瀝青混合料低溫抗裂性研究進(jìn)展

廖乃鳳

廣東南粵物流股份有限公司（510410）

0 前言

國內(nèi)外高等級(jí)公路和城市道路中大部分路面均為瀝青路面，隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，道路上行駛車輛向大型化、密集化、快速化和重軸載方向發(fā)展，由此導(dǎo)致的路面車轍、開裂、剝落、抗滑能力不足等病害日益嚴(yán)重,最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)過早損壞，未能達(dá)到設(shè)計(jì)年限便須進(jìn)行大修，造成了資源的極大浪費(fèi)。因此，如何提高瀝青路面的使用性能，以滿足交通發(fā)展的需要，是全世界道路工作者需要解決的問題。

路面開裂是瀝青路面存在的主要病害之一，是解決路面問題的關(guān)鍵,受到各國道路界的普遍關(guān)注。路面開裂產(chǎn)生的主要原因是寒冷季節(jié)周期性變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、行車荷載作用產(chǎn)生的累積應(yīng)力及材料的損傷超過材料的容許程度，從而導(dǎo)致路面開裂。在我國的北方地區(qū)（特別是西北地區(qū)），由于氣候寒冷，晝夜溫差大，瀝青混合料在溫度驟降或溫差較大時(shí)由于溫度應(yīng)力作用而產(chǎn)生開裂。而且瀝青路面普遍采用半剛性基層，路面開裂后，降水滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，進(jìn)一步產(chǎn)生唧泥、沉陷等結(jié)構(gòu)性破壞，嚴(yán)重危害道路的使用性能和壽命。交通的發(fā)展對(duì)瀝青路面的要求越來越高，低溫開裂使路面材料面臨嚴(yán)峻考驗(yàn),如何提高瀝青混合料的質(zhì)量，改善瀝青路面的使用性能，延長路面的使用壽命，進(jìn)而提高投資效益，這些問題對(duì)于高等級(jí)公路建設(shè)正處于高速發(fā)展階段的我國顯得尤為重要。

1 低溫開裂機(jī)理及影響因素

為了解決路面低溫開裂問題,對(duì)其開裂機(jī)理[1]及影響因素進(jìn)行研究是相當(dāng)有必要的。研究普遍認(rèn)為，在溫度較高時(shí)，瀝青材料體現(xiàn)了粘彈性，具有應(yīng)力松弛特性，拉應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的增長逐漸消解；而在低溫情況下，瀝青是一種脆性材料，接近于線彈性，其應(yīng)力松弛能力大大降低。當(dāng)溫度驟然下降或面層材料松弛性能不好時(shí)，瀝青混合料將發(fā)生低溫收縮，由于路面主要受到水平縱向約束，致使收縮變形受到約束，從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過瀝青混合料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，路面將發(fā)生低溫開裂。

瀝青路面開裂的影響因素[2]包括瀝青本身的性質(zhì)、瀝青混合料的組成、路面結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、瀝青膜的厚度、基層的影響、土基應(yīng)力集中的影響、路齡、交通量、氣候等。研究表明，在瀝青混合料中瀝青材料在低溫抗裂性方面貢獻(xiàn)率高達(dá)87%[3]。甚至有學(xué)者認(rèn)為，在瀝青混合料的低溫收縮和疲勞開裂中，瀝青材料的低溫抗裂性能起決定性作用[4]。由此可知，可以通過提高瀝青材料低溫抗裂性的方法提高瀝青混合料的低溫抗裂性。

2 低溫抗裂性評(píng)價(jià)方法

在瀝青混合料低溫抗裂性研究方面，常用低溫下的抗拉強(qiáng)度或抗變形能力來評(píng)價(jià)，例如美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)曾提出以溫度應(yīng)力試驗(yàn)和J積分試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)瀝青路面低溫開裂的主要方法。其他常用的試驗(yàn)方法包括:等應(yīng)變加載的破壞試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、彎曲拉伸蠕變?cè)囼?yàn)、受限試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、收縮系數(shù)試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)等。

同時(shí)，也可用評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性能的指標(biāo)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行間接評(píng)價(jià)，如低溫感溫比、脆點(diǎn)、低溫針入度和低溫延度等，同時(shí)也可采用測(cè)力延度試驗(yàn)、彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)(BBR)和直接拉伸試驗(yàn)(DT)來評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能。在一些國家的瀝青標(biāo)準(zhǔn)中,瀝青的低溫抗裂性能采用了弗拉斯脆點(diǎn)指標(biāo)。我國“八五”攻關(guān)成果建議瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)最好采用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2和10℃延度。在現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定采用5℃延度來評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫抗裂性。

3 改善瀝青混合料低溫抗裂性的方法

3.1 纖維增強(qiáng)

在瀝青混合料中摻入纖維是一種提高混合料抗裂性能的有效手段，國內(nèi)外對(duì)其性能開展了大量研究[5-9]。研究表明，摻入纖維可以改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、疲勞耐久性、低溫抗裂性及防止反射裂縫的性能。公路工程中常用的纖維有木質(zhì)素纖維、聚脂纖維、有機(jī)纖維、鋼纖維等。

3.1.1 纖維增強(qiáng)的作用機(jī)理

在提高瀝青混合料的低溫抗裂性方面，纖維具有改性、加筋和穩(wěn)定作用，能顯著影響瀝青混合料的韌性和破壞過程。由于纖維具有很大的表面積，當(dāng)纖維加入到瀝青混合料后，纖維與瀝青、纖維與纖維之間相互作用，如吸附、擴(kuò)散、化學(xué)鍵合等，使瀝青在纖維表面形成結(jié)合力牢固的結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，該界面結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)其粘結(jié)力，降低瀝青的溫度敏感性,從而改善瀝青混合料的高溫和低溫性能。與此同時(shí)，纖維及周圍的結(jié)構(gòu)瀝青一起裹覆在集料表面，使集料表面的瀝青膜增厚，且纖維的加入可有效分散荷載，消散應(yīng)變能，使結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)。在瀝青混合料中,數(shù)量眾多的纖維呈三相隨機(jī)均勻分布，形成縱橫交錯(cuò)的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在一定程度上能阻止裂縫的產(chǎn)生；當(dāng)孔隙及裂紋產(chǎn)生后，纖維的存在及咬合效應(yīng)使裂紋的擴(kuò)展受到約束和阻滯，從而提高瀝青路面裂紋的自愈能力，最終提高瀝青混合料低溫抗裂性。

3.1.2 木質(zhì)素纖維

木質(zhì)素纖維[6]屬于植物纖維，是植物加工成紙漿和纖維漿液過程中的副產(chǎn)品，木質(zhì)素纖維的加入使混合料的最佳瀝青用量增加，進(jìn)而增加混合料的延展性，改善混合料的勁度模量。木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青具有增韌、增粘作用，改善瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，提高其抗剪、抗拉能力。同時(shí)，木質(zhì)素纖維本身具有良好的物化性能，低溫時(shí)不變硬變脆，能有效地抵抗溫度應(yīng)力，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生。其在混合料中的加筋作用使混合料具有較好的柔韌性、彈性恢復(fù)性及低溫應(yīng)變值，互相搭接的木質(zhì)素纖維能提高混合料的抗拉強(qiáng)度，從而提高路面低溫抗裂性能。

3.1.3 聚酯纖維

在瀝青混合料中摻入一定量的聚酯纖維[7]后能提高其低溫抗裂性的主要原因在于纖維的阻裂效應(yīng)，在受力過程中，聚酯纖維能阻止裂縫的引發(fā)，從而減少了裂縫源的數(shù)量。聚酯纖維具有很高的斷裂延伸率，即具有極強(qiáng)的韌性，同時(shí)，聚酯纖維具有極強(qiáng)的吸附性，低溫不脆化，高溫不軟化變形，在溫度應(yīng)力及外力沖擊等作用下，聚酯纖維瀝青混合料可以承受很大的拉伸變形，低溫抗裂性提高。

3.1.4 有機(jī)合成纖維

我國目前使用較多的有機(jī)合成纖維主要是德蘭尼特AS[8](Dolanit AS)，它是專門用于瀝青混合料的有機(jī)合成纖維。它具有較強(qiáng)的均勻分散性，表面與瀝青的親和性能好，強(qiáng)度高，吸附性強(qiáng)，它不僅是穩(wěn)定添加劑，更能改善瀝青膠體的結(jié)構(gòu)，起到加強(qiáng)筋的作用。1）大量的纖維會(huì)吸收瀝青產(chǎn)生吸脹作用。2）由于纖維端部有明顯的觸角狀突起，有利于各纖維的搭接，便于“橋接”與“加筋”作用的發(fā)揮，使路面?zhèn)鬟f的荷載可以及時(shí)的分散于礦質(zhì)骨料和瀝青混合料中,較大幅度增加瀝青混合料的抗裂性。

3.1.5 鋼纖維

鋼纖維[9]作為瀝青混合料的一種加強(qiáng)筋，具有高強(qiáng)度、耐高溫、高彎曲彈性及高取向性等路用性能，可以改善瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性。加入鋼纖維可以明顯增加瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，降低勁度模量和剛度，提高其抗拉強(qiáng)度和延性，延遲瀝青路面的開裂。在鋼纖維瀝青混合料中，受到的拉應(yīng)力由瀝青、集料和鋼纖維三者承擔(dān)，鋼纖維使混合料由瀝青、集料的突然拉斷破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青、集料、鋼纖維與瀝青界面剪切破壞的破壞模式，使鋼纖維瀝青混合料的強(qiáng)度顯著提高。

3.2 聚合物改性瀝青

瀝青材料的缺點(diǎn)是溫度敏感性大,高溫流淌，低溫發(fā)脆，為克服瀝青的上述缺點(diǎn)，瀝青的改性受到人們的普遍重視。在瀝青中添加改性劑進(jìn)行改性由來已久，其中聚合物用得最多。將少量聚合物均勻地混入瀝青中，可使瀝青的使用性能得到很大的提升，成為提高瀝青性能的有效途徑?？勺鳛r青改性劑的聚合物一般分為熱塑性橡膠類、橡膠類、樹脂類。

3.2.1 熱塑性橡膠類

該類改性劑主要是苯乙烯類嵌段共聚物，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)。SBS是國內(nèi)外應(yīng)用最廣的一種瀝青改性材料，它對(duì)瀝青的高低溫性能[10]、彈性恢復(fù)性能及感溫性等指標(biāo)都有明顯改善。它作為一種熱塑性彈性體,兼具橡膠與塑料的特性，加熱熔融后易與瀝青共混，冷卻后可以恢復(fù)其彈性體特性，在使用溫度范圍內(nèi)，具有相當(dāng)高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性，因此被廣泛應(yīng)用于瀝青的改性。在低溫時(shí)，鑲嵌的高分子物質(zhì)吸收消耗了破壞應(yīng)力，高分子的變形性能提高了改性瀝青的低溫抗裂性能，是一種理想的低溫瀝青改性劑。

3.2.2 橡膠類

橡膠類改性劑對(duì)提高基質(zhì)瀝青的低溫抗裂性有明顯效果，這類化合物包括天然橡膠(NR)、丁苯橡膠(SBR)、聚氯丁二烯(CR)、丙烯腈-丁二烯高聚物(ABR)、聚丁二烯(BR)、聚苯乙烯-異戊二烯共聚物等。丁苯橡膠(SBR)是道路實(shí)際工程中使用較為普遍的橡膠類改性劑，能顯著提高瀝青的低溫變形能力，改善瀝青的感溫性和粘彈性[11,12]。SBR是丁二烯與苯乙烯單體無規(guī)則共聚的產(chǎn)物，分子量高，玻璃化溫度低。當(dāng)SBR分散到瀝青中后，在低溫下由于瀝青硬而橡膠相對(duì)較軟，在受到外力作用時(shí)，膠粒的變形拉伸起到一定程度的增韌作用，降低了整體材料的脆性，低溫性能得到改善。

3.2.3 樹脂類

樹脂類改性劑分成熱塑性樹脂和熱固性樹脂兩種，前者有乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯等；后者有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。研究表明，聚乙烯改性使瀝青在低溫下的韌性增加，同時(shí)防止微細(xì)裂紋的形成與發(fā)展，從而使低溫抗裂性能得到改善。

4 結(jié)語

1）通過對(duì)瀝青混合料低溫開裂機(jī)理和影響因素的總結(jié)，提出采用纖維增強(qiáng)和使用聚合物改性瀝青來提高瀝青混合料低溫抗裂性。

2）由于纖維的吸附作用、穩(wěn)定作用和加筋作用，在瀝青混合料中加入纖維材料，可以有效地改善混合料的低溫抗裂性。

3）采用聚合物改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性，能顯著改善瀝青的低溫力學(xué)性能，從而提高瀝青混合料的低溫抗裂性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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