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摘要：本文通过对不同掺量的Duroflex沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性的室内试验研究，分析了不同掺量的Duroflex对混合料性能的影响及其混合料的改性机理，表明Duroflex新型添加剂不仅能有效的提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性能，而且施工方便。
关键词：Duroflex；沥青混合料；性能；改性机理
为了防止沥青混凝土路面的早期破坏，提高路面的高低温稳定性和耐久性，世界各国都进行了广泛深入研究，对沥青及沥青混合料加以改性是目前普遍运用的方法。
德国生产的Duroflex改性剂出现于20世纪末，属于沥青混合料改性剂，在德国已经得到了应用并取得了一定的效果。在我国一些地区铺筑了试验路，但还没有进行大面积的推广。该改性剂的主要特点是：施工工艺简单，可在拌制沥青混合料时直接将其加入拌和锅中，通过拌和过程，达到改性沥青混合料的目的。我国有关单位也对新型添加剂进行了研究，其在提高抗车辙、低温抗裂、抗老化方面，还是从成本上考虑都具有一定的优势。
本文根据室内试验，对不同掺量的Duroflex沥青混合料的路用性能进行分析评价，以便为Duroflex的应用和推广提供参考依据。
1.原材料及配合比
1.1沥青基本性能
基质沥青采用SK 70号A级道路石油沥青，其三大指标：针入度（25℃，100g，5s）:73（0.1mm）、延度(10℃，5cm/min): 20.5 cm、软化点（环球法）：46.2℃。
1.2 集料与填料
粗、细集料采用鹤壁通达石场生产的石灰岩，填料采用石灰岩磨细的矿粉，其质量都符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中关于高速公路沥青路面表面层使用集料质量的技术要求。
1.3 添加剂
Duroflex改性剂是黑色固体，呈粒状，粒径在4.75 mm ～0.75mm之间。其中， 4.75mm占13%左右；2.36 mm占63%左右；1.18mm占19%；0.6 mm和0.075 mm各占1～2%左右。其形状不规则，密度在1.042g/cm3左右。经过试验，它不溶解于煤油、汽油、柴油和三氯乙烯，但溶解于石油醚。
1.4. 配合比
试验采用AC-16级配，合成级配见表2所示，通过马歇尔试验，确定基质沥青(SK70#)最佳油石比为4.5%。
表1AC-16合成级配
2.沥青混合料性能
以AC-16级配为基础，选定Duroflex添加剂的掺量为混合料的4‰、6‰、8‰（推荐掺量范围3‰~8‰），按《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的技术要求，分别对AH-70#基质沥青混合料、不同掺量Duroflex混合料进行各种性能进行测试与分析。
2.1 不同掺量的Duroflex对混合料体积参数的影响
按照确定的AC-16C的矿质混合料配合比，计算各矿质混合料用量，在基质沥青最佳油石比（OAC=4.5%）的基础上，根据工程实际经验适当增加油石比2‰~3‰，得到掺入新型添加剂后的最佳油石比，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)的规定，成型试件，并测定其物理和力学指标，其结果如下表所示。
表2 不同掺量的Duroflex添加剂马歇尔试验结果
从Duroflex沥青混合料体积参数可以看出，混合料体积指标基本满足技术规范要求，Duroflex从4‰到6‰稳定度随着掺量的增加而增加，而掺量从6‰到8‰时，稳定度有所降低，分析其原因：掺加Duroflex的沥青混合料较难压实，所得试件毛体积密度大、空隙率较高，导致其混合料稳定度反而有一定的下降。
2.2 高温稳定性
采用沥青混合料车辙试验（T0719-1993）评价，试验方法按照规范规定的加载方式（60℃，42次/min，0.7Mpa）进行。试验结果如图1，2所示。
图1 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青的混合料的动稳定度比较
图2 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的相对变形率比较
由上图可知，随掺量的增大，Duroflex混合料的动稳定度逐渐增大，相对变形量逐渐减少。掺量为4%时，稳定度是普通沥青混合料的3.6倍；掺量为6%时，稳定度是普通沥青混合料的6.2倍。以上数据表明，Duroflex混合料的高温稳定性较普通沥青混合料有较大提高，且随掺量的增加高温稳定性越好，当掺量为4‰时，动稳定度为4200次/mm。
2.3 水稳定性评价
采用沥青混合料残留稳定度试验（T0709-2000）和沥青混合料冻融劈裂试验（T0729-2000）评价。试验结果如图3，4所示。
图3 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的残留稳定度比较
图4 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的TSR比较
从以上图表可知，掺加Duroflex的混合料残留稳定度均大于规范关于改性沥青混合料的技术要求（≥85%）；冻融劈裂试验结果来看，沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于规范关于改性沥青混合料的技术标准（≥80%），当Duroflex为6‰时，残留稳定度和残留强度比最大。
2.4 低温抗裂性评价
沥青混合料的强度和变形是路面结构的重要技术参数，但在衡量沥青混合料性质时仅考虑材料的强度参数和变形特性，对于沥青混合料评价是不利的。因为在低温条件下，要想获得好的沥青混合料技术性能，必须有较高的强度和较大变形，但这二者对材料来说，不可能同时增大，表明不能采用单一指标来评价沥青混合料的技术性能。因此，寻找一种能反应强度和变形的综合技术参数是必要的。
弯曲应变能密度就是是应力与应变的综合反映，用它来评价低温是比较合适的。低温下的沥青混合料可看作弹性材料，其破坏过程是一个能量耗散的过程.外力对材料所做的功會转化为如下形式的能量：一是作为弹性应变能被储存；二是随着裂缝的发生、发展、产生新表面时转化为表面能。沥青混合料储存的弹性应变能越多，其低温抗裂性就越好。根据材料损伤准则，沥青混合料低温开裂时会经历裂缝的引发，亚临界状态增长和最后终止3个阶段，这3个阶段在宏观上均可观察到。假定材料破坏形式与单位体积内能量状态相对应，那么混合料的开裂破坏就可以用应变能密度函数 dV/dW来表示，即：
式中： ——应变能密度函数； ， ——应力，应变分量； ——最大应力所对应的应变值（即临界应变）。 的临界值是断裂时实际应力-应变关系曲线下的面积（见图5），可以通过试验来确定。因此，基于材料损伤原理，对于低温弯曲试验可以用临界弯曲应变能来评价混合料的低温抗裂性。
计算时根据试验结果，绘出应力-应变关系曲线，进行回归。回归方程为二次抛物线，可靠度大于98%。根据回归方程可计算出临界应变能密度。
图5 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的临界应变能比较
从以上图表可知，掺加Duroflex的混合料临界应变能随添加剂掺量的增加而增大，当Duroflex掺量为4‰时，Duroflex混合料的临界应变能是普通沥青混合料的1.6倍，说明掺加Duroflex后的沥青混合料的低温抗裂性较普通沥青混合料有较大程度改善。
2.4 Duroflex施工工艺
（1）试件制备
在试验室拌制Duroflex沥青混合料主要流程为：先将Duroflex和热集料干拌不少于4min（掺量越大拌合的时间尽量延长一些），以使Duroflex抗车辙剂均匀分散在矿料中。然后将沥青按照预定用量加入，拌和90s；最后加入矿粉，再拌和90s。
（2）施工要点
添加剂与热骨料之间要保证有20秒的干拌时间，骨料温度约为190℃左右。
Duroflex添加比例一般在0.3%-0.8%之间。掺加Duroflex的沥青混合料的油石比应在原设计基础上适当提高0.2%-0.5%。如果侧重提高高温性能，Duroflex混合料的油石比可以按低限控制，如果侧重提高低温性能，则油石比要尽可能走高限。Duroflex沥青混凝土的摊铺温度约在130-160℃的范围内确定，应根据Duroflex添加比例的多少选择适宜的碾压温度。摊铺施工工艺与普通沥青混凝土摊铺工艺基本一致。
3. Duroflex作用原理
Duroflex改性剂通过提高可塑性程度来影响沥青与制得的沥青混凝土的性能，它还通过对整个沥青混凝土的稳定作用来保障其在高温与低温情况下的高强度，其作用原理如下：
（1）通过形成分散的聚合物晶体使沥青提高韧性作为改性剂的高分子聚合物，在与热骨料的“干拌”中已经充分分散，但它们与沥青的“互溶”远未完成，通常高分子聚合物在熔融温度以下的游离状态时会呈结晶体状，正是这种非常迷散的聚合物晶体，为基体沥青的强化做出了贡献。
（2）在骨料和含有沥青的灰泥之间形成聚合体搭桥，在矿料的表面，矿料的晶格列阵通过与聚合物晶体的分子力来吸引基体沥青，加入Duroflex改性剂后，可以大幅度地提高矿料的抗剥落能力，甚至对于酸性的花岗岩等矿料也不需另外使用抗剥落剂。
（3）沥青和添加剂作用成分之间的物理/化學交换作用由于基体沥青膜与Duroflex改性剂膜紧密接触，提供了强大的界面力，它们之间的分子在互相渗透时产生了物理/化学作用，在改性剂与沥青接触的表面形成了浅层的互融过渡层，令基体沥青得到了强化。
4.结语
本文对普通沥青混合料和不同掺量的Duroflex混合料进行了室内试验的研究分析。表明掺加Duroflex的混合料具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害能力，可以在实体工程中推广应用。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准.公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）[S].北京:人民交通出版社，2004
[2]AASHTO Designation：R 15-00，美国
[3] 中华人民共和国行业标准.公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ 052-2000）[S].北京:人民交通出版社，2000
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：Duroflex；沥青混合料；性能；改性机理
为了防止沥青混凝土路面的早期破坏，提高路面的高低温稳定性和耐久性，世界各国都进行了广泛深入研究，对沥青及沥青混合料加以改性是目前普遍运用的方法。
德国生产的Duroflex改性剂出现于20世纪末，属于沥青混合料改性剂，在德国已经得到了应用并取得了一定的效果。在我国一些地区铺筑了试验路，但还没有进行大面积的推广。该改性剂的主要特点是：施工工艺简单，可在拌制沥青混合料时直接将其加入拌和锅中，通过拌和过程，达到改性沥青混合料的目的。我国有关单位也对新型添加剂进行了研究，其在提高抗车辙、低温抗裂、抗老化方面，还是从成本上考虑都具有一定的优势。
本文根据室内试验，对不同掺量的Duroflex沥青混合料的路用性能进行分析评价，以便为Duroflex的应用和推广提供参考依据。
1.原材料及配合比
1.1沥青基本性能
基质沥青采用SK 70号A级道路石油沥青，其三大指标：针入度（25℃，100g，5s）:73（0.1mm）、延度(10℃，5cm/min): 20.5 cm、软化点（环球法）：46.2℃。
1.2 集料与填料
粗、细集料采用鹤壁通达石场生产的石灰岩，填料采用石灰岩磨细的矿粉，其质量都符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中关于高速公路沥青路面表面层使用集料质量的技术要求。
1.3 添加剂
Duroflex改性剂是黑色固体，呈粒状，粒径在4.75 mm ～0.75mm之间。其中， 4.75mm占13%左右；2.36 mm占63%左右；1.18mm占19%；0.6 mm和0.075 mm各占1～2%左右。其形状不规则，密度在1.042g/cm3左右。经过试验，它不溶解于煤油、汽油、柴油和三氯乙烯，但溶解于石油醚。
1.4. 配合比
试验采用AC-16级配，合成级配见表2所示，通过马歇尔试验，确定基质沥青(SK70#)最佳油石比为4.5%。
表1AC-16合成级配
2.沥青混合料性能
以AC-16级配为基础，选定Duroflex添加剂的掺量为混合料的4‰、6‰、8‰（推荐掺量范围3‰~8‰），按《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的技术要求，分别对AH-70#基质沥青混合料、不同掺量Duroflex混合料进行各种性能进行测试与分析。
2.1 不同掺量的Duroflex对混合料体积参数的影响
按照确定的AC-16C的矿质混合料配合比，计算各矿质混合料用量，在基质沥青最佳油石比（OAC=4.5%）的基础上，根据工程实际经验适当增加油石比2‰~3‰，得到掺入新型添加剂后的最佳油石比，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)的规定，成型试件，并测定其物理和力学指标，其结果如下表所示。
表2 不同掺量的Duroflex添加剂马歇尔试验结果
从Duroflex沥青混合料体积参数可以看出，混合料体积指标基本满足技术规范要求，Duroflex从4‰到6‰稳定度随着掺量的增加而增加，而掺量从6‰到8‰时，稳定度有所降低，分析其原因：掺加Duroflex的沥青混合料较难压实，所得试件毛体积密度大、空隙率较高，导致其混合料稳定度反而有一定的下降。
2.2 高温稳定性
采用沥青混合料车辙试验（T0719-1993）评价，试验方法按照规范规定的加载方式（60℃，42次/min，0.7Mpa）进行。试验结果如图1，2所示。
图1 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青的混合料的动稳定度比较
图2 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的相对变形率比较
由上图可知，随掺量的增大，Duroflex混合料的动稳定度逐渐增大，相对变形量逐渐减少。掺量为4%时，稳定度是普通沥青混合料的3.6倍；掺量为6%时，稳定度是普通沥青混合料的6.2倍。以上数据表明，Duroflex混合料的高温稳定性较普通沥青混合料有较大提高，且随掺量的增加高温稳定性越好，当掺量为4‰时，动稳定度为4200次/mm。
2.3 水稳定性评价
采用沥青混合料残留稳定度试验（T0709-2000）和沥青混合料冻融劈裂试验（T0729-2000）评价。试验结果如图3，4所示。
图3 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的残留稳定度比较
图4 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的TSR比较
从以上图表可知，掺加Duroflex的混合料残留稳定度均大于规范关于改性沥青混合料的技术要求（≥85%）；冻融劈裂试验结果来看，沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于规范关于改性沥青混合料的技术标准（≥80%），当Duroflex为6‰时，残留稳定度和残留强度比最大。
2.4 低温抗裂性评价
沥青混合料的强度和变形是路面结构的重要技术参数，但在衡量沥青混合料性质时仅考虑材料的强度参数和变形特性，对于沥青混合料评价是不利的。因为在低温条件下，要想获得好的沥青混合料技术性能，必须有较高的强度和较大变形，但这二者对材料来说，不可能同时增大，表明不能采用单一指标来评价沥青混合料的技术性能。因此，寻找一种能反应强度和变形的综合技术参数是必要的。
弯曲应变能密度就是是应力与应变的综合反映，用它来评价低温是比较合适的。低温下的沥青混合料可看作弹性材料，其破坏过程是一个能量耗散的过程.外力对材料所做的功會转化为如下形式的能量：一是作为弹性应变能被储存；二是随着裂缝的发生、发展、产生新表面时转化为表面能。沥青混合料储存的弹性应变能越多，其低温抗裂性就越好。根据材料损伤准则，沥青混合料低温开裂时会经历裂缝的引发，亚临界状态增长和最后终止3个阶段，这3个阶段在宏观上均可观察到。假定材料破坏形式与单位体积内能量状态相对应，那么混合料的开裂破坏就可以用应变能密度函数 dV/dW来表示，即：
式中： ——应变能密度函数； ， ——应力，应变分量； ——最大应力所对应的应变值（即临界应变）。 的临界值是断裂时实际应力-应变关系曲线下的面积（见图5），可以通过试验来确定。因此，基于材料损伤原理，对于低温弯曲试验可以用临界弯曲应变能来评价混合料的低温抗裂性。
计算时根据试验结果，绘出应力-应变关系曲线，进行回归。回归方程为二次抛物线，可靠度大于98%。根据回归方程可计算出临界应变能密度。
图5 不同掺量的Duroflex混合料与基质沥青混合料的临界应变能比较
从以上图表可知，掺加Duroflex的混合料临界应变能随添加剂掺量的增加而增大，当Duroflex掺量为4‰时，Duroflex混合料的临界应变能是普通沥青混合料的1.6倍，说明掺加Duroflex后的沥青混合料的低温抗裂性较普通沥青混合料有较大程度改善。
2.4 Duroflex施工工艺
（1）试件制备
在试验室拌制Duroflex沥青混合料主要流程为：先将Duroflex和热集料干拌不少于4min（掺量越大拌合的时间尽量延长一些），以使Duroflex抗车辙剂均匀分散在矿料中。然后将沥青按照预定用量加入，拌和90s；最后加入矿粉，再拌和90s。
（2）施工要点
添加剂与热骨料之间要保证有20秒的干拌时间，骨料温度约为190℃左右。
Duroflex添加比例一般在0.3%-0.8%之间。掺加Duroflex的沥青混合料的油石比应在原设计基础上适当提高0.2%-0.5%。如果侧重提高高温性能，Duroflex混合料的油石比可以按低限控制，如果侧重提高低温性能，则油石比要尽可能走高限。Duroflex沥青混凝土的摊铺温度约在130-160℃的范围内确定，应根据Duroflex添加比例的多少选择适宜的碾压温度。摊铺施工工艺与普通沥青混凝土摊铺工艺基本一致。
3. Duroflex作用原理
Duroflex改性剂通过提高可塑性程度来影响沥青与制得的沥青混凝土的性能，它还通过对整个沥青混凝土的稳定作用来保障其在高温与低温情况下的高强度，其作用原理如下：
（1）通过形成分散的聚合物晶体使沥青提高韧性作为改性剂的高分子聚合物，在与热骨料的“干拌”中已经充分分散，但它们与沥青的“互溶”远未完成，通常高分子聚合物在熔融温度以下的游离状态时会呈结晶体状，正是这种非常迷散的聚合物晶体，为基体沥青的强化做出了贡献。
（2）在骨料和含有沥青的灰泥之间形成聚合体搭桥，在矿料的表面，矿料的晶格列阵通过与聚合物晶体的分子力来吸引基体沥青，加入Duroflex改性剂后，可以大幅度地提高矿料的抗剥落能力，甚至对于酸性的花岗岩等矿料也不需另外使用抗剥落剂。
（3）沥青和添加剂作用成分之间的物理/化學交换作用由于基体沥青膜与Duroflex改性剂膜紧密接触，提供了强大的界面力，它们之间的分子在互相渗透时产生了物理/化学作用，在改性剂与沥青接触的表面形成了浅层的互融过渡层，令基体沥青得到了强化。
4.结语
本文对普通沥青混合料和不同掺量的Duroflex混合料进行了室内试验的研究分析。表明掺加Duroflex的混合料具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害能力，可以在实体工程中推广应用。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准.公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）[S].北京:人民交通出版社，2004
[2]AASHTO Designation：R 15-00，美国
[3] 中华人民共和国行业标准.公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ 052-2000）[S].北京:人民交通出版社，2000
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。