添加PRPLASTS抗车辙剂沥青混合料试验研究

1、第28卷第7期2006年7月武汉理工大学学报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.28No.7Jul.2006添加PRPLASTS抗车辙剂沥青混合料试验研究肖庆一1,芮少权2,王航2,郑涛2,郝培文1(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,西安710064;2.西禹高速公路有限公司,西安710061)摘要:通过试验研究添加不同剂量的PRPLASTS著提高沥青混合料的抗车辙性能,车辙剂改善沥青混合料高温抗车辙性能是机械嵌挤力4方面因素共同作用的结果。,分析了PRPLASTS改善沥关键词:应变能;临界用量;作用机理中图分类号:U750文献标志码:A

2、文章编号: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近几年,随着交通量的增长、轴载的加重以及交通的渠化,沥青路面车辙是高速公路最主要的早期破坏现象。有些高速公路路段通车一个月或半年后的第1个夏季的高温期就产生深度为1050mm的车辙,有的甚至达到100mm1。路面出现车辙易导致:路面平整度降低;轮迹处沥青层厚度减薄,削弱面层及路面结构的整体强度,从而容易诱发其他病害;雨天排水不畅,降

6、低路面抗滑能力;车辆在超车或更换车道时方向失控,影响车辆行驶安全2。由此可见,车辙不但会显著降低路面的使用寿命,而且会严重影响路面的服务水平。长期以来,国内外科研单位和公司都在探索和开发改善沥青混合料的高温稳定性的新技术。PRPLASTS抗车辙剂就是其中具有代表性的一项新技术。该文结合陕西阎禹高速中面层实体工程,探讨00.4%(占矿料质量)用量PRPLASTS抗车辙剂对沥青混合料路用性能的影响,并对其作用机理进行了解释。收稿日期:2006202220.作者简介:肖庆一(19792),男,博士生.E2mail:第28卷第7期肖庆一,等:添加PRPLASTS抗车辙

7、剂沥青混合料试验研究371原材料技术指标试验采用沥青为台湾中油90#,主要技术指标见表1。PRPLASTS为深蓝色或黑色直径4mm圆片状颗粒固体,密度为0.9100.965g/cm3,熔点范围140150,常温保存。碎石、石屑和矿粉都是来源于陕西富平石灰石矿,砂采用陕西灞河中砂,其技术指标全部符合沥青路面施工技术规范要求。表1台湾中油90#沥青技术指标指标数值25针入延度/cm2515188160软化点/46密度/(gcm-3)1.032粘附等级/级5TFOT后度/0.1mm90质量变化/%针入度比/%15延度/cm+0.174.41422添加PRPLASTS沥青混合料配合比设计沥青混合料用于

8、阎禹高速中面层,矿料级配采用AC2如表PLASTS的沥的添量一般为矿料质量的0.3%0.6%。添加、成型工艺与普通沥青混合料基本类似,而且PRPLASTS需预先与矿料干拌若干时间后再加入沥青湿拌PRPLASTS的沥青混合料的最佳油石比为4.2%,添加PRPLASTS4.5%。表2中面层AC220矿料级配组成筛孔尺寸/mm26.5设计级配范围合成级配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沥青混合料性能3.1马歇尔试验依据公路工程沥青与沥青混合料试验规程JTJ0522000,采用表干法测定混合料试件毛体积密度,并进行马歇尔试验。添加00.4%PRPLASTS沥青混合料马歇尔试验结果如表3所示。表3马歇尔试验结果w(PRPLASTS)/试件密度/(gcm-3)2.4652.4512.4492.447理论密度/沥青体积百(gcm-3)2.5602.5492.5492.549矿料间隙率/%13.314.014.114.2空隙率/%4.0沥青饱和稳定度/度/%72.272.972.371.8kN15.6016.3819.8226.1

10、7流值马氏模数/%0分率/%9.6/0.1mm(kNmm-1)30.632.736.740.05.15.05.46.5从图1看,马歇尔稳定度随着PRPLASTS量的增加而不断增加。从0.3%0.4%的增幅最大,达到6.35kN;0.2%0.3%的增幅次之,增加4kN;00.2%的最小,仅0.78kN。不添加PRPLASTS的马氏模数与添加0.2%的几乎相同,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,与马歇尔稳定度规律基本吻合。3.2高温稳定性试验沥青混合料高温稳定性采用车辙试验评定按照T071

11、91993规程进行,车辙试验结果见表4。不添加PRPLASTS和添加0.2%PRPLASTS表4车辙试验结果w(PRPLASTS)/%08720.218710.374840.414894动稳定度/(次mm-1)的动稳定度分别为872次/mm和1871次/mm,不符合工程技术要求。车辙试验表现出的规律比马歇尔试验的规律更加显著:都是随着PRPLASTS用量的增加而增加;PRPLASTS用量在0.3%0.4%时动稳定度的增加最大,从7484次/mm增加到14894次/mm;0.2%0.3%的次之,从1871次/mm增加到武汉理工大学学报2006年7月387484次/mm;00.2%最次。从图2分析

12、得出,当PRPLASTS的添加量从0增加到0.2%时,动稳定度增加幅度较小;当PRPLAS2TS从0.2%增加到0.3%时,动稳定度的增幅远大于00.2%的。这种性能突变的现象应与抗车辙剂PRPLASTS在沥青混合料中的形态和分布密度有关。3.3水稳定性试验按照公路沥青路面施工技术规范JTGF40关要求,强度比2表5。:90%附近;添加PRPLASTS的混合料冻融劈裂试验的残留强度比未添的略高。PRPLASTS对提高混合料的抗水害能力有一定作用。3.4低温弯曲试验采取低温弯曲破坏应变、抗弯拉强度、弯曲应变能及劲度模量综合评价混合料的低温抗裂性能。试验温度-10,试件尺寸30mm×35

13、mm×250mm,采用单点加载方式,支点间距200mm,加载速率50mm/min。试验结果见表6。w(PRPLASTS)/%00.289960.391930.49089浸水马歇尔残留稳定度/%90冻融劈裂强度比/%88表6低温弯曲试验结果w(PRPLASTS)/%0破坏应变/抗弯拉强度/MPa弯曲应变能/kPa劲度模量/MPa163019101805169610.13.8611.85.6513.25.2413.67.896134615770148037添加了PRPLASTS抗车辙剂的沥青混合料低温弯曲破坏应变都有一定程度的提高,并且随着添量的增加低温弯曲呈缓慢下降的

14、趋势。抗弯拉强度和劲度模量呈上升趋势。而弯曲应变能整体上表现出上升趋势。按照现行规范低温抗裂评价体系来说,添加0.2%PRPLASTS的沥青混合料低温抗裂性能最好。但是若参考复合型裂纹脆断准则中的最大周向拉应力理论,低温抗裂能力最好的则是添加0.4%PRPLASTS的沥青混合料。而沥青路面低温开裂破坏机理是寒冷季节周期性变化时所产生的温度应力,这个力所做的功导致一定的能量积累,如果该能力超过沥青混凝土本身存贮能量的允许值,会导致沥青混凝土开裂3。假定材料破坏形式与单位体积内能状态相对应,那么材料损伤就可以用应变能密度函数dW/dV来表示,即dW/dV=d,式中,、分别为应力、应变。由于应变能密

15、度函数是沥青混合料弯拉应变和弯拉应0ijijijij0力这2项指标的综合,用它来评价沥青混合料的低温抗裂性能更加科学。因此适宜采用能量理论对沥青混合料低温抗裂性能进行评价。从弯曲应变能密度的计算结果来看,添加0.4%PRPLASTS低温抗裂性能是最好的。综上所述,添加PRPLASTS对于改善沥青混合料的高温抗车辙性能有显著的效果,对于低温抗裂和抗水损害性能有一定的改善作用;在抗车辙剂0.2%0.3%的范围内,沥青混合料的高温性能发生突变。4机理分析4.1PRPLASTS改善沥青混合料高温变形能力的作用机理通过试验发现,PRPLASTS颗粒并不溶于沥青,仅发现有小程度的溶胀,不同于普通的聚合物改

16、性沥青。将成型好的马歇尔试件破碎,分析其中的PRPLASTS颗粒,发现PRPLASTS颗粒发生了很严重的变形,有片状、纤维状以及絮状等,这说明PRPLASTS颗粒在成型过程中在应力场和温度场的耦合作用下产生塑性变形,称这种发生变形的PRPLASTS颗粒为PRPLASTS变形体。第28卷第7期肖庆一,等:添加PRPLASTS抗车辙剂沥青混合料试验研究39根据以上分析结果可以将PRPLASTS改善沥青混合料高温变形能力的作用机理从以下4方面进行解释:1)机械嵌挤力由于沥青混合料的搅拌和压实温度高于PRPLASTS的熔点,因此PRPLASTS颗粒处于粘流态,具有较强的可塑性,在外力作用下,PRPLA

17、STS颗粒根据矿料颗粒间隙的形状形成各种形态;沥青路面使用过程中,温度低于PRPLASTS材料的玻璃化温度,PRPLASTS变形颗粒处于玻璃态,变形能力较差,维持压实后的形状,限制了矿料颗粒间的相对滑动,增加了矿料颗粒间的嵌挤力,因而提高了沥青混合料的高温抗变形性能。2)纤维/纤维网的约束力裂缝扩展到PRPLASTS变形体与沥青胶浆界面时,界面上产生的剪应力对裂缝扩展起约束作用,也就是PRPLASTS变形体约束了裂缝的扩展4;当沥青混合料中片状或纤维状PRPLASTS变形体达到一定体积时,这些PRPLASTS变形体相互间联结(搭接、缠绕)在一起,形成一个立体网状结构PRPLASTS变形体纤维网

18、,将矿料颗粒牢固地限制在网格内,从而使沥青混合料整体强度提高。3)胶结力拌和温度较高,PRPLASTS颗粒处于粘流态,通过润湿和浸润作用,PRPLASTS材料均匀地包裹在矿料颗粒表面,PRPLASTS与矿料颗粒胶结的界面,具有很高的刚度和强度5,的胶结作用的PRPLASTSPLASTS是一种高分子材料,有利于提高4.2PRPRPLASTS2%增加到0.3%,AC220型沥青混合料的高温性能发生突变,因此PRPLASTS的用量存在临界值。临界值可以从上面提出的纤维网约束力进行解释:当小于临界用量,片状或纤维状PRPLASTS变形体在沥青混合料中含量较低,所起的仅是二维约束作用;当大于此值后,片状或纤维状PRPLASTS变形体数量增多,分布更加均匀,密度也大为增大,彼此间有机会形成联结,如果继续增加PRPLASTS用量,PRPLASTS变形体的网络发展地更加完善,网格间联系进一步增强,形成立体约束作用,使得沥青混合料的高温稳定性达到更高的水平。4.3PRPLASTS提高沥青混合料低温抗裂机理由于低温条件下PRPLASTS材料与沥青的模量比较高,故应变能不可能是引发银纹的作用。应变能的提高是由于剪切屈服和裂纹绞结的作用。剪切屈服作用是因为PRPLASTS材料在荷载的作用下产生粘弹性流动和塑性流动而消耗应变能,引起裂缝钝