交聯(lián)聚乙烯改性瀝青混合料高溫性能研究*

卜宇翔 葉群山

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114 )

我國(guó)南方大部分地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨；加之高速公路上的車輛重載、超載現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，瀝青路面會(huì)受到高溫、雨水及車輛荷載等多種因素的耦合作用，一方面使瀝青路面“軟化”現(xiàn)象嚴(yán)重，抗車轍性能不足，其塑性變形會(huì)在車輛荷載作用下逐漸累積，瀝青路面平整度降低[1]；另一方面，雨水會(huì)在高溫環(huán)境中迅速汽化，極易進(jìn)入瀝青與集料的粘附表面，致使瀝青膜脫落，最終表現(xiàn)為路面病害，嚴(yán)重?fù)p害了瀝青路面的路用性能和使用壽命[2]。

為提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，主要有兩種途徑，一是優(yōu)化瀝青混合料級(jí)配，通過(guò)改變混合料級(jí)配的空隙率，促使瀝青混合料路用性能得以改善[3]；二是改善瀝青路面材料，通過(guò)采用各種新型的改性劑與添加劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，從而增強(qiáng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[4-5]。聚乙烯(PE)常用為道路瀝青的改性劑，由于聚乙烯大分子鏈能夠吸附瀝青中的輕質(zhì)油分，有效阻滯瀝青分子的流動(dòng)，對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性有較大的提升，但與瀝青的相容性較差，其優(yōu)良的性質(zhì)不能傳遞給瀝青，改性效果不佳。

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)是通過(guò)物理或化學(xué)方法將線性的聚乙烯分子通過(guò)共價(jià)鍵交聯(lián)成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一種改性聚乙烯[6-9]。與傳統(tǒng)的聚乙烯相比，具有良好的耐熱性能、高強(qiáng)度機(jī)械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。因此，交聯(lián)聚乙烯用作瀝青改性劑，不但將其優(yōu)越的高溫性能傳遞給瀝青，而且以改性劑為核心的膠團(tuán)能夠均勻穩(wěn)定存在，顯著改善了瀝青的流變性能和力學(xué)性能，其改性瀝青混合料路用性能也隨之增強(qiáng)，從而減少瀝青路面病害的發(fā)生。

1 瀝青混合料材料組成

1.1 瀝青

本研究中XLPE改性瀝青自行制備，其改性劑為埃及石化(54503)XLPE料，XLPE 的摻量為3%，5%，7%，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，得出不同摻量的XLPE改性瀝青的性能。其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 不同摻量XLPE改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

為更好研究交聯(lián)聚乙烯改性瀝青的高溫穩(wěn)定性，選取了3個(gè)對(duì)比組：70號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和5%PE改性瀝青。其主要技術(shù)性能見表2。

表2 對(duì)比組瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2 集料

試驗(yàn)選取質(zhì)地優(yōu)良的粗集料、細(xì)集料和填料，其主要技術(shù)特性符合規(guī)范要求，并通過(guò)篩分試驗(yàn)，獲得合理的AC-13級(jí)配。級(jí)配組成見表3。

表3 AC-13級(jí)配組成

2 瀝青混合料試驗(yàn)

2.1 馬歇爾試驗(yàn)

為確定瀝青混合料的最佳油石比，對(duì)6組瀝青混合料進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定試件的毛體積相對(duì)密度、流值、穩(wěn)定度等相關(guān)指標(biāo)，得到基質(zhì)、5%PE、SBS、3%XLPE、5%XLPE和7%XLPE改性瀝青混合料的最佳油石比分別為5.2%，5.3%，5.3%，5.3%，5.2%，5.3%。

2.2 單軸重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)

實(shí)驗(yàn)采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，試件尺寸為直徑×壁厚=100 mm×100 mm；試驗(yàn)溫度設(shè)置3個(gè)水平，分別為40，50，60 ℃；加載應(yīng)力取標(biāo)準(zhǔn)軸載，即0.7 MPa；加載波形采用半正弦波，加載時(shí)間0.1 s，間歇時(shí)間0.9 s，以1 s為一個(gè)加載循環(huán)，加載5 000次循環(huán)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單軸重復(fù)蠕變曲線分析

通過(guò)單軸重復(fù)試驗(yàn)得到各組瀝青混合料在不同溫度下蠕變曲線，如圖1所示。

圖1 各瀝青混合料不同溫度單軸重復(fù)蠕變曲線

由圖1可見，在不同溫度下各組瀝青混合料單軸重復(fù)蠕變曲線變化趨勢(shì)基本相同，均經(jīng)歷了遷移期、穩(wěn)定期、破壞期3個(gè)階段。其中隨著荷載作用次數(shù)的增加，基質(zhì)瀝青混合料試件變形量及變形速率均最大，而其他5種瀝青混合料的變形相對(duì)較小，這表明改性劑的摻入改善了瀝青混合料的高溫性能，改性劑吸收瀝青中輕質(zhì)組分并形成了穩(wěn)定的膠團(tuán)，有效地阻止了瀝青分子的高溫流動(dòng)，同時(shí)也增強(qiáng)了瀝青中彈性成分，使其在高溫條件下變形恢復(fù)能力增強(qiáng)，永久變形的累積速率變緩。

在5組改性瀝青混合料中，SBS改性瀝青混合料變形量最小，這是因?yàn)镾BS與瀝青形成了空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)之間存在強(qiáng)烈吸附作用，有效限制了瀝青質(zhì)點(diǎn)的位移及其膠體流動(dòng)能力，使瀝青的的內(nèi)聚力和柔韌性得到提升。對(duì)于3組不同摻量的XLPE瀝青混合料而言， XLPE的摻量是影響瀝青混合料高溫性能的關(guān)鍵，隨著XLPE摻量的增加，呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的總體趨勢(shì)，當(dāng)XLPE摻量為5%時(shí)，XLPE改性劑分子長(zhǎng)鏈全部得以舒展，吸收了瀝青芳香烴等輕質(zhì)組分，形成了穩(wěn)定三維空間結(jié)構(gòu)，將XLPE優(yōu)越的高溫性能傳遞給瀝青，改善了瀝青的流變性能和力學(xué)性能，故由此制備的瀝青混合料具有較好的高溫性能。

3.2 蠕變勁度模量分析

不同溫度下各瀝青混合料遷移期和穩(wěn)定期的蠕變勁度模量見圖2。

圖2 各瀝青混合料不同溫度蠕變勁度模量變化圖

由圖2可見，同一溫度下，各瀝青混合料的蠕變勁度模量隨荷載作用次數(shù)增加而逐漸降低，這是因?yàn)闉r青混合料在循環(huán)荷載作用下，產(chǎn)生了疲勞現(xiàn)象，瀝青混合料彈性恢復(fù)能力降低，蠕變勁度模量減小；對(duì)于同一種瀝青混合料而言，試驗(yàn)溫度越高，瀝青混合料的蠕變勁度模量也就越小，這是由于溫度升高，瀝青的“軟化”效應(yīng)顯著，荷載作用下其塑性變形量增大，并逐漸累積，致使蠕變勁度模量也隨之降低，6組瀝青混合料中，改性瀝青混合料的蠕變勁度模量高于基質(zhì)瀝青，即便溫度升高，其模量降低速率也明顯低于基質(zhì)瀝青，這證明改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

對(duì)于5組改性瀝青混合料而言，采用SBS和5%XLPE改性后瀝青混合料總體性能較好，在荷載作用初始階段，其蠕變勁度模量較SBS改性瀝青混合料大；荷載作用次數(shù)超過(guò)1 000次時(shí)，SBS改性瀝青混合料模量較大，2種瀝青混合料各具優(yōu)點(diǎn)。XLPE的摻量不斷增加時(shí)，瀝青混合料的蠕變勁度模量也隨之變化，當(dāng)摻量為5%時(shí)，其模量最大，此時(shí)XLPE改性瀝青混合料的高溫性能最優(yōu)。

3.3 流變次數(shù)及永久變形量分析

不同溫度下，各瀝青混合料的流變次數(shù)和永久變形量見圖3。

圖3 各瀝青混合料不同溫度下流變次數(shù)和永久變形量

由圖3可見，各瀝青混合料的流變次數(shù)隨溫度升高呈降低趨勢(shì)，這是由于溫度升高，作為膠結(jié)料的瀝青會(huì)逐漸軟化，對(duì)集料表面產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，減弱了集料之間的嵌擠力，導(dǎo)致了瀝青混合料的內(nèi)摩擦力降低，瀝青混合料的整體強(qiáng)度也隨之下降，應(yīng)力控制模式下，荷載峰值一定，加速其破壞進(jìn)程。

由流變次數(shù)可知，基質(zhì)瀝青混合料高溫性能最差，SBS改性瀝青混合料最好，而5%摻量的XLPE改性瀝青混合料的性能僅次于SBS。流變次數(shù)所對(duì)應(yīng)的永久變形量，隨著溫度升高，各瀝青混合料所呈現(xiàn)變化趨勢(shì)不同，未體現(xiàn)一定的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

1) XLPE吸收了瀝青中芳香烴等輕質(zhì)組分，形成了穩(wěn)定三維空間結(jié)構(gòu)，有效地阻止瀝青分子高溫流動(dòng)，減弱了瀝青的高溫“軟化”效應(yīng)，保持了對(duì)集料的粘聚力，促使瀝青混合料荷載作用下永久變形的累積速率變緩。

2) XLPE將優(yōu)越的高溫性能傳遞給瀝青，同時(shí)增加了瀝青中彈性成分，變形恢復(fù)能力增強(qiáng)，瀝青混合料的蠕變勁度模量也得以提高。

3) XLPE摻入瀝青中，顯著增加了瀝青混合料流變次數(shù)，但對(duì)永久變形量影響未體現(xiàn)一定的規(guī)律。

4) XLPE摻量是影響瀝青混合料高溫性能的關(guān)鍵因素，當(dāng)XLPE摻量為5%時(shí)，其混合料高溫穩(wěn)定性最優(yōu)。

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