抗车辙剂改性沥青混合料制备方法对其高温性能的影响

马 峰，张昭区，傅 珍，张 超

（1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510000；3.长安大学 材料学院，陕西 西安 710064）

0 引 言

抗车辙剂是一种由聚乙烯、聚丙烯等聚合物混合而成的新型添加剂，主要用于改善沥青混合料的高温性能。国内外学者已对抗车辙剂沥青混合料的路用性能进行了相关研究，结果表明抗车辙剂能显著提高沥青混合料的高温稳定性［1－6］。

为研究抗车辙剂改性沥青混合料制备方法对高温稳定性的影响，肖庆一等［7］采用干法制备不同掺量的抗车辙剂沥青混合料，并对其路用性能进行了研究，结果表明抗车辙剂主要依靠机械嵌挤力、纤维／纤维网约束力、胶结力以及吸收沥青中的轻质油分等几方面发挥作用；曾志威［8］运用正交分析法分析了制备工艺对掺抗车辙剂AC－20的高温性能的影响，并提出了适合的工艺参数；戴佑才等［9］将0.15%和0.3%的抗车辙剂以湿拌的方法加入沥青混合料中并进行车辙试验，结果表明抗车辙剂的掺入显著提高了沥青混合料的动稳定度；余红杰［10］通过研究沥青混合料强度参数在抗车辙剂作用下的变化规律，发现掺入抗车辙剂后沥青混合料的抗剪强度、黏聚力以及内摩擦角等均随抗车辙剂掺量的增大而增大；张争奇等［11］通过一系列试验研究了不同因素对掺加抗车辙剂的沥青混合料高温性能的影响及显著程度，结果表明各因素水平组合较好的方案为“PR抗车辙剂，0.45%抗车辙剂掺量，AC－16型矿料级配”；董海军等［12］对经过4年重交通运营的试验路段进行路面检测，发现试验段内无车辙、坑槽及明显的裂缝病害发生，验证了抗车辙剂对路面高温性能的改善效果。综上所述，大量的室内试验以及试验路段表明，干拌法和湿拌法均能显著改善沥青混合料的高温稳定性。

但是，制备方法对抗车辙剂沥青混合料的影响还未有明确的结论，且抗车辙剂对不同矿料级配沥青混合料的改善规律及改性机理也不清楚。因此，本文选取KTL抗车辙剂作为沥青混合料的添加剂，以干拌和湿拌2种方法分别制备AC－13、AC－16和AC－20型抗车辙剂沥青混合料，研究2种制备方法下抗车辙剂对沥青混合料性能的改善效果。研究结果对于改善抗车辙剂改性沥青混合料高温性能、抗车辙剂沥青混合料矿料级配的选取、抗车辙剂的推广应用及深入研究具有一定的参考价值。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料与级配

抗车辙剂采用北京天成垦特莱科技有限公司生产的KTL抗车辙剂，它是一种新型国产沥青混合料外加改性剂，主要用于沥青路面中，主要成分为高分子聚合物，呈褐黑色颗粒状，可在常温下保存。其主要技术性能如表1所示。

表1 KTL抗车辙剂的主要技术性能

沥青采用中海70＃沥青，其技术性能如表2所示。矿料采用玄武岩，矿粉为石灰石磨细矿粉，其各项技术性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求。

表2沥青的主要技术性能

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中 AC－13、AC－16和 AC－20沥青混合料对矿料级配范围的要求，采用级配中值作为沥青混合料矿料组成，如表3所示。最佳油石比分别为4.3%、4.2%和4.1%。

表3 沥青混合料矿料级配

1.2 制备方法与试验方法

1.2.1 制备方法

抗车辙剂改性沥青混合料按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求制备。干拌法为：预先将配制好的粗细集料烘干，加热至180℃，然后与称量好的抗车辙剂一并倒入拌锅中拌合90s，随后加入温度为170℃的基质沥青并拌合90s，最后加入矿粉并拌合90s，拌合温度均为175℃；湿拌法为：先将试验缸盛放的沥青加热至180℃，再将高速剪切机的工作头插入沥青中，启动速率为5 000rad·s－1的剪切机，分次将称量好的抗车辙剂加入沥青中，总剪切时间为1h，制备成抗车辙剂改性沥青，最后在与干法相同的条件下制备沥青混合料。

1.2.2 车辙试验

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中 T 0703的要求制得长300 mm、宽300mm、厚50mm的沥青混合料车辙试件，室温下放置48h后进行车辙试验。车辙试验步骤为：将60℃空气浴环境下预热5h后的车辙板放置于橡胶试验轮下，下调试验轮，在车辙板上表面产生1个0.7MPa的压强，启动设备，试验轮在同一轨迹（方向与成型方向一致）上反复行驶，形成一定深度的车辙，试验时间为60min。由45min和60 min两个时间对应的车辙深度计算动稳定度，计算公式为

式中：DS为动稳定度（次·mm－1）；d为对应时间t（min）的变形量（mm）；N为试验轮在试件上返复碾压的速度，N＝42次·mm－1；C1为试验机类型修正系数，本文中C1＝1；C2为试件系数，C2＝1。

2 试验结果及分析

高温性能主要体现沥青混合料在温度较高或荷载作用时间较长时抵抗外界荷载的能力，由于矿料性能相对稳定且占据沥青混合料80%以上的体积，所以对于高温性能而言，30%取决于沥青，而70%取决于矿质混合料，可见矿料级配对沥青混合料高温性能产生很大影响［13］。表4为未掺抗车辙剂时AC－13、AC－16和 AC－20型沥青混合料的车辙深度以及动稳定度。

表4 基质沥青混合料车辙深度及动稳定度

由表4可见，随着混合料最大粒径增大，车辙深度以及动稳定度随之降低，即沥青混合料的高温性能随之降低。选取的3种沥青混合料均为悬浮密实型结构，与骨架空隙和骨架密实型沥青混合料不同，悬浮密实型沥青混合料含有由大到小一系列连续级配的集料，集料整体的比表面积较大，与沥青的包络效应较好，黏结力较大，但没有充分形成骨架结构，骨架间的嵌挤力和摩阻力表现较弱，内摩擦角较小［14－15］，宏观表现为 AC型沥青混合料的抗压强度和抗剪强度明显小于骨架型沥青混合料［16］。AC－13、AC－16和 AC－20三种沥青混合料中，随着粒径增大，不仅没有形成骨架，反而因为细集料减少，整体比面积降低，使得黏结力下降，且在荷载作用下大粒径的集料更容易产生应力集中，使得粗集料间更易相互错动，最终降低了沥青混合料的动稳定度，产生较大的车辙深度。

表5 干拌法抗车辙剂改性沥青混合料的车辙深度及动稳定度

由表5可见，与未掺抗车辙剂的沥青混合料相比，抗车辙剂的掺入明显降低了沥青混合料的车辙深度且极大地提高了动稳定度，说明抗车辙剂能显著提升沥青混合料的高温抗变形能力。与基质沥青混合料不同的是，干拌法抗车辙剂沥青混合料的高温性能并没有随最大粒径的增大而降低，而是在AC－16级配沥青混合料达到峰值，动稳定度超过14 000次·mm－1，其次是 AC－13，AC－20最小但仍大于8 600次·mm－1，远远超过规范的要求。这是因为，沥青混合料中的抗车辙剂具有双重改性作用：高温条件下，一部分抗车辙剂在拌合过程中改善了沥青的高温性能；而大部分的抗车辙剂仍存留在矿料之中，拌合时在高温条件下熔融，与周边的矿料颗粒接触并胶结，强化了集料颗粒的连接程度和结构完整性，最终改善了沥青混合料的高温性能［17］。对于悬浮密实型抗车辙剂沥青混合料而言，粗集料悬浮在细集料之中，没有骨架的支撑，变形的抗车辙剂的加筋、牵制作用没有力的支点［18］。随着最大粒径增大，细集料数量的相对减少使得粗集料的间距缩小，虽然没有直接接触形成骨架结构，但变形的抗车辙剂在粗集料间的搭接、加筋作用却得到了更好的发挥，产生了类似于骨架的作用，所以相比AC－13，AC－16的动稳定度有所提升；但随着粒径的进一步增大，粗集料应力继续增大，这种牵制作用已经无法再限制粗集料间的相互错动，所以AC－20的动稳定度反而降低，高温性能最差。

表6 湿拌法抗车辙剂改性沥青混合料的车辙深度及动稳定度

由表6可见，随着最大粒径的增大，车辙深度增大，动稳定度降低，即沥青混合料的高温性能降低，但动稳定度仍达到7 800次·mm－1以上，满足规范的要求，证明抗车辙剂对混合料高温性能的改善效果。试验结果与基质沥青混合料相同，即高温性能由优到劣依次为 AC－13、AC－16、AC－20，与前人研究结果基本一致［19－20］。分析原因认为：在湿拌条件下，沥青混合料抗变形能力的提高仅来自于抗车辙剂对沥青的改性作用，混合料中没有抗车辙剂残留，不会对矿料产生影响，抗车辙剂的双重改性作用没有得到发挥，从而表现出与普通沥青混合料相同的试验规律。同时，试验结果也验证了AC型基质沥青混合料的高温稳定性随最大粒径增大而降低这一相同结论。

汇总干拌、湿拌制备方法下抗车辙剂改性沥青混合料的高温性能试验结果，如图1所示。

图1 3种抗车辙剂沥青混合料的高温性能对比

对比2种方法对抗车辙剂沥青混合料高温性能的改善效果可知，除AC－13以外，通过干拌法制备的抗车辙剂改性沥青混合料的高温性能均优于湿拌法，这不仅说明了抗车辙剂的优越性能，也验证了抗车辙剂在沥青混合料中能发挥双重改性作用。采用干拌法时AC－13高温性能偏差，分析原因认为，AC－13中细集料偏多，粗集料被细一级的集料所撑开，间距过大，存留在混合料中变形的抗车辙剂颗粒难以发挥搭接、加筋作用，双重改性作用没有得到完全的发挥，所以其动稳定度反而不如抗车辙剂完全作用于沥青的抗车辙剂改性沥青混合料。随着矿料粒径的增大，干拌法抗车辙剂改性沥青混合料的高温性能先增大后减小，在级配为AC－16时达到最大值；而在湿拌法制备条件下，抗车辙剂沥青混合料的高温性能则呈递减趋势，与基质沥青混合料变化趋势相同。

虽然2种制备方法得到的结果存在一定的差异，但抗车辙剂的加入均能显著改善沥青混合料的高温性能，使其远高于规范的要求，满足大部分工程需要。比较2种制备工艺的难易程度，显然干拌法具有明显的优势，只需要在拌合过程中掺入适量的抗车辙剂即可，工艺简单，不需要对现有设备进行改造，因此推荐在实际工程中采用干拌法制备抗车辙剂沥青混合料。

3 结 语

以干拌、湿拌2种方法分别制备了AC－13、AC－16和AC－20型抗车辙剂改性沥青混合料，通过车辙试验对比分析了其高温性能的差异及变化规律，主要结论如下。

（1）连续密级配型沥青混合料的高温稳定性随其最大粒径的增大而降低。

（2）干拌、湿拌制备条件下，抗车辙剂沥青混合料的高温性能均得到了显著的提升，说明抗车辙剂在改善高温性能方面效果显著。

（3）干拌制备条件下3种级配类型抗车辙剂改性沥青混合料的高温性能从优到劣依次为AC－16、AC－13、AC－20；湿拌制备条件下3种级配类型抗车辙剂改性沥青混合料的高温性能从优到劣依次为AC－13、AC－16、AC－20。

（4）干拌制备条件下，抗车辙剂在沥青混合料内部起双重改性作用：一部分对沥青起改性作用，提高了沥青的高温性能；另一部分以颗粒形式留存于混合料内部对矿料产生作用。