PE／TLA復(fù)合改性高模量瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特性

劉艷雄，郭朋朋，栗 威

（1.河南省公路工程局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450006；2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450009；3.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450006；4.長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410076）

0 引 言

隨著中國(guó)高速公路建設(shè)規(guī)模與日俱增，超載現(xiàn)象及交通渠化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，瀝青路面的耐久性能在現(xiàn)代交通運(yùn)輸發(fā)展過(guò)程中經(jīng)受著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

針對(duì)瀝青路面材料結(jié)構(gòu)特性及抗車轍性能等問(wèn)題，法國(guó)率先研究了高模量硬質(zhì)瀝青抗車轍路面并形成了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。近年來(lái)，中國(guó)科研工作者對(duì)高模量瀝青混合料的研究也逐漸重視起來(lái)，但仍處于初期階段，對(duì)高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的材料組成和性能評(píng)價(jià)缺乏系統(tǒng)的了解。鄒桂蓮等［1］提出了抗水損害的硬質(zhì)改性瀝青，并對(duì)其路用性能進(jìn)行了研究，提出了改善水穩(wěn)定性能的具體方法。王昊鵬等［2］采用DSR流變儀分析了高模量瀝青結(jié)合料的高溫性能，并提出了采用改進(jìn)型車轍因子和等抗車轍因子臨界溫度評(píng)價(jià)高模量改性瀝青的抗車轍能力。沙愛(ài)民、周慶華等［3－5］分析了法國(guó)高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法與中國(guó)方法在級(jí)配類型、成型方法、配合比設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證試驗(yàn)等方面的差異，針對(duì)高模量瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出增加力學(xué)性能試驗(yàn)作為高模量瀝青混合料的性能驗(yàn)證項(xiàng)目。王忠鋒、崔華杰等［6－7］分析了硬質(zhì)瀝青、湖瀝青制備高模量改性瀝青的技術(shù)工藝，提出采用小梁彎曲試驗(yàn)和J積分試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能。

本文通過(guò)對(duì)PR高模量瀝青添加劑和自主研發(fā)的PE／TLA添加劑進(jìn)行對(duì)比，采用不同的試驗(yàn)方法對(duì)PE／TLA高模量瀝青混合料結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究，分析溫度、頻率、應(yīng)變水平等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響規(guī)律，并驗(yàn)證路用性能，為高模量瀝青添加劑的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 原材料的選擇

試驗(yàn)選擇殼牌70?；|(zhì)瀝青作為基質(zhì)瀝青，添加劑分別選擇湖瀝青（TLA）、SBS改性劑、PE改性劑，以及法國(guó)PRR改性劑，以制備成品高模量瀝青，其各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的相關(guān)要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～3。集料選擇花崗巖，礦粉以石灰?guī)r研磨而成，其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方案

本文通過(guò)采用不同類型改性劑材料生產(chǎn)高模量瀝青，并對(duì)其進(jìn)行路用性能研究，具體方案如下。

（1）高模量瀝青制備。采用濕法制備高模量瀝青，首先將基質(zhì)瀝青加熱至160℃～170℃，選擇高速剪切乳化機(jī)保持轉(zhuǎn)速15 000～20 000r·mim－1持續(xù)剪切60min，剪切攪拌過(guò)程中均勻加入PE、TLA等添加劑（5～10min完成），剪切溫度可依據(jù)瀝青流動(dòng)狀態(tài)提高5℃～10℃；剪切攪拌完成后，置于烘箱中恒溫100℃～120℃靜態(tài)發(fā)育30min。

表1 TLA技術(shù)指標(biāo)

表2 PR和PE技術(shù)指標(biāo)

表3 SBS改性劑（星型）技術(shù)指標(biāo)

（2）選擇瀝青路面中面層結(jié)構(gòu)，以AC-20為研究對(duì)象，合成級(jí)配見(jiàn)表4。試件采用馬歇爾試驗(yàn)方法成型，拌合溫度為175℃～180℃，攪拌時(shí)間為70 s，成型溫度控制在170℃～175℃。

（3）試驗(yàn)方法選擇。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，本文選擇靜態(tài)模量和動(dòng)態(tài)模量指標(biāo)評(píng)價(jià)混合料的高模量特性，利用最大彎拉應(yīng)變指標(biāo)評(píng)價(jià)低溫抗裂性能，根據(jù)疲勞作用次數(shù)指標(biāo)分析抗疲勞效果，利用累積總變形指標(biāo)和殘留強(qiáng)度指標(biāo)分析高溫抗車轍性能、水穩(wěn)定性能。

表4 AC-20級(jí)配設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓回彈模量分析

通過(guò)對(duì)高模量瀝青混合料的抗壓回彈模量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)3種材料的結(jié)構(gòu)特性。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、2。

圖1 抗壓回彈模量與動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 三種高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量變化（60℃）

由圖1、2可知以下幾點(diǎn)。

（1）高模量瀝青混合料的抗壓回彈模量和動(dòng)態(tài)模量值均高于SBS改性瀝青混合料，其中摻加PE／TLA改性劑的瀝青混合料模量值大于PR改性瀝青。這說(shuō)明采用自主研發(fā)的高模量添加劑能夠使基質(zhì)瀝青改性達(dá)到高模量瀝青的技術(shù)要求，且材料結(jié)構(gòu)的模量值高于PR改性瀝青。PE／TLA高模量瀝青混合料的抗壓回彈模量和動(dòng)態(tài)模量值相較于SBS改性瀝青提高了約47%和46%（15℃）；隨著溫度的升高，抗壓回彈模量呈下降趨勢(shì)，其中SBS改性瀝青混合料降低幅度最大，PR改性瀝青次之，PE／TLA最小。這說(shuō)明PE／TLA高模量瀝青混合料受溫度影響較小。

（2）隨頻率的增加，高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量值呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增加，即在車輛速度增加的過(guò)程中，高模量瀝青混合料的性能接近于彈性，其模量值較高；當(dāng)頻率降低（車速下降），高模量瀝青混合料的模量較低，材料接近黏性，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生不利影響［8］。其中，SBS改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量值變化幅度較大，PE／TLA改性瀝青和PR改性瀝青的模量值變化較為均衡，且PE／TLA改性瀝青的動(dòng)態(tài)模量值高于PR改性瀝青。如，荷載作用頻率在1Hz時(shí)，PE／TLA改性瀝青的動(dòng)態(tài)模量值是SBS改性瀝青的6.18倍，是PR改性瀝青的4.77倍。由此可知，PE／TLA高模量瀝青混合料的高溫抵抗變形能力優(yōu)于PR高模量瀝青混合料。

2.2 低溫抗裂分析

本文采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)高模量瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，溫度選擇－10℃，加載速率為50mm·min－1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。分析圖3可知以下幾點(diǎn)。

圖3 最大彎拉應(yīng)變和極限勁度模量試驗(yàn)結(jié)果

（1）高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能低于SBS改性瀝青混合料，PE／TLA和PR改性劑一定程度上降低了混合料的低溫性能，PE／TLA瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變降低約5.2%，PR混合料降低約9.5%，但二者的最大彎拉應(yīng)變值仍滿足規(guī)范要求。這主要因?yàn)镻E改性劑與瀝青中的石蠟基具有良好的相溶性，而湖瀝青（TLA）的加入一定程度上也提高了瀝青的剛度，降低了瀝青混合料的低溫韌性。

（2）與彎拉應(yīng)變指標(biāo)相比，極限勁度模量的劣化程度更為顯著，尤其對(duì)于PR高模量瀝青混合料，其勁度模量值降低了46.7%，而PE／TLA瀝青混合料降低了約11%。這說(shuō)明采用自主研發(fā)復(fù)合改性劑PE／TLA的高模量瀝青混合料的低溫抗裂性優(yōu)于PR高模量瀝青混合料。

2.3 疲勞-累積耗散能分析

以瀝青混合料的疲勞性能作為推薦耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的重要參考之一，對(duì)路面結(jié)構(gòu)中、長(zhǎng)期性能進(jìn)行研究［9－11］。試驗(yàn)荷載作用頻率選擇10Hz（模擬行車速度60～65km·h－1），溫度為15℃，應(yīng)變水平分別為200、400、600（10－6），以勁度模量劣化降低到初始值的50%作為疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、5。

圖4 累積耗散能指標(biāo)與應(yīng)變的關(guān)系曲線

圖5 累積耗散能和疲勞作用次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由圖4、5可知以下幾點(diǎn)。

（1）高模量改性劑對(duì)瀝青混合料累積耗散能影響顯著，摻加PE／TLA的高模量瀝青混合料累積耗散能值最大，SBS瀝青混合料次之，PR高模量瀝青混合料最小。這說(shuō)明摻加改性劑提高了瀝青混合料的累積耗散能。與SBS瀝青混合料相比，PE／TLA高模量瀝青混合料的累積耗散能提高了約80.5%。

（2）SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命最佳，PR高模量瀝青混合料最差，摻加高模量改性劑降低了瀝青混合料的抗疲勞性能，疲勞壽命作用次數(shù)顯著降低；與SBS改性瀝青相比，PE／TLA和PR瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)分別降低了6.5%和23.5%。

（3）隨應(yīng)變?cè)黾?，累積耗散能呈冪函數(shù)關(guān)系下降。其中，PE／TLA高模量瀝青混合料的劣化程度最為顯著，降低了約83.6%，PR高模量瀝青混合料降低約82.8%，SBS改性瀝青混合料降低了78.0%，由此可見(jiàn)高模量瀝青混合料受應(yīng)變劣化效果更為顯著。

2.4 高溫累積變形分析

鑒于高模量瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，為辨析溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響，溫度選擇60℃、70℃，采用累積變形指標(biāo)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知以下幾點(diǎn)。

圖6 不同溫度下累積變形隨作用次數(shù)變化

（1）高模量添加劑種類、溫度及作用次數(shù)等因素均對(duì)混合料累積變形產(chǎn)生顯著影響，隨作用次數(shù)的增加，瀝青混合料累積變形呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系增加；隨溫度的增加，累積變形值呈下降趨勢(shì)。其中，SBS改性瀝青混合料累積變形值最大，PR瀝青混合料次之，PE／TLA瀝青混合料最小，作用次數(shù)為3 500次時(shí)，3種瀝青混合料累積變形值分別為1.55、1.3、1.08mm。

（2）PE／TLA高模量瀝青混合料受作用次數(shù)影響幅度最大，PR瀝青混合料次之，SBS瀝青混合料最小。這說(shuō)明PE／TLA瀝青混合料對(duì)荷載作用頻率具有較強(qiáng)的敏感性，作用次數(shù)為3 500次時(shí)的累積變形值分別提高了120%、88%和55%（60℃）。

（3）隨溫度的增加，SBS改性瀝青混合料的累積變形所受影響較大，PR瀝青混合料次之，PE／TLA瀝青混合料最小。70℃時(shí)，3種瀝青混合料的累積變形值分別提高了167%、158%和143%。這說(shuō)明高模量改性瀝青在70℃時(shí)仍具有較高的抗車轍能力，累積變形值遠(yuǎn)低于SBS改性瀝青混合料，與60℃相比，累積變形值分別增加了4.67、2.67、2.0mm。

2.5 殘留強(qiáng)度比分析

選擇凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)高模量瀝青混合料的抗水損害能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，摻加高模量添加劑一定程度上降低了瀝青混合料的殘留強(qiáng)度比，劣化了水穩(wěn)定性能，其中SBS和PR混合料的殘留強(qiáng)度比較好，PE／TLA瀝青混合料的劣化程度最嚴(yán)重。PE／TLA瀝青混合料凍融劈裂后的殘留強(qiáng)度為85.6%，降低了7.3%（與SBS改性瀝青相比）。這說(shuō)明PE／TLA高模量添加劑降低了瀝青混合料抗水損害能力，但仍滿足規(guī)范要求（≥75%），建議具體施工過(guò)程中采用添加抗剝落劑等技術(shù)措施進(jìn)行改善。

圖7 殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）PE／TLA高模量添加劑顯著提高了瀝青混合料的抗壓回彈模量和動(dòng)態(tài)模量，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性能、高溫抗車轍和抗疲勞性能，對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能具有一定的劣化作用，尤其對(duì)水穩(wěn)定性能影響更為明顯，但PE／TLA高模量瀝青混合料路用性能各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（2）PE／TLA高模量瀝青混合料具有較低的溫度敏感性，隨溫度的上升，抗壓回彈模量呈緩慢下降趨勢(shì)；隨荷載作用頻率的增加，動(dòng)態(tài)模量值呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系變化；高溫累積變形隨荷載作用次數(shù)增加而顯著提高。

（3）PE／TLA高模量瀝青混合料低溫破壞所需的累積耗散能顯著增加，提高了約80.5%，而疲勞壽命作用次數(shù)有所下降（與SBS改性瀝青混合料相比）。