高模量外摻劑改性機(jī)理研究

黃育華 李善強(qiáng) 龔僥斌 李 浩

(廣東華路交通科技有限公司1) 廣州 510420) (廣州大學(xué)土木工程學(xué)院2) 廣州 510006) (贛州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院3) 贛州 341000) (長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院4) 西安 710064)

0 引 言

在南方高溫地區(qū)，車轍病害是導(dǎo)致瀝青路面早期破壞的主要原因之一，因其行車安全危害大、使用性能衰減快、養(yǎng)護(hù)維修耗費(fèi)多等影響，一直備受關(guān)注.現(xiàn)有研究和實(shí)際工程主要是通過(guò)級(jí)配優(yōu)化、瀝青改性、添加外摻劑[1]等方法來(lái)防治車轍病害.

董澤蛟等[2]開(kāi)展了通過(guò)級(jí)配優(yōu)化防治車轍病害的研究，表明其作用十分有限，且隨著交通量的大幅增長(zhǎng)，該作用越來(lái)越弱，必須通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)才能有效治理車轍病害.吳傳海[3]開(kāi)展了南方高溫地區(qū)車轍病害的調(diào)查研究，表明即使上、中面層雙層改性后也出現(xiàn)高溫車轍破壞.張爭(zhēng)奇等[4]研究了添加外摻劑對(duì)混合料高溫性能改善效果，表明效果明顯.李明[5]針對(duì)高等級(jí)路面中出現(xiàn)的早期破壞提出了高模量外摻劑能大大提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，減緩車轍結(jié)構(gòu)性病害，延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)的使用壽命的結(jié)論.

綜上所述，添加高模量外摻劑因具有不影響配合比、經(jīng)濟(jì)效益顯著、施工方便、改善效果顯著等特點(diǎn)可成為目前南方高溫地區(qū)改善車轍病害的首選方案.而現(xiàn)有研究集中于添加在瀝青混合料后性能研究，而對(duì)外摻劑加入后瀝青膠結(jié)料的性能變化研究較少，也忽視了從細(xì)觀層面對(duì)加入外摻劑后瀝青混合料的分析.

因此，本文重點(diǎn)開(kāi)展不同摻量高模量外摻劑對(duì)瀝青及瀝青混合料的改性機(jī)理研究，為高模量外摻劑在南方高溫地區(qū)的應(yīng)用提供理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo).

1 試樣制備

高模量外摻劑本質(zhì)是PE/EVA的干法改性應(yīng)用，一般是以PE/EVA為主材進(jìn)行針對(duì)性加工制備而成，通過(guò)瀝青改性、彈性恢復(fù)，以及集料表面的增黏、加筋、填充等多重作用極大提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，并保證混合料水穩(wěn)定性、低溫抗裂性處于較佳水平.采用韓國(guó)SK70#瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，以對(duì)比研究不同摻量、溫度下添加高模量外摻劑后的瀝青膠漿的性能.試驗(yàn)操作遵循文獻(xiàn)[6]進(jìn)行,瀝青主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 瀝青主要技術(shù)性質(zhì)

高模量外摻劑為筑路王RK-300，基本指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 筑路王RK-300基本指標(biāo)

/mm/(g·m-3)RK-3001～60.92～0.98

在SK70#瀝青中加入筑路王RK-300高模量外摻劑用高速剪切機(jī)制備成樣.試樣制備過(guò)程如下.

步驟1將瀝青在130～140 ℃恒溫箱中融化成液體.

步驟2將RK-300高模量外摻劑緩慢加入130～140 ℃的瀝青中，邊加邊用高速剪切機(jī)攪拌，速度2 500～3 500 r/min，保持10～15 min.

步驟35 000～6 000 r/min快速攪拌40 min.

步驟4在150 ℃恒溫箱中保溫溶脹10～15 min，攪拌后成樣，放入環(huán)境箱養(yǎng)護(hù)待試驗(yàn).

2 瀝青膠結(jié)料試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同摻量下瀝青膠結(jié)料DSR試驗(yàn)

采用DSR測(cè)試瀝青膠結(jié)料的流變參數(shù)，通過(guò)復(fù)數(shù)剪切模量(G*)、相位角(δ)、車轍因子(G*/sinδ)評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的高溫性能.

開(kāi)展RK-300高模量外摻劑摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%的瀝青膠結(jié)料在溫度64，70，76，82，88 ℃下的G*，δ，G*/sinδ試驗(yàn)研究，以分析高模量外摻劑摻量、溫度對(duì)瀝青膠結(jié)料高溫流變性能的影響.測(cè)試荷載為100 Pa，頻率為1.59 Hz(對(duì)應(yīng)角速度為10 rad/s)；試樣直徑為25 mm、厚度為1 mm；試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變值為12%.

1) 復(fù)數(shù)剪切模量和相位角分析 復(fù)數(shù)剪切模量G*是最大切應(yīng)力和最大切應(yīng)變的比率，表征材料受重復(fù)應(yīng)力作用時(shí)抵抗變形的能力；相位角δ是峰值正應(yīng)力與峰值切應(yīng)變的時(shí)間滯后，表征材料彈性與黏性成分比例的指標(biāo).G*和δ試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ隨摻量變化圖

由圖1a)可知，每種溫度下，G*隨高模量外摻劑RK-300摻量增大而增大；摻量大于0.3%，G*增速加快.高模量外摻劑的增加顯著提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性.高模量外摻劑的比表面積大，有利于吸收瀝青中的輕質(zhì)組分而在兩者界面處形成結(jié)構(gòu)瀝青，增加高模量外摻劑摻量，也就是增加了結(jié)構(gòu)瀝青比例，增大了瀝青膠結(jié)料的稠度，膠結(jié)料體系內(nèi)部的黏聚力增強(qiáng)，從而提高了其抵抗高溫變形的能力.

由圖1b)可知，同一溫度下瀝青膠結(jié)料在摻量較低時(shí)δ較大，具有較好的粘性性質(zhì)；隨著摻量的增加，δ逐漸減小，此時(shí)瀝青膠結(jié)料的彈性性質(zhì)起主要作用.適量的RK-300高模量外摻劑的摻入能有效降低相位角，即試樣由黏性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài).

2) 車轍因子分析 美國(guó)SHRP戰(zhàn)略公路計(jì)劃[7]將流變參數(shù)G*/sinδ定義為車轍因子，表征瀝青在重復(fù)荷載作用下抵抗永久變形的能力，因此，本節(jié)采用車轍因子研究瀝青膠結(jié)料的高溫抗車轍性能.G*/sinδ值越大，表示瀝青膠結(jié)料的高溫抗車轍能力、抗疲勞開(kāi)裂能力越強(qiáng).瀝青膠結(jié)料的G*/sinδ隨高模量外摻劑摻量和測(cè)試溫度的變化見(jiàn)圖2.

圖2 瀝青膠結(jié)料G*/sin δ變化圖

由圖2a)可知，同一溫度下，G*/sinδ隨高模量外摻劑摻量的增加而增加，這與G*隨溫度升高而減小的原因一致，尤其當(dāng)摻量大于0.3%，G*/sinδ增速加快.隨著溫度的升高，G*/sinδ隨高模量外摻劑摻量的變化趨勢(shì)變緩，88 ℃曲線斜率最小，64 ℃曲線斜率最大.較低溫度時(shí)，增大高模量外摻劑摻量能顯著提高瀝青膠結(jié)料的高溫抗車轍性能.

G*/sinδ隨溫度變化的速率可用來(lái)表征瀝青感溫性，速率越大，瀝青的感溫性就越差.由圖2b)可知，不同高模量外摻劑摻量瀝青膠結(jié)料的G*/sinδ均隨試驗(yàn)溫度的升高逐漸減小，即瀝青膠結(jié)料的高溫抗車轍性能隨溫度升高而降低.隨著高模量外摻劑摻量的增大，瀝青膠結(jié)料的感溫性能變差，增加高模量外摻劑摻量可提高瀝青膠結(jié)料的高溫抗永久變形能力.

2.2 不同摻量下瀝青膠結(jié)料BBR試驗(yàn)

采用BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青膠漿在低溫條件下承受連續(xù)荷載作用而不破壞的能力.BBR試驗(yàn)采用加載60 s時(shí)不同粉膠比瀝青膠漿的蠕變勁度模量(S)和蠕變速率(m)指標(biāo)研究粉膠比摻量對(duì)瀝青膠漿低溫性能的影響，還定義了低溫系數(shù)λ=S/m.其中S值越大，瀝青越硬，低溫抗裂性越差；m越大，瀝青的韌性越好，應(yīng)力松弛能力越好，在低溫環(huán)境中越不易開(kāi)裂.

試驗(yàn)測(cè)試溫度為-10 ℃，測(cè)試溫度精確至±0.1 ℃.采用瀝青樣品在加載60 s時(shí)測(cè)定的蠕變勁度模量(S)、蠕變速率(m)，以及低溫系數(shù)λ=S/m等指標(biāo)研究不同高模量外摻劑摻量下瀝青膠結(jié)料的低溫流變性能.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～4.

圖3 不同摻量下BBR試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同摻量下瀝青膠結(jié)料低溫系數(shù)

由圖3～4可知，隨著高模量外摻劑摻量的增加，蠕變勁度模量S和低溫系數(shù)λ逐漸增大，摻量大于0.4%時(shí)增速顯著；蠕變斜率m逐漸減小，在摻量大于0.4%下降明顯.表明高模量外摻劑的加入增大了瀝青的剛度，降低了柔韌性，導(dǎo)致瀝青膠漿變的硬、脆.隨著摻量增加，瀝青膠結(jié)料越硬，低溫抗裂性越差，開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)逐漸升高，且在摻量大于0.4%低溫性能顯著降低.

因此，針對(duì)華南地區(qū)的氣候特點(diǎn)，為了保證添加高模量外摻劑后瀝青膠結(jié)料的低溫抗裂性良好，高模量外摻劑摻量應(yīng)小于0.5%.

綜合圖1～2可知，不同溫度下瀝青膠結(jié)料的高溫性能隨高模量外摻劑摻量變化的規(guī)律是類似的，當(dāng)高模量外摻劑摻量為0%～0.3%，瀝青膠結(jié)料高溫性平穩(wěn)上升，兩者呈線性關(guān)系.當(dāng)高模量外摻劑摻量大于0.3%時(shí)，其高溫性能上升明顯，因此為了保證瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性，建議高模量外摻劑摻量應(yīng)大于0.3%；綜合圖3～4可知，隨著高模量外摻劑摻量的增加，低溫抗裂性越差，在摻量大于0.4%低溫性能顯著降低，因此，為了保證瀝青膠結(jié)料具有一定的抗變形能力，高模量外摻劑摻量不能過(guò)大，應(yīng)小于0.5%.

綜合以上分析結(jié)果，為了保證添加高模量外摻劑的瀝青膠結(jié)料高、低溫性能，建議高模量外摻劑摻量為0.4%.

3 瀝青混合料改性機(jī)理分析

RK300高模量改性劑在瀝青混合料中的作用機(jī)理如下.

1) RK300高模量改性劑的基材為加熱后具有高流動(dòng)性的線型高分子量聚合物，結(jié)合超分散劑組分，在高溫下通過(guò)短時(shí)間拌和即可達(dá)到微米級(jí)均勻分散于瀝青膠漿中，見(jiàn)圖5.瀝青本身都是低相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)化合物，受壓力和高溫作用后小分子鏈極易發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使其本身的抗張強(qiáng)度和模量低，不耐壓力和高溫作用；改性劑中高分子量聚合物的引入在分散劑組分的作用下，可以與瀝青分子鏈形成高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制瀝青小分子鏈的運(yùn)動(dòng)，提升瀝青的強(qiáng)度和模量，從而大幅提高瀝青混合料的模量和高溫性能.

2) RK300高模量改性劑含有極性接枝共聚物組分，具有分別可以和瀝青相容的主鏈，同時(shí)具有可以和集料結(jié)合的極性側(cè)鏈，從而能夠在集料表面和瀝青之間形成聚合物鏈接，增加瀝青與集料的粘結(jié)性.

圖5 RK高模量改性劑在瀝青混合料分布SEM圖像(拌和10 s)

4 混合料性能驗(yàn)證

目前國(guó)際上公認(rèn)高溫性能評(píng)價(jià)方法是與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際路用性能關(guān)聯(lián)性很高的漢堡車轍試驗(yàn)[8-9].因此本節(jié)采用漢堡車轍儀對(duì)60 ℃下試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，混合料采用廣東地區(qū)常用的GAC-16，級(jí)配見(jiàn)表4.

表4 GAC-16瀝青混合料合成礦料級(jí)配組成

(mm)/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07598.378.854.733.623.615.512.38.97.15.595～10065～8547～6828～4618～3515～2912～238～186～134～8

試件成型采用配套的線性揉搓漢堡成型機(jī)，試件尺寸為400 mm×300 mm×50 mm，空隙率為(4±0.5)%.通過(guò)在47 mm寬的鋼輪上施加705 N(0.7 MPa)的力完成對(duì)試件的加載，然后鋼輪在板塊試件上做往復(fù)運(yùn)動(dòng).試件加載直至鋼輪達(dá)到20 000次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)或者直到產(chǎn)生20 mm的變形為止.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 不同摻量60 ℃下漢堡和浸水漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖6a)可知，60 ℃試驗(yàn)溫度下，添加高模量外摻劑后，車轍深度顯著降低，經(jīng)歷20 000個(gè)往返后，車轍深度排序?yàn)椋?.5%<0.4%<0.3%<0.0%.通過(guò)比較15 000～20 000次往返后車轍深度可以發(fā)現(xiàn)，摻量為0.3%與其他兩種摻量車轍深度相差1.0 mm；而摻量為0.4%和0.5%時(shí)，兩種摻量下車轍深度相差很小，僅相差0.25 mm，并不足以判斷最佳摻量.

由圖6b)知，浸水試驗(yàn)條件加快車轍深度的產(chǎn)生，經(jīng)歷10 000個(gè)往返后，車轍深度排序?yàn)椋?.5%<0.4%<0.3%<0.0%.發(fā)展規(guī)律同60 ℃空氣浴條件，但三種摻量下車轍深度相差1.0 mm，此時(shí)可以明顯區(qū)分不同摻量下在水-溫耦合作用下車轍深度.因此僅靠60 ℃漢堡車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)添加高模量外摻劑的混合料的抗車轍性能具有一定局限性，建議適當(dāng)采取更苛刻的試驗(yàn)條件儀準(zhǔn)確區(qū)別添加高模量外摻劑的瀝青混合料高溫性能.

因此綜合上節(jié)瀝青膠結(jié)料推薦摻量范圍可以判斷0.4%的高模量外摻劑摻量為該級(jí)配的最佳摻量.

5 結(jié) 論

1) 隨著高模量外摻劑摻量的增加，復(fù)數(shù)模量G*和車轍因子G*/sinδ隨之增大，相位角δ逐漸減??；蠕變勁度模量S和低溫系數(shù)λ逐漸增大，蠕變斜率m逐漸減小.

2) 為了保證瀝青膠結(jié)料的高、低溫穩(wěn)定性，建議高模量外摻劑摻量應(yīng)為0.4%.

3) 外摻劑中高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物在分散劑組分的作用下，可以與瀝青分子鏈形成高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升瀝青的強(qiáng)度和模量，且能夠在集料表面和瀝青之間形成聚合物鏈接，增加瀝青與集料的黏結(jié)性，從而大幅提高瀝青混合料的模量和高溫性能.

4) 60 ℃漢堡車轍試驗(yàn)表明添加高模量外摻劑后，車轍深度顯著降低.綜合各因素考慮判斷0.4%的高模量外摻劑摻量為該級(jí)配的最佳摻量.