直投式瀝青混合料改性劑及其作用機(jī)理

劉 寧

(青海省公路科研勘測(cè)設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810001)

0 引 言

隨著中國(guó)公路事業(yè)的高速發(fā)展，瀝青路面因其行車(chē)舒適性好、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)，已逐步發(fā)展成為高等級(jí)公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。近年來(lái)交通量迅速增長(zhǎng)，車(chē)輛大型化、超載化及渠化現(xiàn)象日益突出，對(duì)瀝青路面材料的技術(shù)性能提出了更高的要求[1]?，F(xiàn)階段通常采用對(duì)瀝青改性的方法提高瀝青路面的使用壽命，延緩大修時(shí)間，但常用的剪切機(jī)改性法制得的瀝青存在易老化、儲(chǔ)存穩(wěn)定性差、改性工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)[2]。直投式改性瀝青劑不需要高溫剪切改性，可直接投入鍋中與集料干拌，然后再加入瀝青濕拌，改性工藝簡(jiǎn)單，且提高了混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性，已成為國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。

直投式瀝青改性劑按材料組成分為纖維類(lèi)和高模量劑類(lèi)。纖維類(lèi)主要包含天然木質(zhì)素纖維、玄武巖礦物纖維及聚丙烯腈纖維；高模量劑類(lèi)主要有法國(guó)生產(chǎn)的PR-M和PR-S、德國(guó)生產(chǎn)的Duroflex及遼寧交通科學(xué)研究院生產(chǎn)的路寶。工程應(yīng)用表明，在一定摻量范圍內(nèi)，直投式瀝青改性劑的改性效果比SBS更優(yōu)異[4]。本文通過(guò)分析2類(lèi)直投式瀝青改性劑的特點(diǎn)、作用機(jī)理及其對(duì)瀝青混合料性能的影響，為直投式瀝青改性劑的選用和性能優(yōu)化提供參考。

1 纖維類(lèi)直投式瀝青改性劑及其混合料性能

1.1 木質(zhì)素纖維改性劑及其混合料性能

天然木材經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)處理得到的木質(zhì)素纖維一般呈絮狀或松散狀[5]。 通過(guò)掃描電鏡觀察木質(zhì)素纖維的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其總體上呈纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多枝相互搭接纏繞，表面粗糙、凹凸不平，多孔，質(zhì)地松散，多為帶狀、彎曲狀，交叉處是扁平的，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，難以被一般的酸、堿腐蝕，有良好的韌性、分散性和非常優(yōu)秀的增稠抗裂性能，是一種環(huán)境友好型、經(jīng)濟(jì)適用型材料[6]。但是，木質(zhì)素纖維較多的孔結(jié)構(gòu)使其易吸水腐爛，耐磨耐熱性差，在攪拌過(guò)程中需要更多的瀝青填充孔徑，導(dǎo)致瀝青混合料的高溫性能下降；增加瀝青用量使吸附在礦料上的瀝青膜變厚，瀝青與集料的黏結(jié)作用力及瀝青與集料界面膜抵抗水分剝離作用的能力增強(qiáng),瀝青混合料的抗水損害能力提高[7]。由于纖維具有抗拉能力，摻加纖維的瀝青混合料在受到張拉應(yīng)力時(shí)，將部分張拉應(yīng)力傳遞給纖維，延遲瀝青混合料的開(kāi)裂時(shí)間，提高了其低溫抗裂性能[8]。為使混合料的各項(xiàng)性能達(dá)到均衡，需要選擇合適的瀝青摻量。

1.2 玄武巖礦物纖維改性劑及其混合料性能

玄武巖纖維是以天然的基性玄武巖礦石為原料，將其破碎后加入到1 450 ℃～1 500 ℃熔窖中熔融，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板等加工工藝制成的一種高性能無(wú)機(jī)礦物纖維。玄武巖纖維制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)難度和成本較高，在道路材料中應(yīng)用的時(shí)間比較短，應(yīng)用規(guī)模有限。但與其他路用纖維相比，玄武巖纖維具有良好的耐熱性能、耐腐蝕性能和抗老化性能，抗拉強(qiáng)度高，不吸水，不易受潮[9]。通過(guò)掃描電鏡觀察，玄武巖礦物纖維一般以單根或集束狀分布，單根纖維形態(tài)多呈圓柱狀或長(zhǎng)方體狀，表面較光滑，直徑一般在1～50 μm之間[10]。集束狀的纖維受生產(chǎn)加工過(guò)程中處理工藝或環(huán)境條件變化的影響，呈雜亂無(wú)章?tīng)顟B(tài)分布，直徑和長(zhǎng)度也都不相同。

玄武巖纖維在瀝青混合料中的摻量有一個(gè)臨界值，當(dāng)小于臨界值時(shí)，摻入的礦物纖維可以充分分散于瀝青混合料中，相互交錯(cuò)、搭接形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)瀝青的黏彈性，礦物纖維較高的韌性還可以在瀝青混合料中形成加筋作用，有效分散溫度應(yīng)力，避免應(yīng)力集中，延緩開(kāi)裂發(fā)展，從而提高瀝青混合料的高溫抗變形能力[11]。但是，當(dāng)摻量超過(guò)這一臨界值時(shí)，礦物纖維以結(jié)團(tuán)的形式混亂分散于混合料當(dāng)中，不能形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集料與結(jié)合料的摩擦力減小，分散溫度應(yīng)力的作用減弱，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低。礦物纖維在混合料中均勻分散，可吸收瀝青中的輕質(zhì)油分，使結(jié)構(gòu)瀝青的比重增加，瀝青結(jié)合料的黏稠度增大，瀝青與礦料之間的黏結(jié)力增強(qiáng)；礦物纖維形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)混合料的力學(xué)強(qiáng)度，瀝青混合料的抗水損害能力大幅度提高。

1.3 聚丙烯腈纖維改性劑及其混合料性能

聚丙稀腈纖維是由85%以上的丙稀腈與其他第二、第三單體均聚或共聚，經(jīng)濕法紡絲合成制得。丙稀腈單體聚合成的聚丙稀腈纖維分子鏈中含有大量的電負(fù)性較大的氰基，使丙稀腈均聚大分子剛性較大，因此聚丙稀腈纖維有強(qiáng)度高、模量高、耐酸堿腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定和分散性好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在公路工程領(lǐng)域[12]。在掃描電鏡下觀察到聚丙稀腈纖維的長(zhǎng)度和直徑都比較均勻，分別為6 mm、18 μm；橫截面近似為圓形，沿纖維縱向具有粗糙且明顯的結(jié)構(gòu)表面，能增強(qiáng)與瀝青之間的握裹力或黏結(jié)力；纖維的端部具有比較明顯的“突起”，有利于相互搭接。聚丙烯腈纖維的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)驗(yàn)證了其在瀝青混合料中表現(xiàn)出的穩(wěn)定、加筋和吸油作用，從而提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。當(dāng)纖維超過(guò)一定摻量時(shí)，在混合料中分散的均勻性變差，部分纖維結(jié)團(tuán)形成薄弱區(qū)，混合料容易離析，高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性變差，水穩(wěn)定性降低[13]。

1.4 纖維混合料的作用機(jī)理

纖維在一定摻量范圍內(nèi)時(shí)可以均勻分散在瀝青混合料中，大多數(shù)呈三維網(wǎng)絡(luò)狀，少數(shù)以單根或單束分布，在攪拌的過(guò)程中相互移動(dòng)、擠壓、搭接，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)?；旌狭鲜艿酵獠亢奢d時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互擠壓、位移，使路面整體形成一個(gè)穩(wěn)定的空間體系，反過(guò)來(lái)阻礙礦質(zhì)材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[14]。

纖維瀝青混合料中的纖維通過(guò)基體來(lái)傳遞荷載，混合料受到外力作用時(shí)，首先傳遞給礦質(zhì)材料，隨著荷載的增大，將會(huì)傳遞到瀝青與集料的界面處，界面處的剪切應(yīng)力傳遞給纖維，纖維受拉產(chǎn)生拉伸變形。由于纖維本身的勁度模量較大，彈性恢復(fù)能力較強(qiáng)，作用力減小或消失后，纖維就會(huì)發(fā)生彈性回復(fù)變形，使得瀝青混合料路面的裂紋自愈合能力得到提高；纖維的凹凸不平及其對(duì)瀝青的吸附作用，使瀝青與礦料界面的黏附力增大，減少低溫下裂縫的產(chǎn)生。添加纖維后混合料的空隙率有所減小，這樣就進(jìn)一步減小水分進(jìn)入混合料內(nèi)部的幾率，降低水分對(duì)瀝青與礦料界面產(chǎn)生的破壞，提高瀝青混合料抗水損害的能力。

2 高模量劑類(lèi)直投式瀝青改性劑及其混合料性能

2.1 PR-module直投式瀝青改性劑及其混合料性能

PR-module是由法國(guó)公司生產(chǎn)的一種黑色、固體顆粒狀的瀝青混合料添加劑，直徑大約5 mm，密度為0.91～0.965 g·cm-3，熔點(diǎn)為140 ℃～150 ℃，其中95%為纖維聚合物，5%為填充物。PR-module是一種直投式瀝青改性劑，會(huì)對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生加筋和膠結(jié)作用，使瀝青和集料之間的黏結(jié)力增大，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨改性劑摻量的增大逐漸提高，摻量越多加筋作用和膠結(jié)作用越明顯，動(dòng)穩(wěn)定度越大[15]。瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變隨PR-module摻量的增大先增大后減小，當(dāng)PR-module摻量小于臨界值時(shí)，摻量越多，瀝青和礦料之間的黏結(jié)力越大，瀝青結(jié)合料的彈性變形越好，混合料的低溫抗裂性越優(yōu)異；當(dāng)摻量高于臨界值時(shí)，PR-module在混合料中分布不均勻，多余的PR-module會(huì)撐開(kāi)混合料的骨架，導(dǎo)致混合料內(nèi)部出現(xiàn)較多的薄弱點(diǎn)，在外力作用下薄弱點(diǎn)因應(yīng)力集中而失穩(wěn)破壞，混合料的低溫抗裂性變差，水穩(wěn)定性降低[16-17]。在一定范圍內(nèi)增大PR-module的摻量，一方面可填充混合料中的部分孔隙，提高密實(shí)度；另一方面增大瀝青的黏度和瀝青混合料的黏結(jié)力，能提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.2 Duroflex直投式瀝青改性劑及其混合料性能

Duroflex加入混合料中可形成分散的聚合物晶體，使瀝青的黏稠度和黏聚力增大，同時(shí)礦料顆粒和瀝青膠漿之間形成聚合體搭橋，瀝青混合料的抗車(chē)轍能力和瀝青路面的高溫穩(wěn)定性提高，高溫條件下抵抗行車(chē)荷載反復(fù)作用產(chǎn)生的瀝青路面變形能力增強(qiáng)。Duroflex添加劑含有的聚合物成分，能使Duroflex瀝青混合料具有和SBS改性瀝青混合料同樣的低溫抗裂能力；含有的纖維素成分呈三維網(wǎng)狀隨機(jī)分布，對(duì)混合料的開(kāi)裂起到阻滯作用，提高瀝青路面裂紋的自愈能力，減少裂縫的出現(xiàn)。Duroflex可與瀝青之間形成界面過(guò)渡層，過(guò)渡層黏度較大、極性較強(qiáng)，一側(cè)與石料緊密黏結(jié)，另一側(cè)與瀝青極性相吸，過(guò)渡層與瀝青通過(guò)高溫熔合、滲透、擴(kuò)散，形成極性由強(qiáng)到弱、黏度由大到小、沒(méi)有明顯分界的漸變膠結(jié)料膜。這種膠結(jié)料膜具有極性更強(qiáng)的表面活性物質(zhì)，與純?yōu)r青相比，對(duì)集料的吸附作用更強(qiáng)，使瀝青和Duroflex共同構(gòu)成的膠結(jié)料與集料的黏聚力更大、黏附性更好[18]。Duroflex與瀝青的相溶性較好， Duroflex在高溫下均勻地分散于瀝青中，在與集料攪拌的過(guò)程中，僅有部分Duroflex裹覆在集料表面，另一部分在剪切、摩擦、撞擊等綜合作用下變成小顆粒，形成新的膠漿體系，增大瀝青的黏結(jié)能力，提高瀝青混合料的水穩(wěn)性能。

3 直投式瀝青改性劑的研究趨勢(shì)

(1)性能突出、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的直投式瀝青改性劑的研制。根據(jù)不同地區(qū)瀝青路面的性能要求，基于改性劑本身物化特性和對(duì)混合料的改性機(jī)理，使用新材料、新工藝研制高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、施工工藝簡(jiǎn)單的直投式瀝青改性劑是今后技術(shù)發(fā)展的方向。

(2)改性劑在極端地區(qū)路面的應(yīng)用。直投式瀝青改性劑根據(jù)自身的特性可應(yīng)用于寒區(qū)、熱區(qū)、高原高海拔、強(qiáng)降雨區(qū)路面，發(fā)揮自身特有的改性效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了國(guó)內(nèi)外直投式瀝青改性劑的特點(diǎn)及其對(duì)混合料的改性機(jī)理，論證了直投式瀝青改性劑能顯著改善瀝青混合料的性能。結(jié)合路用性能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保性、可操作性、耐久性等指標(biāo)，提出今后改性劑的研發(fā)應(yīng)以高性能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保為核心，以聚丙烯腈纖維類(lèi)改性劑為研究重點(diǎn)?；谥蓖妒礁男圆牧系奈锘匦裕Y(jié)合各地區(qū)對(duì)瀝青路面性能的要求，應(yīng)重點(diǎn)研究直投式瀝青改性劑在極端環(huán)境地區(qū)路面的應(yīng)用。