢。這是因為模擬老化主要由熱老化和紫外線老化構成,在試驗開始階段主要由熱老化起作用,瀝青中輕質組分或揮發或轉化為膠質和瀝青質,因此瀝青軟化點增高,針入度降低,黏度增大,瀝青相對變稠,增強了抵抗變形的能力,進而減少了瀝青混合料車轍的形成;而隨著時間的推移,紫外老化逐漸發揮作用,紫外輻射能夠使瀝青中含有雙鍵的高分子發生斷裂,導致瀝青的黏結力降低,從而增加了脆性,因此瀝青混合料的高溫穩定性降低。在相同老化時間下,未摻加抗剝落劑的瀝青混合料動穩定度大于摻加抗剝落劑的瀝青混合料,抗剝落劑的加入降低了瀝青混合料的高溫穩定性。

2.2 低溫抗裂性

研究使用車轍板切割的小梁試件來進行低溫彎曲試驗,評價摻加抗剝落劑的瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗溫度選擇-10 ℃,試驗數據如圖4、圖5所示。

圖4 低溫抗彎拉強度

圖5 低溫最大彎拉應變曲線

由圖4、圖5可以看出環境模擬實驗降低了瀝青混合料的抗彎拉強度,降低了混合料的變形能力,降低了瀝青混合料的低溫抗裂性。相同老化時間下,添加抗剝落劑的瀝青混合料最大彎拉強度、最大彎拉應變均大于基質瀝青混合料,這說明抗剝落劑對瀝青混合料的低溫性能有所改善,但不同的抗剝落劑增加幅度不同,其中低溫抗裂性優劣順序由大到小依次為LX-6525型瀝青混合料、PA-1型瀝青混合料、基質瀝青混合料。在老化前期,PA-1型抗剝落劑對瀝青混合料的低溫抗裂性有較大提升,而隨著老化時間的增大,提升幅度逐漸降低,PA-1型瀝青混合料的抗彎拉強度以及應變向基質瀝青混合料靠近,這說明PA-1型抗剝落劑隨著溫度和紫外線作用時間的增加,迅速分解,從而失去對瀝青混合料性能的改善作用;而LX-6525型瀝青混合料在28 d老化后仍有一定改善作用,這表明LX-6525型抗剝落劑具有較好的耐老化性。

2.3 抗疲勞性能

研究選用小梁彎曲三點疲勞試驗方法來研究長期老化作用下摻加抗剝落劑的瀝青混合料抗疲勞性能。應力比選取0.5,試驗數據如圖6所示。

圖6 摻加抗剝落劑的瀝青混合料老化時間與疲勞壽命關系

瀝青混合料的疲勞壽命隨著老化時間的增加呈降低趨勢,并且其下降幅度逐漸降低,當瀝青混合料未老化前,混合料的疲勞壽命達到6 000次以上,而老化時間達到28 d時,疲勞壽命只剩下2 000多次,降低幅度達到60%以上;三條曲線基本接近,在相同老化時間作用下,抗剝落劑對瀝青混合料疲勞壽命的提升不到9%,且隨著老化時間增大而降低,這說明添加抗剝落劑對于瀝青混合料的疲勞性能改善效果不明顯。

對圖6進行擬合,不同混合料的老化時間-疲勞壽命回歸方程見表1。

表1 不同混合料的老化時間-疲勞壽命回歸方程

由表1回歸方程可以發現,常數項中,添加抗剝落劑的瀝青混合料常數項要大于基質瀝青混合料,這說明對于未經老化試驗的瀝青混合料,添加抗剝落劑后,瀝青混合料的疲勞壽命有所提升;二次項的系數代表老化時間對于瀝青混合料疲勞性能的影響程度,由大到小依次為PA-1瀝青混合料(6.720 4)、LX-6525瀝青混合料(6.241 1)、基質瀝青混合料(6.228 5),這說明隨著老化時間的增加,添加抗剝落劑的瀝青混合料疲勞壽命降低幅度大于未摻加抗剝落劑的瀝青混合料,說明摻加抗剝落劑的瀝青在紫外高溫環境下的耐久性較差。

3 抗剝落劑在南疆地區的適應性

通過研究發現,在南疆長期環境模擬試驗的過程中,三種瀝青混合料的性能均大幅降低,其中添加抗剝落劑的瀝青混合料降低幅度要大于基質瀝青混合料。就高溫性能而言,基質瀝青混合料要優于摻加抗剝落劑的瀝青混合料,而就疲勞壽命而言,摻加抗剝落劑的瀝青混合料的減小幅度也要大于基質瀝青混合料,而低溫性能則是摻加抗剝落劑的瀝青混合料略有優勢,但其衰減幅度較大,且逐漸向基質瀝青混合料靠攏。對于兩種抗剝落劑來說,LX-6525型非胺類抗剝落劑的耐老化性能要優于PA-1型胺類抗剝落劑,這從瀝青混合料的性能變化規律可以看出。

因此,在南疆大部分地區,抗剝落劑的添加不能對瀝青路面起到改善的效果,而且部分因添加抗剝落劑而達到規范要求的瀝青混合料在南疆的特殊環境下,性能急速衰減,從而在使用年限內發生早期病害,影響路面的使用壽命;而對于通過綠洲地帶的瀝青路面,則應選擇耐老化性更好的非胺類抗剝落劑作為添加劑,提高其低溫性能。

4 結 論

(1)在光熱耦合老化作用下,瀝青混合料的高溫性能呈現先增大后減小的趨勢,并且抗剝落劑的加入導致瀝青混合料的高溫穩定性降低,動穩定度減小。

(2)瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎拉應變隨著老化時間的增加,衰減幅度逐漸降低,而添加抗剝落劑提高了瀝青混合料短期內的低溫抗裂性,但長期的低溫抗彎拉強度反而大幅度降低,降低幅度從大到小依次為PA-1型瀝青混合料、LX-6525型瀝青混合料、基質瀝青混合料。這說明在高溫紫外環境下,添加抗剝落劑的瀝青混合料低溫性能衰減較快,抗剝落劑未對瀝青混合料起到效果。

(3)南疆環境長期模擬老化降低了瀝青混合料的疲勞性能,降低幅度達到60%以上,而抗剝落劑的添加有助于提高瀝青混合料在初始階段的疲勞性能,但是由于抗剝落劑高溫穩定性較差,因此添加抗剝落劑的瀝青混合料疲勞壽命降低幅度隨著老化時間的增大而變大,且疲勞壽命向基質瀝青混合料靠近。

(4)對于南疆高溫干旱的環境,抗剝落劑的添加雖然在初始階段提高了瀝青混合料的性能,但是隨著老化時間的增加,添加抗剝落劑的瀝青混合料性能衰減幅度大于基質瀝青混合料,使得瀝青路面在使用年限內更易發生病害。