摻外加劑瀝青混合料路用性能及黏彈性試驗分析＊

馬 峰，傅 珍，牛 帥，郭怡菲，張 超

（1．長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安710064；2．長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710064）

瀝青材料自身的溫度敏感性容易引起瀝青混合料的回彈模量發(fā)生變化．高溫時，瀝青混合料的回彈模量迅速降低，在荷載作用下產(chǎn)生過量的變形而導(dǎo)致車轍病害；低溫時，回彈模量又迅速提高，不利于溫縮應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生低溫開裂，瀝青路面的路用性能受到影響．針對這一問題，國內(nèi)外提出了許多改善措施，研發(fā)了多種改性劑及改性瀝青，從瀝青混合料本身的力學(xué)性質(zhì)方面出發(fā)提高其路用性能．如在瀝青及混合料中加入高分子材料能改善瀝青的高、低溫性能［1-2］．文獻［3］以聚乙烯（Poly Ethylene，PE）和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styreneic Block Copolymers，SBS）為改性劑測試了瀝青混合料的路用性能；文獻［4］選取2種高模量添加劑分別形成高模量瀝青混合料與普通瀝青混合料進行路用性能的對比試驗研究；文獻［5-6］分析了抗車轍劑對瀝青混合料高溫與低溫性能的影響；文獻［7-8］研究了纖維對瀝青混合料性能的改善作用及機理；文獻［9-10］研究了納米SiO2等改性瀝青混合料的路用性能，并與基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料進行了對比．以上方法中使用較多的是摻入外加劑提高瀝青混合料的高溫模量或低溫柔性，但存在改性效果比較單一問題，且外加劑與混合料模量之間的相關(guān)關(guān)系也尚未有系統(tǒng)的研究．此外，對于瀝青混合料來說，黏彈性是其基本的力學(xué)性質(zhì)，在對瀝青混合料的各種性能進行改性的同時也會對其黏彈性產(chǎn)生一定的影響．文獻［11-13］研究了瀝青混合料在變形的黏彈塑性本構(gòu)模型及在高溫、載重作用下的黏彈特性．為此，文中選取3種外加劑配制5種瀝青混合料，對其進行路用性能試驗，分析不同外加劑對路用性能的改性效果與其對模量改善方面的相關(guān)性．對幾種瀝青混合料進行了蠕變試驗，從黏彈性的角度評價外加劑對混合料回彈模量及勁度模量的改善效果，為瀝青混合料選擇，瀝青路用性能改善提供參考．

1 試驗材料及方法

1．1 試驗材料

1）瀝青與集料

試驗采用SK-70＃瀝青，其技術(shù)性能指標見表1．粗、細集料均采用石灰?guī)r，礦粉為磨細的石灰?guī)r，各指標滿足技術(shù)規(guī)范要求．

表1 SK-70＃瀝青技術(shù)性能指標Tab．1 Properties of asphalt SK-70＃

2）外加劑

試驗采用某抗車轍劑（簡寫K）、新型橡維聯(lián)和添加劑PR．M三種不同的外加劑．抗車轍劑由高聚物材料、木質(zhì)素纖維及化學(xué)助劑等物質(zhì)復(fù)合而成，外觀為黑色固體顆粒，粒徑約為3mm，在常溫下性質(zhì)穩(wěn)定．新型橡維聯(lián)由橡膠粉與維他連接劑（Trans-Polyocteenamer Rubber Reactive Modifier，TOR）聚合而成，呈直徑5mm左右黑色柔軟顆粒．添加劑PR．M是法國研發(fā)的高模量添加劑，其主要成分是改性的PE材料，屬于熱塑性樹脂類，在常溫下物理性質(zhì)穩(wěn)定，外觀為灰色扁平狀固體顆粒．三者物理性質(zhì)指標見表2．

表2 外加劑物理性質(zhì)Tab．2 Physical property index of three admixture

3）制 備

抗車轍劑在使用時采用干拌法拌和，將其投入到拌和鍋內(nèi)與礦料拌和90s，拌和溫度不低于180℃，然后分別加入瀝青與熱礦粉，并分別拌和90s，要求在出料時無花白料或離析現(xiàn)象．添加0．3%～0．6%含量時對基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比無明顯影響．橡維聯(lián)使用方法同抗車轍劑，拌和溫度不小于180℃．PR．M添加劑試驗時礦料加熱溫度為175～180℃，拌和溫度為170～175℃，拌和方法同抗車轍劑．PR．M參考用量為瀝青混合料質(zhì)量的0．3%～0．5%，每添加0．2%～0．3%的PR．M，最佳油石比較基質(zhì)瀝青混合料增加1%．

由于添加抗車轍劑或PR．M對于瀝青混合料的級配無明顯影響，在礦料級配設(shè)計時不必考慮其二者級配組成，試驗選用AC-13型礦料級配．對于添加新型橡維聯(lián)的瀝青混合料，在干拌法拌和后，僅有部分橡維聯(lián)融入瀝青，剩余部分仍留在礦料中充當填料，影響到原混合料的礦料級配，故原礦料級配需調(diào)整，以使新型橡維聯(lián)在混合料中發(fā)揮到最佳效果．文獻［14］選用AC-13C型級配．通過馬歇爾試驗方法，確定摻加三種外加劑的最佳油石比分別為4．5%、4．7%和4．3%．

1．2 試驗方法

對制備的5種外加劑混合料進行路用性能試驗．5種外加劑混合料：基質(zhì)AC-13混合料，用Ⅰ表示；AC-13＋0．5%抗車轍劑，用Ⅱ表示；AC-13＋0．4%PR．M，用Ⅲ表示；AC-13C＋1．5%橡維聯(lián)，用Ⅳ表示；AC-13C＋0．5%抗車轍劑＋1．5%橡維聯(lián)，用Ⅴ表示．試驗方法為

1）車轍試驗

采用車轍試驗評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能．本文車轍試驗溫度為60℃，車轍板厚度為50 mm，在規(guī)范的試驗條件下對5種瀝青混合料分別進行車轍試驗，并計算動穩(wěn)定度．

2）低溫彎曲試驗

采用MTS萬能試驗機評價瀝青混合料低溫性能，計算試件的抗彎拉強度RB、彎拉應(yīng)變εB以及彎曲勁度模量SB．試驗前先將小梁試件在-10℃的環(huán)境箱中保溫3小時以上，且試驗也在-10℃環(huán)境箱中進行，以減少環(huán)境溫度偏差對試驗結(jié)果的影響．

3）浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗

瀝青路面在經(jīng)受反復(fù)的車輛荷載時，混合料內(nèi)部空隙中的水也會在壓力作用下反復(fù)抽吸，導(dǎo)致瀝青與集料的粘結(jié)力降低，另外，侵入到瀝青膜與集料之間的水分也會阻斷二者的相互粘結(jié)，造成瀝青路面的松散、剝落，形成坑槽．本文采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價混合料的水穩(wěn)定性．

4）單軸靜載蠕變試驗

選用單軸靜載蠕變試驗方法測試瀝青混合料的黏彈性．試驗用試件為標準馬歇爾試件，雙面各擊實75次，試驗溫度選取20℃、40℃及60℃，應(yīng)力水平0．2MPa，試驗儀器為CMT5105型萬能試驗機．試驗前將試件在設(shè)定溫度的高低溫箱中保溫4h以上，確保試件內(nèi)部也達到試驗溫度．試驗開始前先用5%的蠕變荷載對試件進行預(yù)壓，預(yù)壓試件30s，然后施加蠕變荷載并保載60min后卸載，系統(tǒng)測定加載的60min以及卸載后15min內(nèi)試件的變形數(shù)據(jù)．

5）抗壓回彈模量試驗

采用CMT5105微機控制萬能試驗機通過單軸壓縮試驗方法，試驗機準確度等級達到0．5級，最大承載為100kN．采用系統(tǒng)自帶的高低溫箱進行保溫，控溫范圍為-40～160℃，控溫準確到0．5℃．

2 結(jié)果及分析

對5種瀝青混合料進行路用性能試驗，分析不同外加劑對瀝青混合料模量的改善效果與其高溫、低溫性能的相關(guān)性．

2．1 動穩(wěn)定度分析

瀝青混合料的車轍試驗數(shù)據(jù)如圖1所示．

圖1 5種瀝青混合料的動穩(wěn)定度Fig．1 Dynamic stability of 5types of asphalt mixtures

從圖1看出，試驗采用的3種外加劑對瀝青混合料的動穩(wěn)定度均有不同程度的提高，其中添加抗車轍劑與PR．M的三種混合料提高幅度較大，添加抗車轍劑的Ⅱ號混合料的動穩(wěn)定度在幾種混合料中最高，達到基質(zhì)瀝青混合料的8．42倍，單獨添加橡維聯(lián)的混合料動穩(wěn)定度提高幅度在幾種混合料中最?。邷嘏c常溫環(huán)境時抗車轍劑與PR．M對混合料的抗壓回彈模量提高效果最好［14］．因此，幾種外加劑對瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響與其高溫時抗壓回彈模量提高效果基本一致，說明提高瀝青混合料的回彈模量對于改善動穩(wěn)定度有很好的相關(guān)性．

2．2 低溫抗裂性分析

在-10℃的低溫環(huán)境下，瀝青處于硬脆性狀態(tài)，瀝青混合料的彈性效應(yīng)明顯提高，此時混合料的抗壓回彈模量較高，不利于路面溫縮應(yīng)力的釋放．在瀝青混合料中添加了高模量劑后，混合料的抗壓回彈模量提高，有利于高溫下抵抗車轍變形，但同時也提高了其低溫模量，這就造成了在解決高溫車轍問題的時候忽略或降低了低溫抗裂性能的矛盾現(xiàn)象，而能否解決這一矛盾對于該類外加劑如抗車轍劑或PR．M的應(yīng)用是一個關(guān)鍵問題．

對5種瀝青混合料分別進行低溫彎曲試驗，彎曲勁度模量及彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D2～3所示．

圖2 彎曲勁度模量Fig．2 Bending stiffness modulus

圖3 彎拉應(yīng)變Fig．3 Flexural tensile strain

從圖2可以看出，摻加外加劑瀝青混合料的低溫勁度模量低于基質(zhì)瀝青混合料，這種結(jié)果與常溫和高溫時外加劑混合料抗壓回彈模量明顯高于基質(zhì)瀝青混合料的狀況相反，說明添加外加劑能夠很好的兼顧瀝青混合料的高低溫性能要求，是一種能夠?qū)r青混合料高低溫性均產(chǎn)生積極影響的技術(shù)措施．

從圖2～3可看出，摻有外加劑瀝青混合料的彎拉應(yīng)變均比基質(zhì)瀝青混合料有所提高，其中添加有橡維聯(lián)材料的Ⅳ、Ⅴ號混合料的提高幅度最大，展示了橡維聯(lián)材料優(yōu)良的低溫柔韌性．同時雙摻外加劑的Ⅴ號瀝青混合料的彎拉應(yīng)變水平最高，結(jié)合前述車轍試驗結(jié)果認為，這種雙摻外加劑瀝青混合料能夠同時保證高低溫性能要求，表現(xiàn)出該混合料的優(yōu)勢．

2．3 水穩(wěn)定性分析

對文中5種瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，其結(jié)果如圖4所示．

圖4 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度Fig．4 Residual stability of 5types of asphalt mixtures

從圖4可看出，幾種外加劑對瀝青混合料的水穩(wěn)定性均有不同程度的改善，其中效果最好的是PR．M，其殘留穩(wěn)定度達到了93．8%，比基質(zhì)瀝青混合料提高了7．6%，主要原因是部分溶于瀝青的PR．M提高了瀝青的黏性以及瀝青與集料之間的粘附性，有利于瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善．其余3種混合料的提高幅度在2．3%～5．0%之間．

抗車轍劑與PR．M在提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的同時，對水穩(wěn)定性還有一定程度的改善，這一點對于抗車轍劑與PR．M材料在我國南方炎熱多雨地區(qū)的應(yīng)用有積極作用．橡維聯(lián)混合料的水穩(wěn)定性改善效果雖然比不上PR．M，但其殘留穩(wěn)定度仍處于一個較高的水平，尤其是對于同時添加抗車轍劑與橡維聯(lián)的Ⅴ號瀝青混合料，在兼顧高溫、低溫性能的同時，還能明顯改善水穩(wěn)定性．

相比于浸水馬歇爾試驗，凍融劈裂試驗的試驗條件更加苛刻，首先在真空條件下使水分進入瀝青混合料的空隙中，然后在-18℃的環(huán)境下冷凍使空隙中的水分結(jié)冰體積膨脹，從而使瀝青膜受壓，之后在60℃水浴中冰融化造成的體積變化又會對瀝青膜產(chǎn)生壓力，這個凍融循環(huán)能顯示出瀝青路面在惡劣凍融環(huán)境中的水穩(wěn)定性．瀝青混合料的劈裂強度數(shù)據(jù)如圖5所示．

圖5 瀝青混合料殘留強度比Fig．5 Residual strength ratio of 5types of asphalt mixtures

從圖5可以看出，幾種混合料的殘留強度比均滿足規(guī)范要求，其中對水穩(wěn)定性改善效果最好的是摻有抗車轍劑與PR．M的三種瀝青混合料，殘留強度比比基質(zhì)瀝青混合料提高了9%以上，優(yōu)于橡維聯(lián)混合料，超過規(guī)范對于改性瀝青混合料的殘留強度比要求．

2．4 黏彈性

采用單軸靜載蠕變試驗測試瀝青混合料的黏彈性．在本文的0．2MPa應(yīng)力水平下，預(yù)壓應(yīng)力為5%的加載應(yīng)力，即為0．01MPa，預(yù)壓應(yīng)力較小且持續(xù)時間較短，從而使試件在試驗開始時的初始永久變形較小，后期的蠕變變形較大，蠕變勁度模量偏小．瀝青混合料在20℃、40℃和60℃下的蠕變曲線如圖6（a）～（c）所示．

圖6 20℃、40℃和60℃下5種瀝青混合料的蠕變曲線Fig．6 Creep curve of 5types of asphalt mixtures at 20 ℃，40 ℃ and 60 ℃

由圖6（a）～（c）可見，幾種混合料在不同溫度下的蠕變規(guī)律基本相同．在加載的瞬間，試件會產(chǎn)生較大的變形；隨后在恒載的持續(xù)作用下，變形曲線逐漸緩和并趨于穩(wěn)定，此時的變形包括彈性變形和粘塑性變形兩部分；在卸載的瞬間，彈性變形隨即恢復(fù)，黏彈性變形在卸載后的15min內(nèi)逐漸恢復(fù)，殘留的永久變形即為粘塑性變形．隨著時間的增長，蠕變曲線在加載階段的斜率是逐漸變小的，表明混合料結(jié)構(gòu)變形在持續(xù)荷載作用下漸漸趨于穩(wěn)定，對變形的抗力逐漸增大．在同一應(yīng)力水平下，試驗溫度越高，瀝青混合料的蠕變變形越大，蠕變勁度模量越小，但在恒應(yīng)力階段的蠕變變形增量是減小的，以基質(zhì)瀝青混合料為例，從應(yīng)變穩(wěn)定開始到卸載的瞬間，試件在20℃、40℃和60℃時的蠕變變形增量分別是0．553mm、0．284mm和0．072 mm，這與瀝青混合料在不同溫度下的黏彈性有關(guān)．在20℃時，瀝青混合料的彈性效應(yīng)比較明顯，在加載時其變形的增大幅度也體現(xiàn)出明顯的彈性抵抗作用，變形增量較大；在60℃時的蠕變變形增量則非常有限，近乎于水平線，說明混合料的彈性效應(yīng)明顯減弱，性質(zhì)偏向于粘性，主要由礦料骨架的嵌擠力承擔(dān)荷載，在加載后的很短時間內(nèi)礦料顆粒發(fā)生位移并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后試件的變形增量很微?。?/p>

對比圖6中幾種瀝青混合料的蠕變變形量，在20℃時變形最小的為PR．M混合料，其次為抗車轍劑混合料，在40℃和60℃時抗車轍劑混合料小于PR．M混合料，這與文獻［15］中動、靜態(tài)模量的試驗結(jié)果是一致的．在20℃時PR．M對瀝青混合料模量的改善效果在幾種外加劑中最佳，但在40℃與60℃時則是抗車轍劑的改善效果更佳，體現(xiàn)在本試驗中則是蠕變變形的大小關(guān)系，回彈模量越高，蠕變變形越?。?/p>

3 結(jié) 論

1）瀝青混合料的路用性能試驗表明，高溫抗壓回彈模量最高的抗車轍劑混合料及PR．M混合料的動穩(wěn)定度優(yōu)于其他混合料；在低溫時抗壓回彈模量降低的橡維聯(lián)混合料的低溫抗裂性能優(yōu)于其他混合料；瀝青混合料的路用性能與抗壓回彈模量關(guān)系密切．添加抗車轍劑與橡維聯(lián)的瀝青混合料可有效兼顧高、低溫性能與水穩(wěn)性能．

2）瀝青混合料在不同溫度下的蠕變規(guī)律基本相同，在加載瞬間試件會產(chǎn)生較大的變形，隨后在恒載的持續(xù)作用下，變形曲線逐漸緩和并趨于穩(wěn)定，蠕變變形隨時間延長而逐漸增大，直至趨于穩(wěn)定，混合料抵抗變形能力相應(yīng)逐漸增大．

3）在相同的應(yīng)力水平下，試驗溫度越高，瀝青混合料的蠕變變形越大，勁度模量越小，而在單位時間內(nèi)的蠕變變形增量則越來越小，瀝青混合料的黏彈性隨溫度升高變化較大，常溫時彈性效應(yīng)較高溫時明顯，高溫時粘性效應(yīng)較常溫時明顯．

［1］ AIREY G D．Rheological Evaluation of Ethylene Vinyl Acetate Polymer Modified Bitumen［J］．Construction and Building Materials，2002，16（8）：473．

［2］ AITKADI A，BRAHIMI B，BOUSMINA M．Polymer Blends for Enhanced Asphalt Binders［J］．Polymer Engineering and Science，1996，36：1724．

［3］ 楊朋，張肖寧．PE和SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能 ［J］．中 南 大 學(xué) 學(xué) 報：自 然 科 學(xué) 版，2012，43（10）：4044．YANG Peng，ZHANG Xiao-ning．Pavement Performance of High Modulus Asphalt Mixtures Modified by PE and SBS［J］．Journal of Central South University：Science and Technology，2012，43（10）：4044．（in Chinese）

［4］ 施曉強，陳先華，楊軍，等．高模量瀝青混合料的路用性能評價［J］．公路工程，2014，39（6）：175．SHI Xiao-qiang，CHEN Xian-hua，YANG Jun，et al．The Performance Evaluation of High Modulus Asphalt Mixtures［J］．Highway Engineering，2014，39（6）：175．（in Chinese）

［5］ 李萍，孫國偉，王偉，等．抗車轍劑和SBS對熱拌瀝青混合料高溫與低溫性能的影響［J］．蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2014，40（6）：131．LI Ping，SUN Guo-wei，WANG Wei，et al．Influence of Anti-Rutting Agent and Styrence Butadienne Styrene on High Temperature and Low Temperature Performances of Hot-Mixed Asphalt Mixture［J］．Journal of Lanzhou University of Technology，2014，40（6）：131．（in Chinese）

［6］ 馬峰，傅珍，宋帥．低溫成型抗車轍功能瀝青混合料路用性能研究［J］．功能材料，2014，45（20）：20007．MA Feng，F(xiàn)U Zhen，SONG Shuai．Performance of Rut Resistance Asphalt Mixture Compacted in Low Temperature［J］．Journal of Functional Materials，2014，45（20）：20007．（in Chinese）

［7］ 韋佑坡，張爭奇，司偉，等．玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用機理［J］．長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，32（2）：39．WEI You-po，ZHANG Zheng-qi，SI Wei，et al．Mechanism of Asphalt Mixture by Basalt Fiber［J］．Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2012，32（2）：39．（in Chinese）

［8］ 張文剛，紀小平，宿秀麗，等．路用礦物纖維瀝青混合料性能及增強機理研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2012，34（8）：50．ZHANG Wen-gang，JI Xiao-ping，SU Xiu-li，et al．Study on Improvement Mechanism and Performance of Asphalt Mixture Adding with Mineral Fiber Used in Pavement［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2012，34（8）：50．（in Chinese）

［9］ 孫璐，辛憲濤，任皎龍．納米改性瀝青混合料路用性能［J］．東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，43（4）：873．SUN Lu，XIN Xian-tao，REN Jiao-long．Pavement Performance of Nanomaterial Modified Asphalt Mixture［J］．Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2013，43（4）：873．（in Chinese）

［10］ 馬峰，張超，傅珍．納米碳酸鈣改性瀝青的路用性能及機理研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2007，31（1）：88．MA Feng，ZHANG Chao，F(xiàn)U Zhen．Performance ＆Modification Mechanism of Nano-CaCO3Modified Asphalt［J］．Journal of Wuhan University of Technology：Transportation Science＆ Engineering，2007，31（1）：88．（in Chinese）

［11］ MASAD E，TASHMAN L，LITTLE D，et al．Viscoplastic Modeling of Asphalt Mixes with the Effects of Anisotropy，Damage and Aggregate Characteristics［J］．Mechanics of Materials，2005，37（12）：1242．

［12］ 朱浩然，孫璐，朱耀庭．基于熱力學(xué)的瀝青混合料粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)模型［J］．中國公路學(xué)報，2013，26（3）：57．ZHU Hao-ran，SUN Lu，ZHU Yao-ting．Viscoelastic and Viscoplastic Damage Constitutive Model Based on Thermodynamics for Asphalt Mixtures［J］．China Journal of Highway and Transport ，2013，26（3）：57．（in Chinese）

［13］ 張麗娟，張肖寧，陳頁開．瀝青混合料變形的粘彈塑性本構(gòu)模型研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2011，35（2）：289．ZHANG Li-juan，ZHANG Xiao-ning，CHEN Yekai．Visco-Elastoplastic Constitutive Model of Deformation for Asphalt Mixture［J］．Journal of Wuhan University of Technology：Transportation Science ＆Engineering，2011，35（2）：289．（in Chinese）

［14］ 王學(xué)展．新型橡膠粉材料（橡維聯(lián)）在瀝青混合料中的應(yīng)用［D］．西安：長安大學(xué)，2012．WANG Xue-zhan．Application of New Type of Rubber Powder Material（Rubber Union）in Asphalt Mixture［D］．Xi’an：Chang’an University，2012．（in Chinese）

［15］ 牛帥．基于外加劑技術(shù)的瀝青混合料動、靜態(tài)模量［D］．西安：長安大學(xué)，2014．NIU Shuai．Asphalt Mixture and the Static Modulus Based on Admixture Technology ［D］．Xi’an：Chang’an University，2014．（in Chinese）