馬德崇

（山西省交通科學(xué)研究院 新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的快速發(fā)展，由于傳統(tǒng)瀝青混合料高溫抗車(chē)轍和低溫抗裂性差所導(dǎo)致的瀝青路面早期損壞現(xiàn)象，已嚴(yán)重影響到我國(guó)道路建設(shè)的健康發(fā)展[1-3]，尤其在早晚溫差大、氣候變化范圍較大的地區(qū)，溫縮開(kāi)裂十分普遍和嚴(yán)峻。為提高瀝青路面綜合性能，在基質(zhì)瀝青中添加外加劑對(duì)瀝青改性已成為改善其服役水平的重要手段[4-6]。然而，通過(guò)添加外加劑片面追求較高的高溫、低溫或水穩(wěn)性能都將導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)面影響。片面追求過(guò)高的高溫性能（動(dòng)穩(wěn)定度），一方面會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料過(guò)硬，另一面將損失混合料的低溫性能[7]，在夏季高溫下更容易造成車(chē)轍，冬季易出現(xiàn)裂縫。

近年來(lái)，人們通過(guò)聚合物、纖維、橡膠粉、硫磺等多種添加劑材料來(lái)提高瀝青混合料的抗車(chē)轍性能[8-13]。聚合物材料對(duì)瀝青混合料的抗車(chē)轍性能有較好的影響。它們已用于改性瀝青膠漿，作為瀝青改性劑改善瀝青混合料的性能，以提高瀝青路面的性能，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命[14-17]。近來(lái)，各種研究表明，聚合物的加入可降低路面的損害率，并提高其性能[18-21]。為兼顧混合料的高、低溫性能，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)了改性聚合物的性能可控，在提高瀝青混合料高溫性能的同時(shí)，兼顧混合料的低溫抗裂性能，提高瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力和低溫抗裂能力，改善了混合料的綜合性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

a）基質(zhì)瀝青 瀝青由中國(guó)石油天然氣總公司提供，軟化點(diǎn)45.5 ℃，25 ℃針入度為88（0.1 mm）。

b）改性聚合物 自制（灰黑色顆粒；軟化點(diǎn)120～160 ℃；粒徑2～4 cm）。

c）集料 采用石灰?guī)r。

1.2 改性瀝青制備

稱取一定量的基質(zhì)瀝青放入小容器中，然后加熱至流動(dòng)狀態(tài)，在4 000 rpm 下，按瀝青質(zhì)量份（0 wt%、1.5 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%）的改性聚合物與瀝青剪切混合均勻，保持170 ℃左右剪切30 min 左右，形成均一的連續(xù)相，備用。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程與參數(shù)

流變儀的控制模式為應(yīng)變式，數(shù)值為0.06%，溫度控制范圍為40 ℃～70 ℃，升溫速率為3 ℃/min，荷載頻率為10 rad/s。瀝青混合料配合比采用馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，混合料類(lèi)型采用AC-20 型瀝青混合料，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，確定了AC-20 的最佳油石比為4.5%。按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》分別進(jìn)行瀝青黏度試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)等，評(píng)價(jià)改性瀝青及瀝青混合料的性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）

圖1 為再生聚乙烯和改性聚乙烯的傅里葉變換紅外光譜圖，從圖中可知，相對(duì)于聚乙烯，改性聚乙烯在1 868 cm-1、1 790 cm-1、和1 715 cm-1有新的特征吸收峰出現(xiàn)。其中，1 868 cm-1和1 790 cm-1分別屬于羰基對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮產(chǎn)生的峰，而1 715 cm-1的峰屬于改性劑MAH 中羧基所產(chǎn)生的峰[22]。由于測(cè)試前已經(jīng)除去來(lái)MAH 改性單體，新的特征峰表明改性單體MAH 確實(shí)已經(jīng)接枝到聚乙烯上。

圖1 再生聚乙烯和改性聚乙烯的紅外光譜圖

2.2 改性聚合物改性瀝青性能

采用內(nèi)摻法添加到重交通90 號(hào)道路石油瀝青中，相互混合制備改性聚合物- 瀝青膠結(jié)料。研究改性聚合物摻量對(duì)瀝青三大指標(biāo)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 不同摻量改性聚合物的瀝青膠結(jié)料三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，改性聚合物的摻加明顯地提高了90 號(hào)道路石油瀝青的軟化點(diǎn)，并隨摻量的增加而增大；改性聚合物的加入對(duì)基質(zhì)瀝青的15 ℃延度有削弱作用，使延度隨摻量的增加而減??；另外，基質(zhì)瀝青摻加改性聚合物后，25 ℃時(shí)的針入度也隨著摻量的增加而減小。通過(guò)上述摻加改性聚合物瀝青膠結(jié)料的三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律，可以看出，隨著改性聚合物的加入，基質(zhì)瀝青有變硬的趨勢(shì)，表明改性聚合物能改善瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性。

2.3 改性聚合物對(duì)瀝青黏度的影響

圖2為不同溫度下基質(zhì)瀝青與瀝青改性后的黏度變化曲線，改性聚合物改性瀝青的黏度隨著溫度的升高而減少，改性聚合物改性瀝青的黏度顯著高于基質(zhì)瀝青，并且隨著改性聚合物摻量的增加而增大。在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)，改性聚合物摻量為7%的黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他摻量的黏度。表明改性聚合物的增黏作用可以顯著提高瀝青的黏度，較高摻量下的改性聚合物將導(dǎo)致較高的黏度。

圖2 不同溫度下基質(zhì)瀝青與瀝青改性后的黏度變化曲線

2.4 拌和溫度的影響

圖3為不同摻量的改性聚合物瀝青膠結(jié)料下的表觀黏度變化曲線。圖3 的試驗(yàn)結(jié)果表明，改性聚合物的加入對(duì)瀝青膠結(jié)料的表觀黏度產(chǎn)生了顯著影響，從圖3的變化曲線可以看出，瀝青膠結(jié)料的表觀黏度隨著改性聚合物摻量的增加而增大，即加入改性聚合物后瀝青膠結(jié)料的黏度變大，所以其相應(yīng)拌和溫度和施工溫度需適當(dāng)?shù)厣摺?/p>

圖3 不同摻量的改性聚合物瀝青膠結(jié)料下的表觀黏度

在恒定的混合時(shí)間下，研究了不同拌和溫度對(duì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變性能的影響。主要研究了改性聚合物摻量為4‰（占混合料總質(zhì)量）時(shí)對(duì)混合料性能的影響。不同拌和溫度下的動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變結(jié)果如圖4所示。

由圖4a可知，隨著拌和溫度的增加，動(dòng)穩(wěn)定度增加，后增加緩慢。由圖4b 可以看出，隨著拌和溫度的增加，破壞應(yīng)變呈現(xiàn)直線形式的增加。表明增加溫度更有利于改性聚合物與混合料的均勻拌和，從而提高瀝青膠結(jié)料的硬度和黏度。因此，拌和溫度控制對(duì)于改性聚合物改性瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中是非常重要的。考慮到高溫拌和過(guò)程中瀝青的老化，以及低溫拌和過(guò)程中改性聚合物在混合料中的均勻分散性，結(jié)合拌和機(jī)械的性能和施工經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)采用的拌和溫度為180 ℃。

圖4 不同混合溫度下的動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變結(jié)果

2.5 拌和時(shí)間的影響

通過(guò)保持如前所述的最佳拌和溫度，嘗試了150 s、180 s、210 s 和240 s 的不同濕拌和時(shí)間（在添加最佳瀝青含量拌和在一起之后）。圖5顯示了動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變特性隨濕拌和時(shí)間變化的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著濕拌和時(shí)間的增加，DS 增大（圖4a），破壞應(yīng)變?cè)龃螅▓D4b）。同樣，考慮到節(jié)能和瀝青老化，最佳濕拌時(shí)間為180 s。

2.6 不同混合料類(lèi)型的影響

為了進(jìn)一步研究改性聚合物對(duì)不同類(lèi)型瀝青混合料性能影響。選擇了4 種不同級(jí)配類(lèi)型的混合料AC-13，AC-16、AC-20 和AC-25 進(jìn)行性能測(cè)試，考察了在不同混合料下分別摻與不摻轍裂劑后性能指標(biāo)的變化規(guī)律，如圖6所示。結(jié)果表明，改性聚合物的加入顯著地提高了瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，提高幅度隨著改性聚合物摻量的增加而增大，改性聚合物能夠顯著地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性性能。同時(shí)相比普通瀝青混合料的彎拉破壞應(yīng)變，摻加改性聚合物后的性能有所提高，隨著改性聚合物摻量的增加而增大，表明摻加改性聚合物瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變相比普通瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變有所提高。

而且隨骨料粒徑的增加，動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變隨之增加。表明，改性聚合物在不同的類(lèi)型瀝青混合料下都具有良好的高溫抗車(chē)轍性能和低溫抗裂性能。

圖5 不同拌和時(shí)間下動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變

圖6 不同混合料類(lèi)型下的動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，摻加改性聚合物的瀝青混合料能明顯改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和低溫開(kāi)裂性。此外，在不同類(lèi)型的瀝青混合料中加入改性聚合物可以提供良好的高、低溫性能。主要結(jié)果如下：

a）隨著溫度的升高，改性聚合物改性瀝青的黏度降低，黏度隨改性聚合物用量的增加而增加。其黏度隨著改性聚合物摻量的增加而增大。

b）溫度控制是改性聚合物改性瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，其動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變隨混合料溫度的升高而升高。

c）不同濕拌時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著濕拌時(shí)間的增加，動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變?cè)龃螅紤]到節(jié)能和瀝青老化，最佳濕拌時(shí)間為180 s。

d）骨料粒徑的增加，動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變隨之增加。且改性聚合物在不同的類(lèi)型瀝青混合料下都具有良好的高溫抗車(chē)轍性能和低溫抗裂性能。