RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料路用性能及改性機理分析

劉冉冉， 程形燕

(黃河水利職業(yè)技術學院 水利系， 河南 開封　475004)

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RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料路用性能及改性機理分析

劉冉冉， 程形燕

(黃河水利職業(yè)技術學院 水利系， 河南 開封475004)

[摘要]反應性彈性體三元共聚物(RET：Reactive Elastomeric Terpolymer)是一種全新的化學聚合物瀝青改性劑，經(jīng)RET改性后瀝青的布式粘度增加，高溫性能有著較為明顯的提高，溫度敏感性降低，抗老化能力提高，但其對瀝青混合料的低溫改善效果并不顯著或有負面影響，為改善RET改性瀝青混合料的低溫抗裂性，提出采用RET與聚酯纖維復配方案，并分別以基質(zhì)瀝青混合料和4.5% SBS的改性瀝青混合料為參照對象，深入研究了RET與聚酯纖維改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和疲勞性能，從而評價分析了RET摻量對復合改性瀝青混合料路用性能的改善效果，最終基于綜合路用性能試驗推薦了RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料最佳的復配方案。

[關鍵詞]路面工程； RET改性瀝青混合料； 聚酯纖維； 復合改性瀝青混合料； 路用性能

0前言

目前，對于最常用的聚合物改性瀝青，如熱塑性橡膠苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性劑因其可顯著地改善瀝青的高溫、低溫、疲勞以及耐老化等性能，而在全世界廣泛使用，聚合物改性瀝青的改性工藝、施工工藝以及質(zhì)量監(jiān)控也已經(jīng)十分成熟，在市場上的占有率也最高，據(jù)調(diào)查，歐洲大部分國家以及美國超過三十五個州均有使用[1-3]。工程實踐表明，聚合物改性瀝青雖有眾多優(yōu)點，但在實體工程中仍有不少問題，以SBS改性瀝青為例，首先是成本問題，SBS聚合物改性劑的價格較高，其摻量要達到一定的程度(一般不低于4%)才會有較好的改性效果；其次對于改性設備以及改性工藝要求較高，改性瀝青生產(chǎn)設備良莠不齊，極大地影響了聚合物改性瀝青的生產(chǎn)質(zhì)量；聚合物改性瀝青在高溫儲存過程中易發(fā)生離析，熱儲存穩(wěn)定性不好，這直接影響了聚合物改性劑對瀝青的改性效果；聚合物改性瀝青受人為因素影響也較大，尤其體現(xiàn)在現(xiàn)場施工方面。對于目前聚合物改性瀝青存在的種種問題，各國的研究人員都在尋求更好的改性劑，其不僅具有優(yōu)異的路用性能，同時也無需復雜的加工工藝和改性設備，質(zhì)量監(jiān)控易于實行，其中化學改性瀝青已經(jīng)引起了研究人員的注意[4-7]。反應性彈性體三元共聚物(RET：Reactive Elastomeric Terpolymer)是一種聚合物瀝青改性劑，RET屬于熱塑性塑料，但不同于普通的聚合物改性劑，它是通過溶解到熱瀝青中，在高溫條件下與瀝青中的部分活性官能團發(fā)生交聯(lián)反應或直接接枝于瀝青分子鏈上，使瀝青的化學組成和化學結構從根本上發(fā)生改變，從而可以提高瀝青的熱儲存穩(wěn)定性和抗老化能力，達到永久性改性瀝青的效果。RET在國外已有較多的應用，美國FM-1810公路、捷克布拉格，經(jīng)過多年使用仍然具有不錯的路面性能，國內(nèi)對于RET改性瀝青的研究和應用較少，本文針對RET改性瀝青低溫性能缺陷提出采用RET與聚酯纖維復配方案，并基于路用性能試驗研究了RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的路用性能，研究結果對RET在國內(nèi)的推廣和應用具有參考價值。

1RET與聚酯纖維復合改性瀝青制備

試驗選用的反應性彈性體三元共聚物RET(Reactive Elastomeric Terpolymer)是美國杜邦公司推出的一種聚合物瀝青改性劑，它是由乙烯主鏈與兩種共聚物單體聚合而成的化學性彈性體[8]，外觀表現(xiàn)為透明的粒狀晶體，密度為0.95 g/m3，熔指g/10 min，熔點為72 DSC，經(jīng)室內(nèi)初步試驗研究，初步確定其摻量為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%(占瀝青質(zhì)量的百分比)；瀝青選用SK70#A級道路石油瀝青，經(jīng)檢測瀝青各項指標均滿足規(guī)范要求。參考已有研究成果，室內(nèi)試驗選用試驗段采用的聚酯纖維改性劑，固定聚酯纖維摻量為3‰。

RET改性瀝青制備工藝如下[9-11]： a)確定所要制備的RET、聚酯纖維改性劑、基質(zhì)瀝青總量； b)加熱基質(zhì)瀝青到150 ℃左右； c)以5 g/min的速率將RET加入到基質(zhì)瀝青中，均勻攪拌30～45 min使RET全部溶解； d)待RET全部溶解后，將RET改性加熱瀝青至170 ℃～180 ℃，以3 000～4 000 r/min剪切速率剪切30 min； e)加入硫磺催化劑攪拌30 min； f)以15 g/min的速率加入聚酯纖維，機器攪拌15 min，待聚酯纖維分散均勻后即可制成復合改性瀝青。

2RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料配

合比設計

本文粗細集料均采用輝綠巖，根據(jù)10～15、5～10、3～5、0～3四檔集料篩分結果，結合現(xiàn)行施工技術規(guī)程推薦的工程級配范圍[12]，AC-13C混合料合成級配見表1。最佳瀝青用量試驗方法如同AC-13C型基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比的確定方法。通過對試件物理指標、力學指標的測定，得出馬歇爾試驗結果見表2。

表1 AC-13瀝青混合料的合成級配Table1 AC-13asphaltmixturesyntheticgrading級配通過下列尺寸(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075規(guī)范級配上限100100825643322518138下限100907044271810754合成級配100.094.975.248.334.426.117.412.09.55.7

表2 RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料馬歇爾試驗結果Table2 RETandpolyestercompositedmodifiedasphaltmixtureMarshalltestresults改性方案基質(zhì)瀝青1.0%RET+3‰聚酯纖維1.5%RET+3‰聚酯纖維2.0%RET+3‰聚酯纖維2.5%RET+3‰聚酯纖維2.5%聚酯纖維4.5%SBSOAC/%4.434.624.704.724.764.544.64VMA/%14.3614.7614.1314.2914.2214.5714.22VFA69.4372.4872.6773.2773.5175.5972.73VV/%4.04.04.024.04.03.954.02MS/kN8.4512.1212.5513.2213.6710.2413.14FL/mm3.212.752.602.392.572.872.34

由表2可以看出：不同的改性方式對混合料油石比的影響各不相同，與基質(zhì)瀝青混合料相比，RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的最佳油石比有所提高，且隨著RET摻量增大，最佳油石比提高的幅度更加明顯。

3RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料路

用性能

3.1高溫穩(wěn)定性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的要求，分別對不同RET摻量的復合改性瀝青、聚酯纖維、SBS改性瀝青混合料進行車轍試驗，以驗證各改性瀝青混合料的高溫性能[12]。按照要求成型300 mm×300 mm×50 mm的標準車轍板試件，在60 ℃±1 ℃的恒溫烘箱中保溫不少于5 h，但是不能超過24 h，車轍試驗的溫度為60 ℃，輪壓為0.7±0.05 MPa，行走速度為42±1次/min[12]，試驗時的行走方向要與成型車轍板時的碾壓方向一致，車轍試驗結果見表3所示。

表3 RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料車轍試驗結果Table3 RETandpolyestercompositemodifiedasphaltmixtureruttingtestresults試驗類別基質(zhì)瀝青1.0%RET+3‰聚酯纖維1.5%RET+3‰聚酯纖維2.0%RET+3‰聚酯纖維2.5%RET+3‰聚酯纖維3‰聚酯纖維4.5%SBSd60min/mm13.5472.2261.9521.7911.5993.2091.61423.7022.2341.9501.9321.7253.1941.73833.5171.8942.0041.9331.8883.3171.901平均3.5892.1181.9351.8851.7373.2401.751DS/(次·mm-1)115793781503157066330233460762235135454838525364962158654231663389952465602673519976481平均1864374150385520652021636366

由表3試驗結果可知： ①相同聚酯纖維摻量，隨著RET 摻量的增大，復合改性瀝青混合料的車轍深度減小幅度增大，動穩(wěn)定度增大幅度顯著提高，相比3%聚酯纖維改性方案，1.0%、1.5%、2.5%RET摻量可使聚酯纖維改性瀝青混合料的車轍試驗動穩(wěn)定度分別提高72%、133%、155%、201%，可見RET的摻加顯著提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，改善了瀝青路面的抗車轍性能，RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料車轍試驗動穩(wěn)定度均滿足特重交荷載動穩(wěn)定度大于3 000次/mm的要求。分析其原因，加入RET后瀝青的重均分子量、數(shù)均分子量和分散系數(shù)均有不同程度明顯的提高，分子鏈段產(chǎn)生相對位移或整個分子的運動較難，瀝青的膠體結構形態(tài)會發(fā)生改變，因此在微觀上抵抗剪切變形能力越強。 ②相比SBS改性瀝青混合料，1.5%RET+3.5%聚酯纖維的復合改性瀝青的動穩(wěn)定度略低于 4.5%SBS改性瀝青混合料，2.5%RET摻量下RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度甚至超過了4.5%SBS改性瀝青混合料。RET改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性機理主要是：RET改性劑與瀝青發(fā)生化學反應形成鏈狀結構，RET改性瀝青中的鏈狀結構相互連接，同時分布也比較均勻，相容性較好，形成立體的網(wǎng)狀結構，對于瀝青來說，相當于有加筋的作用，同時瀝青中的輕質(zhì)組分參與化學反應，整個結構穩(wěn)定性增強，從而可以改善瀝青的高溫穩(wěn)定性[13，14]。

3.2RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料低溫抗裂性

本研究采用三分點小梁彎曲試驗評價RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的低溫破壞應變、破壞強度和破壞勁度模量。根據(jù)JTG E20—2011中的要求成型車轍板，切割為30 mm×35 mm×250 mm的小梁試件，試驗前將試件放在恒溫環(huán)境箱中在-10 ℃下保溫6 h，試驗時采用單點加載方式，支點間距200 mm，加載速率為50 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應變，以破壞應變指標來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結果如表4所示。

試驗結果表明： ①隨著RET摻量增大，RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料抗拉強度和最大彎拉應變均呈先增大后減小的變化趨勢，2%RET摻量時彎拉應變達到最大值3 645.37 με； ②相比基質(zhì)瀝青混合料最大彎拉應變2 205.13 με，1.0%、1.5%、2.0%、2.5%RET摻量下RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料彎拉應變分別提高了53%、54.4%、65.3%、59.4%，RET與聚酯纖維復配后復合改性瀝青混合料最大彎拉應變滿足規(guī)范所有地區(qū)的低溫抗裂性要求。分析其原因，當聚酯纖維加入到瀝青混合料中后，經(jīng)攪拌均勻后在瀝青基體中相互搭接，形成一個連續(xù)的橋接加筋網(wǎng)，纖維在瀝青混合料中充分發(fā)揮了加筋功能，起到了很好傳力、消散力的作用，兩者之間的協(xié)調(diào)變形能力很強，使混合料中的集中應力分布擴散得更均勻[13-15]； ③與4.5%SBS改性瀝青混合料相比，2.5%RET摻量的改性瀝青混合料最大彎的抗彎拉強度和最大彎拉應變均遠小于SBS改性瀝青混合料，但2.0%RET+3‰聚酯纖維、2.5%RET+3‰聚酯纖維復配方案下復合改性瀝青混合料的最大彎拉應變可與4.5%SBS改性瀝青相媲美。

表4 RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料低溫彎曲試驗結果Table4 RETandpolyestermodifiedasphaltmixturecompositecryogenicbendingtestresults改性方案基質(zhì)瀝青1.0%RET+3‰聚酯纖維1.5%RET+3‰聚酯纖維2.0%RET+3‰聚酯纖維2.5%RET+3‰聚酯纖維2.5%RET4.5%SBS抗彎拉強度/MPa8.1510.6411.0711.7911.6410.6412.76最大彎拉應變/με2205.133375.083404.633645.373515.762415.343945.73彎曲勁度模量/MPa3695.923152.513251.453234.243310.814405.183233.88

3.3RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求用擊實法成型馬歇爾試件(正反50次/面)，隨機平均分成兩組，一組放置在25 ℃水浴中保溫2.5 h測其劈裂強度，另一組先在25 ℃水中0.09 MPa真空壓力下飽水15 min，常壓下浸泡30 min，之后放入-18 ℃±2 ℃的冰箱中冷凍16±1 h，放入60 ℃恒溫水浴中保溫24 h，最后放入25 ℃水浴中浸泡至少2 h后測其劈裂強度，以兩組試件劈裂強度平均值的比值TSR作為評價指標，試驗結果如表5所示。

表5 RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料凍融劈裂試驗結果Table5RETandpolyestermodifiedasphaltmixturecompositethawsplittingtestresults改性方案基質(zhì)瀝青1.0%RET+3‰聚酯纖維1.5%RET+3‰聚酯纖維2.0%RET+3‰聚酯纖維2.5%RET+3‰聚酯纖維2.5%RET4.5%SBSRT1/MPa0.971.151.221.271.371.281.34RT2/MPa0.8080.9961.0761.1321.241.1441.198TSR/%78.186.788.289.190.589.489.5

表5試驗結果表明：與基質(zhì)瀝青混合料相比，1%、1.5%、2%、2.5% RET摻量的復合改性瀝青混合料凍融后的劈裂強度比分別提高了1.28、1.33、1.40、1.47倍，可見隨著RET摻量的增大，RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性提高，RET與聚酯纖維復合改性方案能夠改善瀝青混合料的水敏感性；2.0%RET+3‰聚酯纖維改性方案下復合改性瀝青混合料的凍融前后劈裂強度、TSR均可與4.5%SBS改性瀝青混合料相媲美，此外，RET摻量達到2.5%后，復合改性瀝青混合料的凍融劈裂強度和TSR遠大于SBS改性瀝青混合料。

3.4RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料耐久性

RET改性瀝青及其混合料在我國的發(fā)展處于起步階段，其路用性能耐久性仍然未得到驗證，導致在使用時難免存有疑慮，本文采用三點加載小梁疲勞試驗評價RET改性瀝青混合料的抗疲勞耐久性，并將其與基質(zhì)瀝青、聚酯纖維改性瀝青、4.5%SBS改性瀝青混合料進行了對比。小梁疲勞試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中規(guī)定輪碾法成型并切制成4 cm×4 cm×25 cm試件，疲勞試驗條件如下：

加載波形和頻率：10 Hz連續(xù)式正弦波，不插入間歇時間；

加載方式：中點加載，有效間距20 cm，應力控制方式；

試驗環(huán)境：15 ℃保溫箱；

應力水平：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5共5個應力比；

圖1　RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料疲勞試驗雙　　　對數(shù)擬合結果Figure 1　RET and polyester modified asphalt mixture composite 　　　double logarithmic fitting fatigue test results

從圖1擬合結果可以看出：混合料的疲勞試驗參數(shù)K值從高到低依次為2.5%RET+3‰聚酯纖維、4.5%SBS、2.0%RET+3‰聚酯纖維、1.5%RET+3‰聚酯纖維、1.0%RET+3‰聚酯纖維、聚酯纖維 改性瀝青、基質(zhì)瀝青混合料，n值與K值的變化規(guī)律相反。K值越大，疲勞曲線的線位越高，表明混合料的疲勞壽命越大，由此可知：RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的疲勞壽命遠大于聚酯纖維改性瀝青混合料以及基質(zhì)瀝青混合料。在四種復合改性瀝青混合料中，隨著RET改性劑摻量的增大，疲勞試驗雙對數(shù)擬合曲線K值增大，n值減小，2.5%RET+3‰聚酯纖維改性方案下的復合改性瀝青混合料疲勞壽命甚至要高于SBS，可見RET與聚酯纖維復合改性方案可顯著提高瀝青混合料的抗疲勞性能。分析RET與聚酯纖維復合改性瀝青的改性機理，RET與瀝青分子中的活性位(羥基、亞胺基、巰基)發(fā)生反應，使得瀝青質(zhì)團簇被打破，瀝青質(zhì)在瀝青軟組分中的分散度得到增強，分散的瀝青質(zhì)之間可以形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡，從而使瀝青的復合模量提高，其彈性行為也得到改善，疲勞壽命提高[16]。此外，RET改性瀝青瀝青混合料中加入纖維后，纖維均勻分布，在集料與瀝青間產(chǎn)生許多細小的加筋網(wǎng)。加筋網(wǎng)是一種網(wǎng)孔結構，對網(wǎng)孔范圍內(nèi)的瀝青混合料可以起到一種“箍鎖”作用，克服瀝青混合料中顆粒間的錯位與移動。并且當因荷載作用而出現(xiàn)裂紋延伸至加筋網(wǎng)時，加筋網(wǎng)則變成一種隔離層，把受損區(qū)域進行隔離，使裂紋的變形受到約束，阻礙了裂紋的繼續(xù)發(fā)展；此外因纖維自身具備較好的柔韌性，加筋網(wǎng)可以承受來自橫向與縱向的推擠力和拉力，外力荷載作用時，加筋網(wǎng)的“箍鎖”和隔離功能可以大幅減小應力集中，阻止反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，減小瀝青路面的表面彎沉，增強瀝青路面的高溫抗車轍性能，并同時增加瀝青路面的整體性和剛度。

4結論

① RET與聚酯纖維復合改性方案能夠顯著改善基質(zhì)瀝青、聚酯纖維改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，且隨著RET摻量增加，復合改性瀝青混合料車轍試驗60 min總變形量減小，車轍試驗動穩(wěn)定度增大，相比SBS改性瀝青混合料，1.5%RET+3‰聚酯纖維、2.0%RET+3‰聚酯纖維復合改性方案下的復合改性瀝青混合料動穩(wěn)定度可與4.5%SBS改性瀝青混合料相媲美，2.5%RET摻量下RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度甚至超過了4.5%SBS改性瀝青混合料。

② 隨著RET摻量增大，RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料低溫性能改善效果并不明顯，復合改性瀝青混合料的低溫性能主要取決于聚酯纖維，從低溫抗裂性角度出發(fā)，復合改性瀝青適宜的RET摻量為1.5%-2.0%。

③ 隨著RET摻量增大，RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料凍融前后劈裂強度和TSR均明顯提高，RET摻量達到2.5%后，復合改性瀝青混合料的凍融劈裂強度和TSR遠大于SBS改性瀝青混合料。

④ RET與聚酯纖維復合改性劑可顯著改善瀝青混合料的抗疲勞性能，且隨著RET摻量增大，雙對數(shù)疲勞曲線擬合斜率減小，截距增大，2.5%RET摻量下RET與聚酯纖維復合改性瀝青混合料的抗疲勞性能可可超過4.5%SBS改性瀝青混合料。

⑤ 考慮到RET摻量對復合改性瀝青混合料綜合路用性能的影響，RET與聚酯纖維復合改性方案可取代或部分取代SBS改性瀝青，推薦適宜的復配方案為2.0%RET+3‰聚酯纖維。

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Study on the Road Performance and Modification Mechanism of RET and Polyester Composite Modified Asphalt Mixture

LIU Ranran， CHENG Xingyan

(Yellow River Conservancy Technical College of Water Resources Department， Kaifeng， Henan 475004， China)

[Abstract]RET(Reactive Elastomeric Terpolymer)is a new chemical polymer asphalt modifier，after RET modified asphalt distributed increase viscosity，high temperature performance has a more significant increase，lower temperature sensitivity，aging capacity increased.however its low temperature cracking resistance of asphalt mixture the improvement is not obvious，this article proposes the use of RET and polyester complex methods，respectively，modified bituminous asphalt and 4.5% SBS mixes as a reference object，in-depth study of the RET and polyester composite modified asphalt mixture high temperature stability，low temperature cracking resistance，water stability and fatigue performance analysis to evaluate the content of RET composite modified asphalt pavement performance improvement effect，and ultimately based on to recommend an integrated way with polyester RET complex change with performance test asphalt mixture best complex solutions.

[Key words]road engineering； RET modified asphalt mixture； polyester； composite modified asphalt； road performance

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0245—06

[作者簡介]劉冉冉(1983—)，女，河南鄭州人，碩士研究生，研究領域：安全工程技術。

[收稿日期]2015—01—23