離子型聚合物改性瀝青混合料性能分析

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西西安710043)

瀝青混合料本身具有損傷自愈合能力，Bazin等[1]認(rèn)為在高溫、荷載間歇期以及損傷過(guò)程中，瀝青混合料都會(huì)發(fā)生自愈合行為。目前，已有多項(xiàng)關(guān)于瀝青混合料自愈合現(xiàn)象的研究，且對(duì)影響瀝青混合料自愈合的因素進(jìn)行了詳細(xì)的研究[2-4]。此外，為進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青混合料的自愈合能力，道路研究者采用多種方式促進(jìn)瀝青材料的損傷自愈合現(xiàn)象[5]。有代表性的研究包括：①電磁感應(yīng)加熱促進(jìn)瀝青混合料愈合[6,7]；②微波加熱提高瀝青混合料的自愈合能力[8]；③通過(guò)在瀝青中加入含有粘結(jié)劑或再生劑的微膠囊，瀝青產(chǎn)生微裂縫后，微膠囊破裂并釋放粘結(jié)劑或再生劑修復(fù)微裂縫[9-11]。上述方法可以統(tǒng)稱為外援型自愈合方法，但這些方法只能被動(dòng)提升瀝青材料的愈合能力，難以從根本上提升瀝青自身的自愈合能力。

此外，還有一種促進(jìn)材料自愈合能力的方法，稱為本征型自愈合方法。例如在聚合物體系內(nèi)引入雙硫鍵、酰腙鍵、Dieal-Alder可逆反應(yīng)等[12]可實(shí)現(xiàn)聚合物的自愈合。在本征型自愈合材料中，離子型共聚物材料發(fā)揮了重要的作用[13]，其自愈合的主要原理為通過(guò)在聚合物主鏈上引入離子基團(tuán)，通過(guò)離子基團(tuán)之間的價(jià)鍵連接實(shí)現(xiàn)可逆修復(fù)。對(duì)于此類自愈合材料，美國(guó)杜邦公司最早開(kāi)展研究，代表性的材料為離子型聚合物乙烯—甲基丙烯酸甲酯(EMAA)，EMAA在分子結(jié)構(gòu)上比乙烯—丙烯酸甲酯(EMA)在側(cè)鏈上多了個(gè)甲基，是一種較為新型的離子型聚合物。Kalista等[14,15]對(duì)不同離子含量的EMAA進(jìn)行了射擊穿刺試驗(yàn)，結(jié)果表明，EMAA能通過(guò)表面相互擴(kuò)散而愈合，并重塑聚合物的力學(xué)強(qiáng)度，且EMAA的自愈合可在低溫下進(jìn)行。此外，EMAA還具備非常優(yōu)秀的增容能力，王如寅[16]等同時(shí)研究了EMAA對(duì)聚合物材料聚氯乙烯(PVC)/聚丙烯(PP)的增容性能，研究表明EMAA比傳統(tǒng)的EVA和LDPE的增容能力強(qiáng)很多，相信EMAA同時(shí)能改善諸如SBS、SBR等瀝青改性劑的相容性，從而提高改性瀝青的各項(xiàng)力學(xué)性能。

本文受到高分子聚合物自愈合性能的啟發(fā)，選用EMAA與SBS制作改性瀝青，研究EMAA/SBS改性瀝青混合料的路用性能及自愈性能，以期為實(shí)際瀝青路面中的應(yīng)用提供一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

以殼牌A-70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1所示；粗集料為陜西金浩石料廠生產(chǎn)的玄武巖碎石，細(xì)集料為石泉縣池河鎮(zhèn)頂鑫石料廠提供的石灰?guī)r，規(guī)格為0～2.36 mm，礦粉為石灰?guī)r磨制而成，集料及礦粉的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2所示。線型SBS改性劑，具有良好的拉伸強(qiáng)度、耐磨性及屈撓性能；EMAA為白色晶狀固體，美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of base asphalt

表2 集料與礦粉技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Physical properties of aggregate and filler

1.2 改性瀝青的制備

本文需制備兩種不同的改性瀝青，包括：SBS改性瀝青和EMAA/SBS改性瀝青，本文對(duì)EMAA/SBS改性瀝青制備方法進(jìn)行介紹，SBS改性瀝青可參照下述方法。

① 首先，將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，按4 %的比例加入SBS，利用機(jī)械攪拌機(jī)以3 000 rad/min對(duì)其攪拌20 min，隨后按照不同比例加入EMAA材料，攪拌40 min。

② 攪拌完成后，將攪拌均勻的瀝青進(jìn)行剪切處理，開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)速為3 000 rad/min，逐步增至7 000 rad/min，整個(gè)剪切過(guò)程持續(xù)45 min。整個(gè)制備過(guò)程保持溫度為165～175 ℃，最后將瀝青放在150～160 ℃溫度下發(fā)育2 h，完成改性瀝青的制備。

1.3 EMAA摻量的確定

分別對(duì)EMAA摻量為0 %、2 %、3 %、4 %、5 %及6 %的EMAA/SBS改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technology index of modified asphalt

從表3中結(jié)果觀察到：①隨著EMAA的加入，軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)及運(yùn)功粘度均有增加，可知EMAA能提升SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。由于EMAA的加入，一方面可促進(jìn)SBS改性瀝青的穩(wěn)定性與相容性，另一方面，EMAA上的甲基支鏈能夠提升瀝青的粘度，從而提升改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。

② 隨著EMAA摻量的增加，瀝青延度先增大后減小，當(dāng)EMAA摻量超過(guò)4 %后，延度下降至小于SBS改性瀝青延度。

③ 從表3中看出，當(dāng)EMAA摻量超過(guò)4 %后，高溫指標(biāo)增長(zhǎng)速度明顯變慢；延度指標(biāo)有下降，但仍能滿足規(guī)范要求?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，本文僅對(duì)4 %EMAA摻量的改性瀝青進(jìn)行研究。為了使本文寫作方便，做以下簡(jiǎn)化：“基質(zhì)瀝青+4 %SBS”簡(jiǎn)化為SBS改性瀝青；“基質(zhì)瀝青+4 %SBS+4 %EMAA”簡(jiǎn)化為EMAA/SBS改性瀝青。

1.4 混合料級(jí)配

本文瀝青混合料類型是連續(xù)密級(jí)配AC-13，級(jí)配范圍如表4所示。最佳油石比的確定采用馬歇爾試驗(yàn)方法，選擇4.0 %、4.5 %、5.0 %、5.5 %、6.0 %五個(gè)油石比，根據(jù)規(guī)范要求測(cè)定試樣的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度及流值等指標(biāo)，并根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果確定基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和EMAA/SBS改性瀝青的最佳油石比為4.9 %、4.9 %、5.0 %。

表4 試驗(yàn)中瀝青混和料級(jí)配Tab.4 Testing gradation of asphalt mixture

2 瀝青混合料路用性能及自愈性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[17](JTG E20-2011)制備試件后進(jìn)行車轍試驗(yàn)。3種瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Wheel tracking test results of asphalt mixtures

由表5中看出，兩種改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度；EMAA/SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為SBS改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料的1.28倍和2.66倍；EMAA/SBS改性瀝青混合料的總變形量比基質(zhì)瀝青混合料下降了13.5 %，比SBS改性瀝青混合料下降了6.2 %，這表明EMAA加入后顯著提高了混合料的高溫性能。這是因?yàn)镋MAA分子結(jié)構(gòu)中的甲基支鏈和烷基側(cè)鏈形成的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)能夠提升瀝青的粘度；此外，EMAA可促進(jìn)SBS與瀝青的相容性能，增強(qiáng)SBS改性瀝青的黏聚力，改善改性混合料的高溫性能。

2.2 水穩(wěn)定性

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[17]，進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種瀝青均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。表6、表7分別為3種瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果。

表6 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Immersion Marshall test results of asphalt mixtures

表7 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Freeze-thaw split test results of asphalt mixtures

由表6中可以看出，EMAA/SBS改性瀝青混合料的浸水0.5 h馬歇爾穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料增加2.10 kN和0.67 kN；浸水48 h馬歇爾穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料增加2.7 kN和0.73 kN；殘留穩(wěn)定度為基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料的1.10倍和1.02倍。

由表7可以看出，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度均出現(xiàn)降低。EMAA/SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)要高于基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料的TSR，說(shuō)明EMAA的加入能夠改善SBS瀝青混合料的水穩(wěn)定性。綜合表6和表7中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，EMAA/SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好，且完全滿足規(guī)范中的使用要求。

2.3 低溫抗裂性

本文利用小梁彎曲試驗(yàn)獲得的抗彎拉強(qiáng)度及最大破壞應(yīng)變值，評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8所示。

表8 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Beam bending test results of asphalt mixtures

從表8結(jié)果觀察到：兩種改性瀝青混合料的低溫性能明顯高于基質(zhì)瀝青混合料的低溫性能；但相比于SBS改性瀝青混合料，EMAA/SBS改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大破壞彎拉應(yīng)變均有所下降。原因可能是，EMAA的加入使得瀝青材料的柔性降低，低溫性能稍稍變差，但仍能滿足規(guī)范中低溫性能要求。

2.4 抗疲勞性能

瀝青混合料的抗疲勞性能是指混合料在反復(fù)荷載作用下抵抗疲勞破壞的能力。本文通過(guò)中點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種瀝青均進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。

本文小梁彎曲試驗(yàn)中試驗(yàn)參數(shù)的選擇分別為：①荷載控制采用應(yīng)力控制方式，以正弦波形荷載進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，加載頻率為10Hz，試驗(yàn)溫度為15 ℃；②小梁試驗(yàn)選擇以0.1 分級(jí)應(yīng)力水平，試驗(yàn)中采用了0.5，0.6和0.7三個(gè)等級(jí)；③選用回歸方程lgNf=A-nlgσt分析瀝青混合料的抗疲勞性能，其中A為疲勞曲線截距，n為疲勞曲線的斜率。

由表9試驗(yàn)結(jié)果可知：①對(duì)于3種瀝青混合料而言，隨著應(yīng)力比的增大，瀝青混合料的疲勞壽命均逐漸減小。分析其原因?yàn)檫B續(xù)荷載的提高導(dǎo)致試件變形增大，達(dá)到極限變形程度所需荷載循環(huán)次數(shù)減少，導(dǎo)致混合料的疲勞壽命降低。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明荷載對(duì)于瀝青混合料疲勞壽命有顯著影響，荷載越大，試件裂紋擴(kuò)展越快，疲勞壽命越短。②在相同應(yīng)力比下，3種瀝青混合料的抗疲勞性能大小為EMAA/SBS改性瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料>基質(zhì)瀝青混合料。

表9 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Fatigue test results of modified asphalt mixtures

由表10試驗(yàn)結(jié)果同樣可以看出：EMAA/SBS瀝青混合料的疲勞曲線截距為4.26，為三種瀝青混合料中最大值；n值為0.99，為三種瀝青混合料的最小值。因此可以看出，EMAA的加入改善了SBS改性瀝青混合料的抗疲勞性能。

表10 瀝青混合料疲勞方程Tab.10 Fatigue regression equation of asphalt mixtures

2.5 自愈性能

本文借助MTS儀器通過(guò)中點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)三種瀝青混合料進(jìn)行愈合能力研究，即疲勞—愈合—再疲勞試驗(yàn)，荷載采用應(yīng)力控制、正弦波形荷載方式，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)溫度為15 ℃。具體試驗(yàn)方法為：①參照2.4節(jié)中應(yīng)力比為0.5時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)Nf的20 %作為首次疲勞控制點(diǎn)，即首次疲勞次數(shù)，即為N1；②首次疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，將上述試件在室溫下放置24h作為愈合間歇期，使瀝青混合料進(jìn)行自愈合；③經(jīng)過(guò)愈合間歇期后，將上述試件在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行第二次疲勞試驗(yàn)，直至試件破壞，并將加載次數(shù)記作N2。

將兩次疲勞試驗(yàn)的總加載次數(shù)記作Nsum，即N1與N2之和。此外，每組均進(jìn)行三次平行試驗(yàn)，取其平均值。本文中瀝青混合料的愈合能力通過(guò)愈合率P進(jìn)行量化分析，計(jì)算公式如式1所示。

P=(Nsum-Nf)/Nf,

(1)

式中，Nf為常規(guī)疲勞試驗(yàn)下，瀝青混合料疲勞壽命均值；Nsum為瀝青混合料愈合間歇期前后疲勞加載總次數(shù)。按照上述試驗(yàn)方案進(jìn)行瀝青混合料自愈合試驗(yàn)，得到如下表11、圖1所示的自愈合試驗(yàn)結(jié)果。

表11 瀝青混合料自愈合疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.11 self-healing Fatigue test results of asphalt mixtures

圖1 瀝青混合料愈合能力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.1 Self-healing property of asphalt mixtures

由表11、圖1可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)愈合間歇期后，瀝青混合料試件的疲勞壽命均增大；在相同條件下，EMAA/SBS改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的愈合能力均優(yōu)于基質(zhì)瀝青。具體表現(xiàn)為：經(jīng)過(guò)疲勞間歇期后，基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、EMAA/SBS改性瀝青混合料試件疲勞加載次數(shù)較未經(jīng)過(guò)愈合間歇期分別增加1756次、4556次、6101次，愈合率P分別為10.8 %、14.6 %、17.0 %。上述結(jié)果表明，EMAA加入后能夠增強(qiáng)SBS改性瀝青混合料的自愈合能力，延長(zhǎng)瀝青混合料的疲勞壽命。

3 結(jié)論及進(jìn)一步研究計(jì)劃

① 三種瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能的優(yōu)劣順序?yàn)椋篍MAA/SBS改性瀝青混合料 > SBS改性瀝青混合料 > 基質(zhì)瀝青混合料。這說(shuō)明EMAA的加入可提升瀝青混合料的高溫性能、耐久性和自愈性能，并且可更好的發(fā)揮SBS改性瀝青的改性效果。盡管EMAA/SBS改性瀝青的低溫抗裂性能較SBS改性瀝青有所下降，但仍能滿足規(guī)范中改性瀝青混合料的低溫性能要求。

② EMAA的加入，在很大程度上提升了瀝青結(jié)合料的損傷自愈合能力，這體現(xiàn)在經(jīng)過(guò)愈合間歇期后，瀝青混合料試件的疲勞壽命均增大，表明瀝青混合料的部分性能得到恢復(fù)；在相同條件下，EMAA/SBS瀝青混合料的愈合率要優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

③ 下一步的研究應(yīng)集中在EMAA/SBS改性瀝青的自愈合機(jī)理，建議采用相場(chǎng)模型，并借助COMSOL有限元分析軟件，對(duì)瀝青膠結(jié)料的損傷和愈合過(guò)程進(jìn)行模擬分析；其次，影響瀝青混合料自愈合效率的參數(shù)是需要考慮的，例如愈合時(shí)間和愈合溫度等，可在將來(lái)的研究中進(jìn)一步體現(xiàn)。