不同功能型瀝青改性劑對瀝青混合料高低溫性能的影響研究

熊子佳，程金梁，洪錦祥

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

目前，交通的迅速發(fā)展，對瀝青路面的要求越來越高，其功能性也越來越多。改性瀝青已經(jīng)被廣泛地應用于道路建設中[1]，通常是將瀝青改性劑以干法直接投入到料倉中。瀝青改性劑一般為聚合物，聚合物改性瀝青能有效改善瀝青的高低溫性能和耐久性[2]。由于聚合物的種類很多，根據(jù)瀝青路面的實際問題，聚合物改性劑對瀝青性能的改善也各有側重[3]。常用的有高模量改性劑（EME）、高粘改性劑（TPS）、抗車轍劑（MB）、低溫改性劑（TLM）、全效能改性劑（AP）等。但由于聚合物與瀝青存在著配伍性，不同聚合物組成會影響到改性劑與瀝青的相互作用效果[4]。目前對不同功能型改性劑對瀝青的改性效果及其原因研究較少。

本文通過研究EME、TPS、MB、TLM、AP五種不同功能型瀝青改性劑對瀝青及混合料高低溫性能的影響，通過動態(tài)模量、疲勞壽命、車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗進行對比分析考察不同改性劑的改性效果，并采用DSC從材料角度分析不同改性劑的主要組成特征，從而得出改性劑影響瀝青性能的關鍵因素。

1 試驗

1.1 原材料

（1）基質瀝青：SK-70#石油瀝青，性能指標符合JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求。

（2）礦料：玄武巖集料和石灰石礦粉，由南京天印市政工程材料有限公司提供?；拘阅馨碕TGE42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行測試，集料的基本性能均符合JTGF40—2004要求。

（3）改性劑：EME、TPS、MB、TLM、AP，5 種改性劑均為市售。其中TPS為深黃色扁圓形固體顆粒狀，直徑約為2～3 mm，厚約為1 mm；其余4種改性劑為黑色短柱固體顆粒，長度約3～5 mm。

1.2 瀝青混合料的制備方法

（1）AC-13C 型

EME、MB、TLM、AP四種改性劑適用的混合料級配類型為AC-13C，油石比為5.0%，級配見表1。集料加熱溫度175℃，瀝青加熱溫度160℃，混合料拌合溫度175℃，改性劑以直投法加入到拌鍋中。

表1 AC-13C混合料級配

（2）OGFC-13型

TPS主要功能是增大瀝青的黏度，提高瀝青與集料的連接作用，用于大空隙透水瀝青混合料中。其適用的瀝青混合料類型為OGFC-13，油石比為4.8%，級配見表2。集料加熱溫度和改性劑加入方法與其它4種改性劑相同。

表2 OGFC-13混合料級配

1.3 試驗方法

（1）動態(tài)模量試驗：采用IPC UTM-30型試驗機，按照AASHTO TP62-03試驗規(guī)范的要求，用意大利Controls旋轉壓實儀成型D150 mm×H170 mm的圓柱體試件，取芯并切割得到D100×H150 mm的圓柱體實驗試件。試驗溫度為45℃，試驗頻率分別為 25、20、10、5、1、0.5、0.1 Hz。

（2）四點彎曲疲勞壽命試驗：采用IPCUTM-30型試驗機，按照JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，成型400 mm×300 mm×75 mm的大車轍板，切割得到尺寸為380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁試件。試驗溫度為15℃，加載頻率為10 Hz，目標拉應變取600με。采用連續(xù)偏正弦加載模式，恒應變控制，終止條件為初始彎曲勁度模量的50%對應為加載循環(huán)次數(shù)。

（3）車轍試驗：按照JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的要求成型車轍板，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。采用QCZ-2型全自動車轍試驗儀測試動穩(wěn)定度和最大車轍深度。試驗溫度為60℃，輪壓為0.7 MPa，橡膠輪碾壓速度為（42±1）次/min。

（4）小梁彎曲試驗：采用IPCUTM-30型試驗機，通過低溫彎曲試驗測定瀝青混合料的低溫性能。按照JTGE20—2011，將輪碾成型的車轍板用切割機制成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體，作為瀝青混合料小梁試件。試驗溫度為-10℃，加載速率為50 mm/min。

（5）DSC分析：采用德國耐馳DSC214型差示掃描量熱儀測試改性劑能量變化狀態(tài)。試驗溫度為20～200℃，升溫速率為10℃/min。保護氣為氮氣，流量為20 mL/min，試樣量為5～10 mg，粒徑約 0.5 mm。

2 改性劑對瀝青混合料性能的影響

2.1 對動態(tài)模量的影響

瀝青混合料的動態(tài)模量是指在周期性或非周期性動態(tài)荷載作用下，材料應力與應變的比值[5]。瀝青混合料是一種粘彈性材料，其力學響應與溫度、加載頻率有較好的相關性[6]。本試驗中EME、MB、TLM、AP的摻量均占瀝青混合料質量的0.3%，TPS摻量占瀝青混合料質量的0.6%（下同）。不同荷載頻率條件下瀝青混合料的動態(tài)模量見圖1所示。

圖1 不同改性瀝青混合料的45℃動態(tài)模量

由圖1可見：

（1）相同溫度相同頻率條件下5種改性瀝青混合料的動態(tài)模量大小順序為：EME＞TPS＞MB＞AP＞LTM，在 0.1 Hz的低頻動態(tài)荷載下?lián)紼ME的動態(tài)模量已大于2000 MPa，其它4種改性瀝青混合料的動態(tài)模量較小且接近。

（2）隨著頻率的增大，不同改性瀝青混合料的動態(tài)模量差異增大。其中摻EME和TPS的有較明顯的模量優(yōu)勢，摻EME、TPS、MB的在0.1 Hz時模量大于500 MPa，且10 Hz時模量大于2000 MPa，滿足高模量的要求。

2.2 對疲勞壽命的影響

瀝青混合料在荷載重復作用下呈現(xiàn)強度衰減是其自身疲勞損傷的一種表征，當疲勞損失與耗散能累積到一定程度就會發(fā)生疲勞破壞[7]。路面層優(yōu)異的疲勞性能是路面耐久性的保證[8]。對5種改性瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗，結果見表3。

表3 不同改性瀝青混合料的四點彎曲疲勞壽命

由表3可見：5種改性瀝青混合料的疲勞壽命大小順序為：EME＞AP＞TPS＞LTM＞MB，摻高模量改性劑 EME 瀝青混合料的疲勞壽命有較明顯的優(yōu)勢且其變異性較小，即在動態(tài)應力作用下，其應變衰減更緩慢，結構穩(wěn)定性更強；摻全效能改性劑AP的瀝青混合料疲勞壽命次之，由于全效能是對瀝青混合料高低溫性能皆有提高，故全效能改性劑AP應為復合型改性劑，它比改性性能單一的抗車轍劑MB和低溫性能改性劑LTM的耐久性較強；高粘改性劑TPS由于其混合料結構為OGFC型，空隙率較大，雖然改性劑具有較大的粘度，但其疲勞壽命居中，因此混合料結構也是疲勞壽命的重要影響因素之一。

2.3 對抗車轍性能的影響

瀝青混合料的車轍試驗是試件在規(guī)定溫度及荷載條件下，測試試驗輪往返行走所形成的車轍變形速率，以每產(chǎn)生1 mm變形的行走次即動穩(wěn)定度表示，它能較好地反映瀝青路面在高溫季節(jié)抵抗形成車轍的能力。5種不同改性瀝青混合料的試驗結果如表4所示。

表4 不同改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度

由表4可見，5種不同改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度大小順序為：MB＞EME＞TPS＞AP＞LTM。在抗車轍性能方面，抗車轍劑MB有較大的優(yōu)勢，說明改性劑中有增強瀝青高溫穩(wěn)定的組分存在；摻高模量改性劑EME次之，說明提高瀝青混合料模量的同時，也能提高其抗車轍性能；摻AP和LTM的瀝青混合料動穩(wěn)定度相差不大，說明改性劑在兼顧低溫性能的同時，對瀝青混合料高溫性能的改善并不能達到較高的水平；摻高粘改性劑TPS的性能居中，是由于OGFC為骨料嵌擠型結構，加之瀝青的黏度高，其高溫條件下瀝青的變形性較小，結構的高溫穩(wěn)定性較強。

2.4 對低溫小梁彎曲的影響

瀝青混合料的彎曲試驗是對規(guī)定尺寸的小梁試件，在跨中施加集中荷載至斷裂破壞，由破壞時的最大荷載求得試件的抗彎拉強度，抗彎拉強度越大表示越不容易斷裂。由破壞時的跨中撓度求得瀝青混合料的最大彎拉應變，表征承受最大拉應力時的抗變形能力，兩者的比值為破壞時的彎曲勁度模量。5種不同改性瀝青混合料的試驗結果如表5所示。

表5 不同改性瀝青混合料的-10℃小梁彎曲試驗結果

由表5可見知，在-10℃的低溫條件下，5種不同改性瀝青混合料表現(xiàn)出不同的抗彎拉能力。最大彎拉應變大小順序為：LTM＞AP＞EME＞MB＞TPS，其中摻低溫性能改性劑 LTM 的最大彎拉應變最大，說明改性劑的加入使瀝青混合料的低溫脆性降低、柔性增強，表現(xiàn)出較好的變形能力，但其強度僅為EME改性瀝青混合料的79%；EME改性瀝青混合料低溫下具有較大的抗彎拉強度，且EME改性瀝青混合料表現(xiàn)出彎曲勁度模量較大，驗證了其剛而硬脆的特點；最大彎拉應變最小的是高粘改性劑TPS改性瀝青混合料，原因在于其OGFC級配混合料空隙率較大，其強度較小，相對其他幾種易產(chǎn)生彎拉破壞；在低溫性能方面抗車轍劑MB和高模量改性劑EME并不占優(yōu)勢。說明改性劑在提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和耐久性的同時一般會抑制其低溫性能改善效果，反之亦然。

2.5 DSC分析

DSC試驗是測量在溫度變化條件下試樣和參比物的熱流差與溫度的關系，該熱流差能表征樣品隨溫度變化所發(fā)生的焓變，即當樣品吸收能量時，焓變?yōu)槲鼰?，當樣釋放能量時，焓變?yōu)榉艧?。在DSC曲線中，對熔融、結晶、固-固相轉變和化學反應等的熱效應呈峰形[9]。為從材料本身的角度區(qū)分5種改性劑，測試了改性劑在20～200℃之間的能量變化，結果如圖2所示。

圖2 5種不同改性劑的DSC曲線

由圖2可見，在20～200℃的熔融曲線上，TPS沒有明顯的吸熱峰，其曲線近于一條直線，說明其為無定形態(tài)的物質。而其它4種改性劑均有明顯的吸熱峰，是含有結晶態(tài)的物質。LTM的吸熱峰在55℃附近，其主要聚合物基體可能為EVA，但EVA并不能對瀝青混合料的低溫性能有較好的改善，因此LTM可能只是以EVA為主要基體，加之其他彈性體聚合物材料產(chǎn)生改善低溫性能的效果。AP、MB和EME均在125℃附近出現(xiàn)吸熱峰，其對應的可能為PE類物質，但其吸熱峰面積不同，說明PE的結晶度不盡相同。其中MB在160℃附近還出現(xiàn)1個吸熱峰，說明MB中可能存在熔點較高的PP組分。AP在80℃和110℃附近分別出現(xiàn)1個階梯狀吸熱峰，其可能是PS或PMMA的玻璃化轉變溫度，而PS通常與SBS協(xié)同改性瀝青[10]，提高瀝青及混合料的高低溫性能。結合混合料性能實驗可知，改性劑中可能存在SBS等此類彈性體[11]，通過在瀝青中形成網(wǎng)狀結構從而改善瀝青混合料的低溫性能[12]，存在的PE和PP對瀝青混合料的高溫性能有改善[13]。

3 結語

（1）高模量（EME）改性瀝青混合料具有動態(tài)模量高、抗車轍性能好的特點，疲勞壽命達到86 099次，具有較好的耐久性。在低溫條件下表現(xiàn)彎拉強度較高，表現(xiàn)出剛而硬脆的特點?？管囖H劑（MB）改瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到9186次/mm，具有較好的抗車轍性能。

（2）全效能改性劑（AP）和低溫性能改性劑（LTM）兩者在改性瀝青混合料低溫性能方面有較大優(yōu)勢，其最大彎拉應變分別達到了2824、3684με，而在高溫性能方面并不突出。高黏度改性劑（TPS）由于能使瀝青具有較高黏度，加之OGFC混合料結構類型特點，其具有較高的動態(tài)模量和耐久性。

（3）改性劑在提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和耐久性的同時一般會抑制其低溫性能改善效果，反之亦然。改性劑中可能存在的SBS和PS對瀝青混合料的低溫性能有改善，存在的PE和PP對瀝青混合料的高溫性能有改善。

（4）DSC測試中的融熔溫度并不能準確地反映聚合物組成，加之瀝青與改性劑成分的復雜性，改性瀝青的作用機理用DSC測試尚不能精準地表現(xiàn)出來，還需進一步試驗研究。