HPR增效剂对超薄罩面沥青混合料性能影响的研究.pdf

2023年6 月石油沥青PETROLEUMASPHALT第37 卷第3期HPR增效剂对超薄罩面沥青混合料性能影响的研究李高俊，李旭东，孙强3，江照伟3，李夏3（1.山东建筑大学交通工程学院，济南2 50 10 1；2.安徽省引江济淮工程有限责任公司，合肥2 30 6 0 1；3.山东省交通科学研究院，济南2 50 10 0）摘要：为研究HPR新型复合增效剂对超薄罩面沥青混合料路用性能的影响，采用干法添加方式将其掺入SBS改性沥青超薄罩面混合料，对混合料高温性能、水稳定性、低温性能、疲劳性能开展对比试验研究。结果表明，掺加0.3%和0.6%的HPR增效剂后，混合料动稳定度分别提升10%和2 9%；车辙变形深度分别降低10%和40%；低温性能分别提升8%和2 5%；疲劳寿命分别提升11%和2 5%，该增效剂能够提升超薄罩面混合料路用性能，且添加量为0.6%时提升效果显著，能够满足工程需要。工程中可采用干法直投添加，应用简便易行。HPR增效剂对超薄罩面品质提升具有促进作用。关键词：道路工程超薄磨耗层增效剂路用性能目前，我国高速公路通车总里程不断增加。高速公路面层以沥青路面为主，随着交通量的迅猛增长和车辆轴载不断增大，沥青路面在经过长时间车辆荷载后易出现车辙、裂缝、坑槽等路面病害，影响路面行驶安全，缩短沥青路面使用寿命。沥青路面预防性养护技术是指为了延长路面使用寿命，提高行车舒适度与平稳性，针对沥青路面轻微病害采取的处置养护措施2 。目前，常用的预防性养护技术主要包括雾封层、稀浆封层和薄层磨耗层等3。超薄磨耗层可用于修复路面车辙、裂缝等易产生路面表面功能下降的问题，也可用于新建路面工程。超薄磨耗层混合料多采用高粘改性沥青做胶结料4。通过使用复合改性沥青或优化级配等方法，提升混合料路用性能5。为提升路用性能，国内外研究人员对薄层罩面混合料的沥青胶结料进行了大量研究6 。刘静波等使用高弹改性沥青研究SMA10 沥青混合料路用性能，试验发现，高弹改性沥青与SBS改性沥青相比，对于提升沥青混合料的疲劳寿命有积极影响，但对高温稳定性有不良影响7 王新科等在试验室内通过制备高粘和SBS复合改性沥青，并通过混合料试验进行路用性能验证，发现复合改性沥青对于混合料高低温性能、水稳定性和疲劳寿命均有积极影响8 。李中正等使用多链烯烃和SBS复合改性沥青设计出UWM-10薄层罩面沥青混合料，并进行实体工程和室内试验，发现路用性能和抗滑性能良好9 制备高粘高弹改性沥青大多需要使用高速剪切设备，且需一定时间进行搅拌发育，时间成本大大提升。使用外加复合增效剂对沥青混合料进行改性，不仅能够提升超薄罩面沥青混合料路用性能，且只需在混合料拌和时进行物理混合，具有生产及掺加工艺简单的特点10 。基于增效剂对沥青混合料性能提升的特点及国内外已有研究，选取HPR复合增效剂，对混合料进行改性，选取普通SBS改性沥青混合料为试验对照组，研究HPR增效剂对混合料路用性能的影响，力求使用更简便拌和工艺制得符合规范要求的高性收稿日期：2 0 2 2-11-0 8。作者简介：李高俊（19 9 7 一），男，硕士研究生，主要研究方向：沥青与沥青混合料。Em a i l：l i g a o j u n 2 0 2 10能沥青混合料，为工程实践提供参考。1原材料1.1复合增效剂本研究使用可用于超薄罩面铺装的HPR增效剂，见图1。增效剂为粒径不超过3mm的透明状晶体颗粒，无杂质且无明显气味。该添加剂由SEBS、SBR、树脂、聚酯纤维等成分经过挤出造粒工艺形成晶体颗粒。用于提升超薄罩面混合料性能。本增效剂添加工艺采用干法添加，在规定温度条件下，与集料进行干拌后加人沥青胶结料，不需等待发育。保持油石比和级配不变，增效剂按照矿料质量的0.3%和0.6%进行添加。图 1 HPR 增效剂1.2沥青本研究中沥青胶结材料选用成品SBS改性沥青（I-D）。依据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTGE202011）中试验方法和公路沥青路面施工技术规范（JTGF402004）中试验指标，对该沥青进行技术指标检测，其性能均满足规范要求，具体技术指标见表1。1.3集料集料选用六安某料场优质玄武岩集料，粒径筛孔尺寸/mm9.5下限100上限100级配中值100合成级配1001.5沥青混合料制备增效剂采用干法工艺进行添加。集料加热至185后倒入拌锅，将HPR增效剂加人拌锅，石油沥青为0 3mm，3 5m m 两档。相关技术指标见表2，表3。填料选用优质石灰岩磨细后得到的矿粉，稳定剂选用优质木质纤维素。所选用集料均满足相关技术规范要求。表1SBS改性沥青技术指标试验指标检测结果规范指标试验方法针人度/(2 5)/(10 -1 mm)53延度(5 )/cm36软化点/83.3闪点/319135运动黏度/(Pas)2.3弹性恢复(2 5)/%95表2 粗料技术指标试验指标检测结果表观相对密度2.934磨耗值/%10.4压碎值/%12.5吸水率/%1.7表3细集料技术指标试验指标检测结果表观相对密度2.662砂当量/%69坚固性/%15棱角性/s451.4配合比设计由于超薄罩面摊铺厚度小，采用小粒径级配设计。本研究试验选用薄层罩面TAC-5沥青混合料级配。按照规范要求进行级配设计，目标孔隙率4%，经马歇尔试验确定6.5%为最佳沥青用量。通过级配调整，最终确定矿料合成级配，级配范围见表4。表4TAC-5型沥青混合料级配范围表4.752.3685261005592.540.592.431.92023年第37 卷40 60T 060420T060560T 0606230T 06113T062575T 0662规范指标2.628262.0规范指标2.5601230%1.180.616123022231721.816.8干拌9 0 s，使添加剂晶体颗粒融化并均匀裹覆于集料表面，然后加人SBS改性沥青拌和9 0 s，最后加入矿粉和石灰拌和。0.3111814.515.10.15101512.513.30.0758121010.3第3期2路用性能分析2.1水稳定性沥青路面水稳定性不足，在冻融循环作用下，容易导致胶结料与集料接触界面粘附性不足，进而从集料表面剥落，产生坑槽、松散等路面水损害现象。因此，水稳定性是评价路面使用性能的重要因素。根据JTG E202011规范中的试验要求，采用冻融劈裂试验得到的冻融劈裂强度比检验水稳定性，试验结果如图2 所示。SBS+0.6%HPR95.4SBS+0.3%HPR92.8SBS改性沥青91.58590冻融劈裂强度比/%图2 沥青混合料冻融劈裂试验结果由图2 可知，三种沥青混合料均满足JTGF2004中规定冻融劈裂强度比大于8 0%的要求，表明三种混合料均具有良好的水稳定性。添加0.3%的HPR增效剂后，沥青混合料冻融劈裂强度比较SBS改性沥青混合料的9 1.5%提升了1.3%。添加0.6%HPR增效剂后，冻融劈裂强度比提升了3.9%。由试验结果可知HPR增效剂对混合料水稳定性的提升有一定积极作用。这是由HPR增效剂颗粒在17 5 18 5的拌和温度下能够完全融化，并均匀的黏附在集料表面，形成一层薄膜，这层薄膜具有极强粘附性，增强了集料与胶结料的粘结性能。随着增效剂添加量从0.3%增加至0.6%，粘结作用逐渐增强，使胶结料能够更好地裹覆在集料表面形成沥青膜，从而减少水分的冻胀对沥青剥落作用，有效提升了整体力学强度，防止混合料松散等病害产生。2.2高温稳定性高温稳定性是评价沥青混合料在高温条件下抵抗流动变形的能力。选用车辙试验评价高温性能，室内成型尺寸为30 0 mm300mm50mm李高俊等.HPR增效剂对超薄罩面沥青混合料性能影响的研究4.6854.2651.943210SBS改性沥青混合料、SBS+0.3%HPRSBS+0.6%HPR图3沥青混合料车辙试验结果由图3可知，HPR增效剂掺加量为0.3%9510011的车辙试件。试验开始前，先将试件置于6 0 下保温6 h，然后在6 0 温度条件下，使用橡胶实心轮以42 次/min的速度进行接触碾压，压强为0.7 MPa。记录车辙深度变化情况，依据时间和车辙深度变化，计算动稳定度。车辙试验结果如图3所示。7动稳定度6车辙深度52.1时，混合料动稳定度为46 8 5次/mm。掺加量为0.6%时，混合料动稳定度为5540 次/mm，与SBS改性沥青混合料相比，动稳定度分别提升了10%和2 9%。HPR增效剂掺加量为0.3%时，车辙深度为1.9 mm，掺加量为0.6%时车辙深度为1.5mm，与SBS改性沥青混合料相比，车辙深度分别降低了10%和40%。由试验结果可知，采用HPR增效剂的混合料对超薄罩面层的高温性能有积极的影响。且添加量为0.6%时影响显著，能够满足工程需要。依据连续密集配原理设计的沥青混合料属于悬浮密实结构，这种结构骨料之间无法相互接触形成嵌挤骨架结构，加之该级配设计沥青含量较大，在高温状态下结构强度与稳定性受沥青黏度影响较大，该添加剂富含增粘成分，在较高拌和温度下融化后裹覆在集料表面，形成粘附性极强的薄膜，大大增加了胶结料与集料的黏附能力。因此，较小颗粒与沥青胶结料更易形成密实结构，车轮荷载作用下混合料流变性将减弱，车辙深度得到降低。混合料在高温荷载作用时能够保证一定的形态稳定。2.3低温性能沥青混合料在低温条件下，由于温度应力作用，容易导致低温破坏，使沥青路面出现裂缝。3.05.5402.52.0/1.51.51.00.50.012依据规范JTGE202011（T 0 7 15）中的规定，采用低温弯曲试验评价沥青混合料低温性能。试验温度条件为10，加载速率50 mm/min，通过弯拉应变和劲度模量两个指标评价混合料低温变形能力，试验结果如图4所示。4000弯拉应变3500劲度模量3000507831/泉250021232000150010005000SBS改性沥青SBS+0.3%HPRSBS+0.6%HPR图4沥青混合料低温弯曲试验结果由图4可知，与SBS改性沥青混合料相比，HPR增效剂添加量为0.3%和0.6%时，弯拉应变分别提升了8%和2 5%。劲度模量降幅分别为10%和30%。为使沥青混合料具有良好的低温变形能力，要求尽可能降低其劲度模量，提高其破坏弯拉应变。良好的低温抗裂性能要求混合料具有较好的低温变形能力。使用增效剂后对混合料低温性能有提升作用，且添加量为0.6%时影响显著，能够满足工程需要。这是由于增效剂中含有增加粘弹性的成分，能使沥青混合料在保证高温稳定性的条件下，脆性降低，粘韧性增强，降低了沥青混合料劲度模量。使其在低温条件下具有良好的应力松弛能力，低温抗裂性能增强。2.4疲劳性能超薄罩面沥青混合料在使用过程中，随着车轮荷载不断增加和温度应力的不断变化，混合料内部易产生裂纹，使路面结构强度下降，产生疲劳破坏。本文根据JTGE202 0 11规范中规定，选用四点疲劳试验，来评定沥青混合料疲劳寿命。试验温度为15，荷载频率为10 Hz，当沥青混合料劲度模量下降至初始劲度模量的50%时，试验终止，此时的荷载作用次数为疲劳寿命。试验结果如图5所示。由图5可知，HPR增效剂掺加量为0.3%和0.6%时，沥青混合料疲劳寿命为1.3410 次石油沥青和1.5110 次，较SBS改性沥青混合料分别提升11%和2 5%。混合料掺加增效剂后疲劳寿命得到提升。SBS+0.6%HPR60005500265550002310,45704500400035743500300025002023年第37 卷1.511.34SBS+0.3%HPRSBS改性沥青0.0图5沥青混合料的疲劳寿命作用次数沥青混合料的疲劳寿命与混合料材料特性有关。一方面增效剂具有增强粘弹性能的作用，在试验过程中可以减缓裂缝的拓展速度，提升疲劳寿命；另一方面该级配超薄罩面沥青混合料采用密级配矿料，空隙率较小，沥青用量较大，较小空隙率能够减少试件内部缺陷，试件疲劳寿命能够得到提升。3结语（1）使用HPR增效剂能够显著提升超薄罩面混合料高温性能和水稳定性。添加量为0.3%和0.6%时，相比于普通SBS改性沥青混合料，动稳定度分别提升10%和2 9%，车辙深度分别降低10%和40%。冻融劈裂强度比提升1.3%和3.9%。（2）使用HPR增效剂对超薄罩面混合料低温抗裂性能有积极影响。添加量为0.3%和0.6%时，相较于普通SBS改性沥青混合料，弯拉应变分别提升了8%和2 5%，劲度模量分别降低了10%和30%。添加0.6%的增效剂后，低温性能提升效果显著。（3）使用HPR增效剂对超薄罩面混合料疲劳性能有积极影响。相比于普通SBS改性沥青，添加量为0.3%和0.6%时，疲劳寿命分别提升了 11%和 2 5%。（4）复合增效剂可以增加胶结料的粘结性能。且该沥青混合料的生产方式采用直投式干法拌和，仅需在加人集料后加人添加剂拌和9 0 s，然后按照普通拌和流程进行即可，混合料生产过1.20.51.0疲劳寿命X106/次1.52.0第3期程中时间成本较低。参考文献1 Guang Y,Xu-Dong W.Rationality of Applying High-Modulus Asphalt Concrete in Long-Life AsphaltPavement with Semi-Rigid Base J.Journal ofHighway and Transportation Research and Development(English Edition）.2 0 2 0,14（2）.2李蕊，李彦伟，石鑫，等薄层罩面沥青混合料的设计方法及其路用性能研究J】中外公路，2012,32(04):263-266.3朱振祥，田隽，王冻，等高粘弹改性沥青SMA5超薄磨耗层路用性能研究J】山东交通科技，2019(05):71-73.4】王彤，杨志勇，耿立涛.SMA8 高黏沥青混合料设计与性能评价J：石油沥青，2 0 2 2，36(02):34-39.Study on the Effect of HPR Synergist on the Performance ofUltra-thin Cover Surface Asphalt MixtureLI Gaojun,LI Xudong,SUN Qiang,JIANG Zhaowei,LI Xia?(1.School of Transportation Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101;2.Anhui River Diversion and Huaihe Engineering Co.,Ltd.Hefei 230601;3.Shandong Institute of Transportation Science,Jinan 250100)Abstract:In order to study the effect of HPRs new composite synergist on the road performance of ultra-thin cover asphalt mixture,it was incorporated into SBS modified asphalt ultra-thin cover surface mixtureby dry addition method,and comparative experiments were carried out on the high temperature performance,water stability,low temperature performance and fatigue performance of the mixture.The results showed thatwhen 0.3%and 0.6%HPR synergist was added,the dynamic stability of the mixture was increased by 10%and 29%,and the deformation depth of rutting was reduced by 10%and 40%,the low temperature performance was increased by 8%and 25%,and the fatigue life was increased by 11%and 25%,respectively.Theperformance of ultra-thin cover mixtures was improved by synergist,and the improvement effect was signifi-cant when the addition amount was 0.6%,and can meet the needs of the project.The dry method can be usedin the project,and the application is simple and easy.HPR synergists promote the quality improvement of ul-tra-thin masks.Keywords:road works;ultra-thin abrasive layer;synergists;road performance李高俊等.HPR增效剂对超薄罩面沥青混合料性能影响的研究135施向东，陈先华，高见，等薄层罩面级配特征与适用性分析J】中外公路，2 0 2 1，41（0 2）：6 166.6任瑞波，耿立涛，王立志，等一种SMA-5型高黏沥青混合料的设计与性能评价J】：建筑材料学报，2 0 16，19（0 4)：7 6 2-7 6 6.7刘静波.SMA-10高弹改性沥青及沥青混合料性能试验研究J】交通世界（建养机械），2 0 15(343):130-131.8王新科，蒋建辉，周启伟，等，一种高粘弹改性沥青及其混合料性能与工程应用J】公路交通技术，2 0 2 2,38(0 2)：51-57.9李正中，柴东然，耿磊，等密级配抗滑超薄磨耗层材料UWM-10设计与路用性能研究J】：中外公路，2 0 19，39（0 1)：2 43-2 48.10李诗琦，李闯民，陈桥一种新型沥青混合料添加剂改性沥青混合料的路用性能试验研究J公路，2 0 17，6 2（0 1)：54-59.