抗剥落剂对沥青混合料性能的影响及其改性机理研究

黄家奇,易可良,2

(1.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007)

0 引言

在国家双碳战略实施背景下,随着公路建设的发展,可开采的优质筑路集料资源逐渐减少。较差质量集料与沥青粘附性差,沥青混合料水稳定性不足,在荷载引起的动水冲刷作用下,易引起沥青路面水损害[1-2]。针对沥青路面水损害,在混合料中掺入抗剥落剂逐渐成为目前较常用的改善方法[3]。最初的抗剥落剂主要为无机结合料,如石灰、水泥等,但其在改善水稳定性同时也会显著降低混合料其他性能,且实际运用时存在添加、计量困难等技术难题[2-4]。

近年来,抗剥落剂(特别是高分子类)逐渐得到广泛运用[5],也进行了较多研究,如王新刚[6]探究了抗剥落剂对沥青混合料水稳定性的改善效果;刘平[7]重点考查了LX-6525型抗剥落剂对花岗岩沥青混合料水稳定性能的影响;樊见维等[8]也将抗剥落剂运用于酸性类蚀变闪长岩集料改性,考察了沥青与集料粘附改善效果,并验证了混合料性能。但现有抗剥落剂研究主要侧重于探讨抗剥落剂对沥青及沥青混合料粘附及抗水损坏性能的影响,对沥青或沥青混合料更广泛性能的影响评估研究相对较少。同时,对抗剥落剂改性机理的研究鲜有涉及,更多为定性的宏观机理分析。

针对上述研究现状,本文拟选用抗剥落剂对老化前后沥青的针入度、延度及软化点变化规律进行分析,并系统探究不同掺量抗剥落剂对沥青混合料高温、低温及水稳定性的影响。同时,采用Materials Studio软件分子模拟技术,通过构建沥青-集料模型,分析抗剥落剂对沥青-集料的改性机理。研究成果可为沥青混合料配合比设计中的材料优选提供数据支撑,并可为提升抗剥落改性效果的抗剥落剂研发提供新思路与理论指导。

1 原材料

1.1 沥青

70#基质沥青技术指标如表1所示。

表1 70#基质沥青性能指标表

1.2 沥青混合料

选用AC-13沥青混合料进行混合料性能影响试验。集料采用石灰岩粗细集料,规格分别为0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm;矿粉采用石灰岩研磨矿粉。集料、矿粉技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)技术要求[9]。AC-13合成级配如下页图1所示。

图1 AC-13合成级配曲线图

2 对沥青性能的影响

老化前后针入度、延度及软化点三大基本指标试验结果如表2和图2～3所示。

图2 15 ℃延度试验结果柱状图

图3 软化点试验结果柱状图

表2 针入度试验结果表

(1)掺加抗剥落剂后,随着掺量增高,老化前后沥青试样针入度均逐渐增大,表明随着抗剥落剂增加,沥青稠度逐渐减小。这是由于抗剥落剂加入后改变了沥青原有组分比例,使得轻质组分增加,沥青稠度降低。而老化使轻质组分逐渐向重质组分转换,因此老化后针入度普遍较老化前小。由针入度比分析可知,不同掺量下抗剥落剂沥青针入度比差异较小,表明抗剥落剂并未对沥青针入度稳定性产生显著影响。

(2)掺加抗剥落剂后,老化前后沥青延度逐渐增加,且老化后沥青延度远小于老化前的延度,表明老化降低了沥青延展性,但抗剥落剂的加入可以略微改善沥青的延展性能。

(3)沥青老化后软化点升高,但这并不表明沥青老化会增强沥青的高温稳定性,这是由于沥青中轻质组分逐渐转换为重质组分,沥青原有组分比例变化失调,沥青整体性能将逐渐降低。掺加抗剥落剂导致老化前后沥青软化点均降低,表明抗剥落剂对会对沥青高温性能产生不利影响。分析抗剥落剂掺量对软化点降低效果,当掺量为0.4%时老化前后软化点分别降低3.5 ℃、5.5 ℃,而当掺量达到0.6%时老化前后软化点分别降低8.0 ℃、10 ℃,表明当掺量达到0.6%时沥青性能将发生较大变化,因此建议抗剥落剂掺量宜控制在0.2%～0.4%。

3 对沥青混合料性能的影响

为研究抗剥落剂对沥青混合料性能尤其是水稳定性的改善效果,采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验对沥青混合料水稳定性进行评价。同时,采用车辙试验、低温弯曲试验分别对不同剥落剂掺量下沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性能进行分析。

3.1 水稳定性

选用0、0.2%、0.4%、0.6%等4个不同剥落剂掺量沥青混合料进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验,结果如图4、图5所示。

图4 浸水马歇尔试验结果柱状图

图5 冻融劈裂试验结果柱状图

(1)随着抗剥落剂掺量增加,沥青混合料残留稳定度逐渐增强,当掺量达到0.4%时残留稳定度增幅减缓。由于残留稳定度试验要求对试件浸水处理48 h,可以有效反映混合料在有水状态下的力学性能变化。因此试验结果可表明:增加抗剥落剂含量,沥青与集料的粘附性增加,有水条件下沥青混合料抵抗变形能力增强。但当抗剥落剂掺量达到一定量时,混合料抗水损害性能增强不明显,表明高掺量抗剥落剂对沥青混合料性能改善并不具备较好的适用性。

(2)掺入抗剥落剂前,沥青混合料冻融劈裂强度比并不满足规范要求;增加抗剥落剂掺量,沥青混合料冻融劈裂强度比逐渐增加,但当增加至0.4%后,冻融劈裂强度比出现下降。与浸水马歇尔试验不同,冻融劈裂试验在反映沥青混合料水稳定性的同时,也可在一定程度上表征沥青混合料低温稳定性。试验结果表明,抗剥落剂对沥青混合料水稳定性能改善存在合适的掺量区间,就该试验所用原材料及配合比而言,宜将抗剥落剂掺量控制在0.2%～0.4%。

3.2 高温稳定性

车辙试验结果如图6所示。

图6 高温车辙试验结果柱状图

分析图6可知,随着抗剥落剂掺量增加,车辙试件动稳定度逐渐降低,表明抗剥落剂的加入对沥青混合料高温稳定性产生不利影响,这与前述抗剥落剂导致沥青软化点降低的试验结果一致。由于沥青为典型的粘弹性材料,抗剥落剂加入后,沥青软化点降低,导致高温荷载条件下车辙试件抵抗变形性能下降。但总体而言,抗剥落剂对混合料高温性能影响幅度较小。当掺量为0.6%时,混合料动稳定度下降209次/mm,下降幅度为11%,但仍远高于规范≥800次/mm的要求;当按上述水稳定性改善效果选取抗剥落剂掺量为0.4%时,混合料动稳定度下降114次/mm,下降幅度为6%。整体而言,在合适掺量下可认为抗剥落剂对沥青混合料高温稳定性影响效果有限,在可控范围之内。

3.3 低温稳定性

对上述4个抗剥落剂掺量下的沥青混合料进行低温(-10 ℃)弯曲试验,结果如图7所示。

图7 低温弯曲试验结果柱状图

分析图7可知,随着抗剥落剂掺量增加,低温弯曲破坏应变值逐渐增大,当掺量达到0.6%时增幅呈现减小趋势,但仍较未掺加抗剥落剂试件高,这与冻融劈裂试验结果一致,表明抗剥落剂可提高沥青混合料低温稳定性,但存在最佳掺量,掺量过高改善效果将减弱。

综合分析抗剥落剂对沥青及沥青混合料性能的影响,考虑改善效果及经济性,推荐抗剥落剂掺量为0.4%。

4 抗剥落剂改性机理分析

4.1 各组分模型构建

4.1.1 沥青模型

参照文献[10],采用四组分12分子模型进行基质沥青模型构建,如图8(a)所示。经力场(COMPASS Ⅱ)、电荷设置后,采用Materials Studio(MS)软件Forcite模块对各分子进行结构优化,然后采用MS软件内Amorphous Cell模块中的Construction功能对12分子进行沥青晶胞盒子构建。其中,各分子组成比例参照文献[11]进行。沥青晶胞构建完成后,依次进行结构优化、退火等处理,如图8(b)所示。

(a)四组分12分子模型

选取能量最低构型进行动力学计算,并进行密度验证,确保模型构建的准确性与模拟计算的适用性。密度计算结果如图9所示,平衡后密度在1.02 g/cm3左右,与相关文献[12-13]及沥青实际密度较为接近,符合计算要求。

图9 沥青模型密度变化时程曲线图

4.1.2 抗剥落剂改性沥青模型

参照文献[14]进行抗剥落剂分子模型构建。抗剥落剂分子(总分子式为:C50H85N3O6)模型如图10所示。

图10 抗剥落剂分子模型示意图

根据前述性能分析结果,选取0.4%抗剥落剂与沥青混合,采用MS软件Amorphous Cell模块的Construction功能进行抗剥落剂改性沥青晶胞盒子构建(见图11)。

图11 抗剥落剂改性沥青晶胞模型示意图

4.1.3 沥青-集料粘附模型构建

选用SiO2进行集料模型构建,经切表面与超晶胞处理后构建集料模型。将达到动力学平衡的基质沥青、抗剥落剂改性沥青分子模型与能量优化的集料模型叠加,建立沥青-集料界面模型(如图12所示)。为消除模型的周期性影响,在沥青层上方建立了厚度为50 Å的真空层。为模拟实际作用效果,将SiO2晶体最底层原子固定,而使表层SiO2原子充分松弛,与沥青进行吸附。

图12 抗剥落剂改性沥青-集料粘附模型示意图

4.2 沥青-集料粘附功计算

沥青与集料粘附功可采用沥青-集料结合能与二者结合面积之比进行计算:

W=(EA+EB-EAB)

(1)

式中:W——沥青-集料界面的粘附功(mJ/m2);

E——混合体系中A(沥青)、B(集料)及AB(沥青-集料混合体系)平衡后的总能量(kcal/mol);

A——界面面积(Å2)。

分别对基质沥青、抗剥落剂改性沥青与集料粘附功进行动力学计算,结果如表3所示。

表3 沥青-集料粘附功动力学计算结果表

分析表3可知:

(1)沥青与集料结合能中范德华能起主导作用,静电能作用相对较小。比较两种粘附模型,沥青-集料界面范德华能占总能量的70%以上,这与相关文献结论一致[12-13]。

(2)掺入抗剥落剂,沥青与集料粘附功增大,表明二者抗剥落性能提升,且主要由范德华能主导。抗剥落剂加入沥青后,沥青与集料粘附功增加13.84 mJ/m2,提升比例达到10.4%。其中,范德华能显著增加,而静电能则呈现降低趋势。分子模拟结果表明,抗剥落剂主要改善了沥青与集料的分子间作用力,抗剥落性能的提升有利于增强沥青混合料抗水损坏性能。

5 结语

(1)抗剥落剂可以增大老化前后沥青针入度、延度,减小沥青软化点,表明抗剥落剂可以降低沥青稠度、改善沥青的延展性能,并可引起沥青高温性能降低。

(2)当掺量为0.4%时70#基质沥青老化前后软化点分别降低3.5 ℃、5.5 ℃,而当掺量达到0.6%时老化前后软化点分别降低8.0 ℃、10 ℃,表明当掺量达到0.6%时沥青性能将发生较大变化。因此,建议抗剥落剂掺量宜控制在0.2%～0.4%。

(3)抗剥落剂掺量增加,沥青混合料残留稳定度逐渐增强、冻融劈裂强度比逐渐提高并在0.6%掺量时下降。显示抗剥落剂对沥青混合料水稳定性能改善存在合适的掺量区间,宜将抗剥落剂掺量控制在0.2%～0.4%。

(4)抗剥落剂掺量增加,低温弯曲破坏应变值逐渐增大,但当掺量达到0.6%时增幅呈现减小趋势;车辙试件动稳定度逐渐降低,表明抗剥落剂的加入对沥青混合料高温稳定性产生不利影响。

(5)分子模拟结果显示,0.4%抗剥落剂可使沥青-集料粘附功提升10.4%,且主要由范德华能提升引起。