1、第28卷第7期2006年7月武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.28No.7Jul.2006添加PRPLASTS抗車轍劑瀝青混合料試驗(yàn)研究肖慶一1,芮少權(quán)2,王航2,鄭濤2,郝培文1(1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710064;2.西禹高速公路有限公司,西安710061)摘要:通過(guò)試驗(yàn)研究添加不同劑量的PRPLASTS著提高瀝青混合料的抗車轍性能,車轍劑改善瀝青混合料高溫抗車轍性能是機(jī)械嵌擠力4方面因素共同作用的結(jié)果。,分析了PRPLASTS改善瀝關(guān)鍵詞:應(yīng)變能;臨界用量;作用機(jī)理中圖分類號(hào):U750文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

2、文章編號(hào):167124431(2006)0720036204ResearchontheEffectofthePRPLASTSContentsonAsphaltMixturePerformanceXIAOQing2yi,RUIShao2quan,WANGHang,ZHENTao,HAOPei2wenChina;2.XiyuExpresswayEngineeringCompany,Xian710061,China)12221(1.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,ChanganUniversity,

3、Xian710064,Abstract:Throughexperiments,theresultsshowedthatPRPLASTSanti2ruttingagent,addinginasphaltmixture,obvi2ouslyimprovedthehightemperaturestability,enhancedthelowtemperaturecrackingresistanceandslightlyreducedmoisturesusceptibility.Andtheimprovementofasphaltmixturedynamicstabilitydependedonthe

4、anti2rutagentscollectivefunctionofthewedgingforce,thefiber/fibersnetworkrestriction,cementationandabsorbencyoilfromasphalt.Itwasputforwardthattheusageofanti2ruttingagentwasamong0.2%to0.3%,andthereasonaccordingtothetheoryofthefibersnetworkwasexplained.Basedonstrainenergydensitymethod,theimprovementof

5、thelowtemperaturecrackingresistancewasanalyzed.Keywords:asphaltmixture;anti2ruttingagent;strainenergydensitymethod;critical;mechanism近幾年,隨著交通量的增長(zhǎng)、軸載的加重以及交通的渠化,瀝青路面車轍是高速公路最主要的早期破壞現(xiàn)象。有些高速公路路段通車一個(gè)月或半年后的第1個(gè)夏季的高溫期就產(chǎn)生深度為1050mm的車轍,有的甚至達(dá)到100mm1。路面出現(xiàn)車轍易導(dǎo)致:路面平整度降低;輪跡處瀝青層厚度減薄,削弱面層及路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度,從而容易誘發(fā)其他病害;雨天排水不暢,降

6、低路面抗滑能力;車輛在超車或更換車道時(shí)方向失控,影響車輛行駛安全2。由此可見(jiàn),車轍不但會(huì)顯著降低路面的使用壽命,而且會(huì)嚴(yán)重影響路面的服務(wù)水平。長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外科研單位和公司都在探索和開(kāi)發(fā)改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的新技術(shù)。PRPLASTS抗車轍劑就是其中具有代表性的一項(xiàng)新技術(shù)。該文結(jié)合陜西閻禹高速中面層實(shí)體工程,探討00.4%(占礦料質(zhì)量)用量PRPLASTS抗車轍劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響,并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了解釋。收稿日期:2006202220.作者簡(jiǎn)介:肖慶一(19792),男,博士生.E2mail:第28卷第7期肖慶一,等:添加PRPLASTS抗車轍

7、劑瀝青混合料試驗(yàn)研究371原材料技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)采用瀝青為臺(tái)灣中油90#,主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。PRPLASTS為深藍(lán)色或黑色直徑4mm圓片狀顆粒固體,密度為0.9100.965g/cm3,熔點(diǎn)范圍140150,常溫保存。碎石、石屑和礦粉都是來(lái)源于陜西富平石灰石礦,砂采用陜西灞河中砂,其技術(shù)指標(biāo)全部符合瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求。表1臺(tái)灣中油90#瀝青技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)數(shù)值25針入延度/cm2515188160軟化點(diǎn)/46密度/(gcm-3)1.032粘附等級(jí)/級(jí)5TFOT后度/0.1mm90質(zhì)量變化/%針入度比/%15延度/cm+0.174.41422添加PRPLASTS瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)瀝青混合料用于

8、閻禹高速中面層,礦料級(jí)配采用AC2如表PLASTS的瀝的添量一般為礦料質(zhì)量的0.3%0.6%。添加、成型工藝與普通瀝青混合料基本類似,而且PRPLASTS需預(yù)先與礦料干拌若干時(shí)間后再加入瀝青濕拌PRPLASTS的瀝青混合料的最佳油石比為4.2%,添加PRPLASTS4.5%。表2中面層AC220礦料級(jí)配組成篩孔尺寸/mm26.5設(shè)計(jì)級(jí)配范圍合成級(jí)配10010019.096.816.086.713.2628076.99.5527268.24.75385850.22.36284633.01.18203421.20.6152716.30.3102011.90.156148.20.075487.095

9、10075903添加PRPLASTS瀝青混合料性能3.1馬歇爾試驗(yàn)依據(jù)公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ0522000,采用表干法測(cè)定混合料試件毛體積密度,并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。添加00.4%PRPLASTS瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果w(PRPLASTS)/試件密度/(gcm-3)2.4652.4512.4492.447理論密度/瀝青體積百(gcm-3)2.5602.5492.5492.549礦料間隙率/%13.314.014.114.2空隙率/%4.0瀝青飽和穩(wěn)定度/度/%72.272.972.371.8kN15.6016.3819.8226.1

10、7流值馬氏模數(shù)/%0分率/%9.6/0.1mm(kNmm-1)30.632.736.740.05.15.05.46.5從圖1看,馬歇爾穩(wěn)定度隨著PRPLASTS量的增加而不斷增加。從0.3%0.4%的增幅最大,達(dá)到6.35kN;0.2%0.3%的增幅次之,增加4kN;00.2%的最小,僅0.78kN。不添加PRPLASTS的馬氏模數(shù)與添加0.2%的幾乎相同,添加0.3%的比添加0.2%的增加0.4kN/mm,添加0.4%的比添加0.3%增加1.1kN/mm,與馬歇爾穩(wěn)定度規(guī)律基本吻合。3.2高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)評(píng)定按照T071

11、91993規(guī)程進(jìn)行,車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。不添加PRPLASTS和添加0.2%PRPLASTS表4車轍試驗(yàn)結(jié)果w(PRPLASTS)/%08720.218710.374840.414894動(dòng)穩(wěn)定度/(次mm-1)的動(dòng)穩(wěn)定度分別為872次/mm和1871次/mm,不符合工程技術(shù)要求。車轍試驗(yàn)表現(xiàn)出的規(guī)律比馬歇爾試驗(yàn)的規(guī)律更加顯著:都是隨著PRPLASTS用量的增加而增加;PRPLASTS用量在0.3%0.4%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度的增加最大,從7484次/mm增加到14894次/mm;0.2%0.3%的次之,從1871次/mm增加到武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)2006年7月387484次/mm;00.2%最次。從圖2分析

12、得出,當(dāng)PRPLASTS的添加量從0增加到0.2%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度增加幅度較小;當(dāng)PRPLAS2TS從0.2%增加到0.3%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度的增幅遠(yuǎn)大于00.2%的。這種性能突變的現(xiàn)象應(yīng)與抗車轍劑PRPLASTS在瀝青混合料中的形態(tài)和分布密度有關(guān)。3.3水穩(wěn)定性試驗(yàn)按照公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTGF40關(guān)要求,強(qiáng)度比2表5。:90%附近;添加PRPLASTS的混合料凍融劈裂試驗(yàn)的殘留強(qiáng)度比未添的略高。PRPLASTS對(duì)提高混合料的抗水害能力有一定作用。3.4低溫彎曲試驗(yàn)采取低溫彎曲破壞應(yīng)變、抗彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變能及勁度模量綜合評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能。試驗(yàn)溫度-10,試件尺寸30mm×35

13、mm×250mm,采用單點(diǎn)加載方式,支點(diǎn)間距200mm,加載速率50mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。w(PRPLASTS)/%00.289960.391930.49089浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度/%90凍融劈裂強(qiáng)度比/%88表6低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果w(PRPLASTS)/%0破壞應(yīng)變/抗彎拉強(qiáng)度/MPa彎曲應(yīng)變能/kPa勁度模量/MPa163019101805169610.13.8611.85.6513.25.2413.67.896134615770148037添加了PRPLASTS抗車轍劑的瀝青混合料低溫彎曲破壞應(yīng)變都有一定程度的提高,并且隨著添量的增加低溫彎曲呈緩慢下降的

14、趨勢(shì)。抗彎拉強(qiáng)度和勁度模量呈上升趨勢(shì)。而彎曲應(yīng)變能整體上表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。按照現(xiàn)行規(guī)范低溫抗裂評(píng)價(jià)體系來(lái)說(shuō),添加0.2%PRPLASTS的瀝青混合料低溫抗裂性能最好。但是若參考復(fù)合型裂紋脆斷準(zhǔn)則中的最大周向拉應(yīng)力理論,低溫抗裂能力最好的則是添加0.4%PRPLASTS的瀝青混合料。而瀝青路面低溫開(kāi)裂破壞機(jī)理是寒冷季節(jié)周期性變化時(shí)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,這個(gè)力所做的功導(dǎo)致一定的能量積累,如果該能力超過(guò)瀝青混凝土本身存貯能量的允許值,會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土開(kāi)裂3。假定材料破壞形式與單位體積內(nèi)能狀態(tài)相對(duì)應(yīng),那么材料損傷就可以用應(yīng)變能密度函數(shù)dW/dV來(lái)表示,即dW/dV=d,式中,、分別為應(yīng)力、應(yīng)變。由于應(yīng)變能密

15、度函數(shù)是瀝青混合料彎拉應(yīng)變和彎拉應(yīng)0ijijijij0力這2項(xiàng)指標(biāo)的綜合,用它來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能更加科學(xué)。因此適宜采用能量理論對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。從彎曲應(yīng)變能密度的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,添加0.4%PRPLASTS低溫抗裂性能是最好的。綜上所述,添加PRPLASTS對(duì)于改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能有顯著的效果,對(duì)于低溫抗裂和抗水損害性能有一定的改善作用;在抗車轍劑0.2%0.3%的范圍內(nèi),瀝青混合料的高溫性能發(fā)生突變。4機(jī)理分析4.1PRPLASTS改善瀝青混合料高溫變形能力的作用機(jī)理通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PRPLASTS顆粒并不溶于瀝青,僅發(fā)現(xiàn)有小程度的溶脹,不同于普通的聚合物改

16、性瀝青。將成型好的馬歇爾試件破碎,分析其中的PRPLASTS顆粒,發(fā)現(xiàn)PRPLASTS顆粒發(fā)生了很嚴(yán)重的變形,有片狀、纖維狀以及絮狀等,這說(shuō)明PRPLASTS顆粒在成型過(guò)程中在應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合作用下產(chǎn)生塑性變形,稱這種發(fā)生變形的PRPLASTS顆粒為PRPLASTS變形體。第28卷第7期肖慶一,等:添加PRPLASTS抗車轍劑瀝青混合料試驗(yàn)研究39根據(jù)以上分析結(jié)果可以將PRPLASTS改善瀝青混合料高溫變形能力的作用機(jī)理從以下4方面進(jìn)行解釋:1)機(jī)械嵌擠力由于瀝青混合料的攪拌和壓實(shí)溫度高于PRPLASTS的熔點(diǎn),因此PRPLASTS顆粒處于粘流態(tài),具有較強(qiáng)的可塑性,在外力作用下,PRPLA

17、STS顆粒根據(jù)礦料顆粒間隙的形狀形成各種形態(tài);瀝青路面使用過(guò)程中,溫度低于PRPLASTS材料的玻璃化溫度,PRPLASTS變形顆粒處于玻璃態(tài),變形能力較差,維持壓實(shí)后的形狀,限制了礦料顆粒間的相對(duì)滑動(dòng),增加了礦料顆粒間的嵌擠力,因而提高了瀝青混合料的高溫抗變形性能。2)纖維/纖維網(wǎng)的約束力裂縫擴(kuò)展到PRPLASTS變形體與瀝青膠漿界面時(shí),界面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力對(duì)裂縫擴(kuò)展起約束作用,也就是PRPLASTS變形體約束了裂縫的擴(kuò)展4;當(dāng)瀝青混合料中片狀或纖維狀PRPLASTS變形體達(dá)到一定體積時(shí),這些PRPLASTS變形體相互間聯(lián)結(jié)(搭接、纏繞)在一起,形成一個(gè)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)PRPLASTS變形體纖維網(wǎng)

18、,將礦料顆粒牢固地限制在網(wǎng)格內(nèi),從而使瀝青混合料整體強(qiáng)度提高。3)膠結(jié)力拌和溫度較高,PRPLASTS顆粒處于粘流態(tài),通過(guò)潤(rùn)濕和浸潤(rùn)作用,PRPLASTS材料均勻地包裹在礦料顆粒表面,PRPLASTS與礦料顆粒膠結(jié)的界面,具有很高的剛度和強(qiáng)度5,的膠結(jié)作用的PRPLASTSPLASTS是一種高分子材料,有利于提高4.2PRPRPLASTS2%增加到0.3%,AC220型瀝青混合料的高溫性能發(fā)生突變,因此PRPLASTS的用量存在臨界值。臨界值可以從上面提出的纖維網(wǎng)約束力進(jìn)行解釋:當(dāng)小于臨界用量,片狀或纖維狀PRPLASTS變形體在瀝青混合料中含量較低,所起的僅是二維約束作用;當(dāng)大于此值后,片狀或纖維狀PRPLASTS變形體數(shù)量增多,分布更加均勻,密度也大為增大,彼此間有機(jī)會(huì)形成聯(lián)結(jié),如果繼續(xù)增加PRPLASTS用量,PRPLASTS變形體的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展地更加完善,網(wǎng)格間聯(lián)系進(jìn)一步增強(qiáng),形成立體約束作用,使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性達(dá)到更高的水平。4.3PRPLASTS提高瀝青混合料低溫抗裂機(jī)理由于低溫條件下PRPLASTS材料與瀝青的模量比較高,故應(yīng)變能不可能是引發(fā)銀紋的作用。應(yīng)變能的提高是由于剪切屈服和裂紋絞結(jié)的作用。剪切屈服作用是因?yàn)镻RPLASTS材料在荷載的作用下產(chǎn)生粘彈性流動(dòng)和塑性流動(dòng)而消耗應(yīng)變能,引起裂縫鈍