瀝青混合料低溫抗裂性能提升方法綜述

劉益豐 沈菊男 丁 燦

(蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

在各種路面病害中，低溫開裂是一種比較突出的路面病害形式。低溫開裂是由于在溫度降低時，瀝青路面中將會產(chǎn)生溫度應力，而在低溫下瀝青路面的應力松弛較差，當溫度收縮應力超過瀝青混合料的抗拉強度，又不能通過應力松弛將溫度收縮應力釋放掉時，將在路面上產(chǎn)生裂縫[1]。裂縫產(chǎn)生后，隨著車輛荷載或地基沉降等因素的作用，裂縫將會不斷地擴展，最終導致路面結(jié)構(gòu)的破壞，降低路面的使用壽命，增加維護費用的同時也影響行車安全性和舒適性。為了避免路面結(jié)構(gòu)在低溫下產(chǎn)生開裂，在路面設計時就需要做好對路面低溫開裂的預防，對材料的低溫抗裂性能進行評定，并進行低溫抗裂性能試驗[2]。目前常用的提升瀝青混合料低溫性能的方法主要是通過摻加纖維材料、納米材料、生物材料等，對瀝青或?qū)旌狭线M行改性，提升瀝青混合料的低溫性能。本文綜述了近年來國內(nèi)相關(guān)學者進行的試驗研究，對試驗材料、試驗方法和試驗效果等進行比較，為未來深入研究提供參考。

2 對瀝青的改性

瀝青的性能在一定程度上影響著瀝青混合料的性能，為了使瀝青路面獲得更好的低溫抗裂性能，可對瀝青進行改性。常見的對瀝青進行改性的材料有納米材料、增塑劑以及采用生物瀝青來進行協(xié)同改性等。納米材料因為比表面積較大，具有較高的表面活化能，也具有良好的表面效應和量子尺寸效應，能夠與瀝青有效地結(jié)合，從微觀尺度上改善瀝青的各項性能。近年來，已經(jīng)有越來越多的研究者通過添加納米材料來改善瀝青的性能[3-5]。增塑劑作為塑料橡膠制品的助劑，可以改善聚合物的柔韌性、拉伸性及抗沖擊性，提升低溫抗裂性能，并且具有價格低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點，不會對人體或環(huán)境造成危害。生物瀝青是由生物油升級和處理后制得的一種具有可再生、環(huán)境友好等特點的瀝青[6]，可替代部分石油基瀝青。它們都可作為改性材料，提升瀝青的低溫性能。

陳淵召等[7]在瀝青中摻加納米氧化鋅，制備級配為AC-13的瀝青混合料，比較納米氧化鋅摻量為0%，1%，4%，7%的瀝青混合料的低溫性能。試驗結(jié)果表明，隨著納米氧化鋅摻量的增加，彎曲勁度模量表現(xiàn)出下降的趨勢，最大彎拉應變表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，如圖1所示。這與改性瀝青三大指標所反映出的結(jié)果相一致。3種摻量的納米氧化鋅均能改善其改性瀝青混合料的低溫性能，從性能提高幅度的角度看，納米氧化鋅的最佳摻量是4%，此時的彎拉應變?yōu)? 367.2 με。

江鋒[8]研究了用納米SiC對基質(zhì)瀝青進行改性，進而對瀝青混合料低溫性能產(chǎn)生的影響。選用的納米SiC摻量為0，2%，4%，6%，8%，10%，在基質(zhì)瀝青中以160 ℃剪切60 min，制備成納米SiC改性瀝青。對各組改性瀝青進行延度試驗發(fā)現(xiàn)，隨著納米SiC摻量的增加，延度呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。由于納米SiC是一種無機剛性的納米粒子，在受力時不會產(chǎn)生較大的形變。因此在納米SiC含量較高時，納米SiC與瀝青會發(fā)生脫黏現(xiàn)象，從而產(chǎn)生應力集中，進而在瀝青中出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，這也是改性瀝青延度隨納米SiC摻量的增加出現(xiàn)先增大后減小現(xiàn)象的主要原因。接著用6種納米SiC摻量的瀝青制備級配為AC-20的瀝青混合料，進行低溫小梁彎曲試驗。結(jié)果表明，隨納米SiC摻量的增大，抗彎拉強度與最大彎拉應變均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在摻量為4%時獲得最大值，此時的彎拉應變?yōu)? 740.4 με，如圖2所示。這主要是因為納米SiC能夠與瀝青產(chǎn)生良好的界面效應，從而提高瀝青黏度，降低其溫度敏感性，表現(xiàn)為抗彎拉強度及最大彎拉應變的提高。

季坤等[9]分析了生物瀝青(Bio)和特立尼達湖瀝青(TLA)對基質(zhì)瀝青與瀝青混合料的協(xié)同改性作用，并研究了級配為AC-16的瀝青混合料的低溫性能。研究發(fā)現(xiàn)，摻加TLA可顯著減小復合改性瀝青的蠕變?nèi)崃亢歪樔攵?，同時增大復合改性瀝青的抗車轍因子和軟化點。摻加Bio可顯著增大瀝青的蠕變斜率和5 ℃延度，降低蠕變勁度模量，改善瀝青的低溫流變性能。通過低溫小梁彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，在基質(zhì)瀝青中添加40%Bio和30%TLA后制備成復合改性瀝青混合料，-10 ℃下的彎曲應變達到了4 171.5 με，具有優(yōu)異的低溫抗裂性能。將Bio與TLA復配，不僅實現(xiàn)了瀝青混合料較好的低溫性能，也同樣具備較好的高溫性能與水穩(wěn)定性。

傅珍等[10]采用環(huán)保型增塑劑環(huán)己烷二甲酸二異丁酯(DIBCH)對基質(zhì)瀝青進行改性，研究改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。這種增塑劑可以改善聚合物的熱變形能力及低溫柔韌性能，且具有成本低、相容性好等特點，是一種綠色清潔、成本低廉。DIBCH改性劑的摻量選擇為0,1.5%,2%,2.5%,3%，試驗結(jié)果表明，最大彎拉應變隨增塑劑摻量增大而逐漸提高，當將DIBCH摻量提高到3%時，最大彎拉應變較基質(zhì)瀝青提高了42.5%，且此時抗彎拉強度達到最大值，在原基礎上提高了16.5%。改性瀝青混合料彎曲勁度模量隨增塑劑摻量的增大出現(xiàn)不同程度的降低，這說明通過DIBCH改性后，瀝青混合料較基質(zhì)瀝青混合料其低溫抗裂性能有所提升。

研究表明，對瀝青采用不同的改性方法均可提升瀝青混合料的低溫抗裂性能。納米材料通過高速剪切后均勻的分散在瀝青中，可以從微觀層面提升瀝青的低溫性能，進而提升瀝青混合料在低溫下的抗開裂能力。常用的納米改性材料有納米氧化鋅、納米碳化硅、納米碳酸鈣和納米二氧化鈦等，它們都對瀝青的性能起到一定的提升作用。不同的納米材料一般都具有一個最佳摻量，使得瀝青和瀝青混合料具有最佳的低溫抗裂能力。根據(jù)已有的研究成果，納米氧化鋅和納米碳化硅的最佳摻量一般均為4%。納米材料的成本相對較高，若在道路工程中廣泛采用納米改性瀝青，將大幅提高工程造價。增塑劑在改善瀝青及瀝青混合料柔韌性的同時，具備綠色環(huán)保、價格低廉等優(yōu)勢，其最佳摻量一般為3%，此時瀝青混合料通過低溫小梁彎曲試驗表現(xiàn)出的彎拉應變值與納米改性材料制成的瀝青混合料相當，達到3 000 με，而用生物瀝青進行調(diào)和后的改性瀝青其值可以達到4 000 με，遠高于通過納米材料和增塑劑進行改性的瀝青混合料。

根據(jù)已有的研究成果，為了使瀝青混合料獲得更好的低溫抗裂性能，可從以下方面針對瀝青進行改性：

1)使用納米材料對瀝青進行改性，納米材料的摻量可選為4%。納米材料可從微觀層面通過表面效應和量子尺寸效應充分與瀝青結(jié)合，增強低溫性能，降低瀝青混合料在低溫條件下開裂的可能性；

2)使用增塑劑對瀝青進行改性，增塑劑的摻量可選為3%。由于增塑劑易與瀝青相混相容，因此其提升瀝青混合料低溫性能的效果更容易得到保證。同時增塑劑還具有綠色清潔和成本低廉等優(yōu)點；

3)使用生物瀝青和基質(zhì)瀝青進行復配，復配比例可選為1∶1。生物瀝青的成分可以改善瀝青的蠕變勁度模量和低溫流變性能，從而提高瀝青混合料的低溫柔韌性和抗裂性；

4)在采用生物瀝青和基質(zhì)瀝青進行復配的同時，加入納米材料或增塑劑進行進一步的改性。

但已有的研究成果還不足以解決以下問題：由于納米材料和增塑劑的種類眾多，不同的納米材料和增塑劑是否可以通過協(xié)同改性進一步提升瀝青和混合料的低溫性能，以及在提升低溫性能的同時，是否會損失其高溫性能；生物瀝青的原材料選取、制備過程、復配工藝和復配比例等尚不夠明確和完善。這些疑問還有待更深入的研究。

3 對瀝青混合料的改性

除了針對瀝青進行改性外，直接提升瀝青混合料在低溫下的柔韌性也是延緩路面出現(xiàn)裂縫的方法之一[11]，而加入不同種類和摻量的纖維可以不同程度地增強瀝青混合料的低溫變形能力，這是一種通過對混合料進行改性的辦法。由于添加纖維可以增大瀝青混合料吸附的瀝青量，纖維通常與集料一同拌合，使其均勻分散在集料中，起到一定的加筋的作用，增強韌性，從而提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。近年來，有關(guān)學者研究了在不同級配的瀝青混合料中摻加聚酯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等對其低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)當瀝青混合料的最大粒徑越小時，纖維對混合料的改性效果越明顯，通過-10 ℃下的低溫小梁彎曲試驗測得的彎拉應變最大值通常均大于3 000 με。

陳奕琛等[12]研究了不同摻量的聚酯纖維對瀝青混合料低溫性能的影響。通過低溫彎曲試驗，研究聚酯纖維摻量為0，0.25%，0.35%，0.45%時的最大彎拉應變和勁度模量的變化規(guī)律。試驗表明，隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎拉應變也隨之增加。當聚酯纖維摻量為0.45%時，最大彎拉應變和抗彎拉強度均達到最大，而當摻量為0.35%時，勁度模量最小，這說明當采用不同的評價指標時，可能得出不同的纖維最佳摻量。

顧倩儷等[13]在SMA-13,SUP-20,SUP-25三種級配的瀝青混合料中摻入玄武巖纖維，通過低溫小梁彎曲試驗來判定瀝青混合料的低溫抗裂性能。試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維對瀝青混合料低溫抗裂性能有明顯提升效果，并且由于礦料級配的不同，纖維對瀝青混合料的低溫性能的提升效果也有所不同。隨著最大粒徑的降低，其抗彎拉強度逐漸增大，如圖3所示。其中SMA-13級配瀝青混合料的提升效果最好，并得出了以破壞應變或勁度模量作為評價低溫性能的指標時結(jié)果相一致的結(jié)論。

王鋒[14]通過對摻加玻璃纖維的AC-13級配瀝青混合料進行低溫小梁彎曲試驗，研究玻璃纖維對瀝青混合料低溫性能的影響，所選取的玻璃纖維長度為12 mm，摻量為0,0.1%,0.2%,0.3%。試驗結(jié)果表明，玻璃纖維對瀝青混合料的抗彎拉強度無明顯影響，而隨著玻璃纖維摻量的增加，最大彎拉應變呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并在摻量為0.2%時達到最大，與不摻加時相比提升了21%，如圖4所示。當摻量較小時玻璃纖維在瀝青混合料中的分散性較好，能夠與瀝青形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到加筋、增韌阻裂的作用，從而提高瀝青混合料的低溫抗裂性。當摻量過大時，玻璃纖維的分散性差，在瀝青混合料中出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，產(chǎn)生應力集中，從而削弱了混合料低溫時抵抗開裂的能力。

研究表明，摻加不同的纖維如聚酯纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維等，都可以增加集料吸附的瀝青數(shù)量，增加瀝青包裹集料的厚度，提高柔韌性，增強低溫下的抗彎拉強度。由于不同類型的纖維其本身的強度、韌性以及吸油性均有所不同，因此不同類型纖維的最佳摻量也有所差異，該值與纖維的種類以及評價方法有關(guān)，根據(jù)已有研究成果，纖維的最佳摻量通常為以下值：木質(zhì)素纖維為0.5%，聚酯纖維為0.4%，玄武巖纖維為0.4%，玻璃纖維為0.2%。同一摻量下的同種纖維對不同級配的瀝青混合料也會起到不同的低溫增強效果，當級配中最大粒徑越小時，集料的比表面積越小，所需要的瀝青越多，瀝青膜的厚度越大，具有更好的彈性和韌性，纖維提高瀝青混合料的低溫抗裂能力也越大。

根據(jù)已有的研究成果，為了使瀝青混合料獲得更好的低溫抗裂性能，可從以下方面針對瀝青混合料進行改性：

1)使用纖維對瀝青混合料進行改性，摻量根據(jù)纖維種類進行選擇。在集料拌合過程中投入纖維一同攪拌，使纖維均勻地分散在集料中，再投入瀝青，可增加瀝青的用量，并使瀝青充分、均勻地包裹集料和纖維，提升瀝青混合料在低溫下抗開裂性能；

2)使用最大粒徑較小的級配，如SMA-10或SMA-13等。在相同情況下，集料的粒徑越小，比表面積越大，所需要的用來包裹集料的瀝青也越多，瀝青膜的厚度越大，勁度模量降低，具備更強的低溫韌性。

但已有的研究成果還缺乏針對同一級配采用不同纖維時的改性效果的研究，沒有形成系統(tǒng)的同級配比較，從而得出不同纖維提升瀝青混合料低溫性能的能力強弱，而用不同級配的瀝青混合料來相互比較纖維對其低溫抗裂能力的影響是不嚴謹?shù)?。除了常用的纖維材料外，是否還有其他性能優(yōu)異、價格低廉的纖維材料也值得進一步探尋。

4 結(jié)語

瀝青混合料的低溫性能一直是各位學者研究的重點領域。不論是北方還是南方地區(qū)，都需要考慮瀝青混合料的低溫性能，避免在冬季寒冷季節(jié)因溫度應力過大，導致瀝青路面開裂，影響路面結(jié)構(gòu)的正常使用。改善瀝青混合料低溫性能的方式有很多種，如采用納米材料、增塑劑、生物材料對瀝青進行改性，以及采用纖維材料對混合料進行改性等。但已有研究都還存在一些尚不完善的地方，如不同改性材料和改性方式是否可以協(xié)同改性，在提升瀝青混合料低溫性能的同時，是否會對其他性能造成損害等，都還有待通過更多的試驗研究來得出結(jié)論。在實際工程應用中，根據(jù)實際情況，綜合考慮改性效果、難易程度、綠色節(jié)能和經(jīng)濟效益，優(yōu)選出一種適于大范圍推廣使用的瀝青混合料低溫抗裂性能改性方式，將是未來需要繼續(xù)深入研究的方向。