聚丙烯改性劑對(duì)瀝青混合料水敏性的熱力學(xué)探究

洪勇

(如皋市交通運(yùn)輸局，江蘇 如皋 226500)

瀝青混合料水損害可以定義為瀝青混合料由于水分的影響而喪失強(qiáng)度和耐久性。由于路面維修和維護(hù)所帶來(lái)的高額成本，瀝青混合料中的水損害是一個(gè)被普遍關(guān)注的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，瀝青混合料發(fā)生水損害包含兩個(gè)因素，一是水分導(dǎo)致集料與瀝青的附著力和凝聚力喪失；二是由于與瀝青相比，水的黏度和表面張力較小，使得集料傾向于臨近的水，發(fā)生剝離現(xiàn)象。

在瀝青混合料中使用有機(jī)新材料是可行方法，這些材料被認(rèn)為可以減少因路面網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張、交通強(qiáng)度增加而導(dǎo)致的路面水損害現(xiàn)象。聚丙烯由于具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和抗?jié)裥粤己玫奶匦裕粡V泛應(yīng)用于道路、橋梁工程中，但已有文獻(xiàn)缺乏針對(duì)聚丙烯瀝青混合料水穩(wěn)定性能方面的內(nèi)容。該研究通過(guò)不同聚丙烯含量瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)和熱力學(xué)試驗(yàn)評(píng)價(jià)聚丙烯提高混合料抗水損害能力，以期提出將聚丙烯應(yīng)用到水分充沛地區(qū)道路工程建設(shè)中的合理建議。

一、原材料及配合比設(shè)計(jì)

（一）瀝青與集料

該研究中使用的70#瀝青，性能指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。該研究試驗(yàn)混合料采用的集料為山東石灰?guī)r，選用的礦粉為石灰?guī)r磨制。瀝青和集料的物理化學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 70#瀝青性能數(shù)據(jù)

表2 集料的物理化學(xué)性能

（二）聚丙烯

聚丙烯是目前應(yīng)用最廣泛、最基本的聚合物之一。在該研究中，聚丙烯的用量為瀝青質(zhì)量的2%和4%。要將聚丙烯添加到瀝青中，首先應(yīng)將瀝青加熱到160℃以降低黏度，提高與攪拌機(jī)中聚合物的混合均勻性；繼續(xù)以8000rpm轉(zhuǎn)速攪拌瀝青和聚丙烯6min，從而實(shí)現(xiàn)聚丙烯與瀝青拌和均勻。

（三）配合比設(shè)計(jì)

該研究在普通瀝青混合料基礎(chǔ)上摻加聚丙烯改性劑，級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 混合料級(jí)配曲線(xiàn)圖

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

該研究采用凍融劈裂試驗(yàn)研究添加聚丙烯的瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。通過(guò)將試件分為干樣品和濕樣品，然后將濕樣品置于-18℃的冷凍室中保存16h，然后保持在60℃的水浴中加熱24h，而其他樣品則保持在干燥條件下。將所有試樣置于25℃的試驗(yàn)室溫度下，對(duì)試樣進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)得到劈裂強(qiáng)度RT，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同PP用量混合料劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果

由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低，原因可能在于多次凍融循環(huán)影響了混合料內(nèi)部的黏附力或內(nèi)聚力。這是因?yàn)闃悠烽L(zhǎng)時(shí)間暴露在潮濕環(huán)境中，內(nèi)部由于水損害發(fā)生剝落。此外，添加聚丙烯可以提高混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，并且隨著聚丙烯的用量提升混合料的強(qiáng)度也隨之提高，表明聚丙烯作為防剝離材料會(huì)增加混合料的附著力和凝聚力。

由圖3可知，聚丙烯瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度比（TSR），隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，逐漸呈下降趨勢(shì)。瀝青混合料的水穩(wěn)定性能與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與實(shí)際情況相符合。同時(shí)，任意PP用量下，添加聚丙烯材料對(duì)試件劈裂抗拉強(qiáng)度有積極作用；添加2%的聚丙烯可以顯著增加試件的TSR值；與2%聚丙烯用量相比，4%用量下對(duì)于TSR值的提升并不顯著，這說(shuō)明盲目提升聚丙烯的用量是不合適的，因?yàn)榛旌狭铣杀緯?huì)隨著聚丙烯用量而增加，而且與2%聚丙烯用量制成的樣品相比，更高用量的聚丙烯對(duì)于提高抗?jié)駬p性的作用較小。因此，添加2%聚丙烯可作為混合料的最佳摻入量。

（二）熱力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

本文通過(guò)表面張力儀設(shè)備測(cè)定不同PP改性瀝青和混合料的試驗(yàn)參數(shù)，熱力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 70#和改性瀝青的SFE試驗(yàn)結(jié)果

表4 混合料發(fā)生剝離時(shí)的剝離能

由表3可知，使用PP降低了瀝青的接觸角，使得PP改性后的瀝青可以更好地覆蓋集料。PP作為聚合物具有極性特征，而主要由碳?xì)渲胤肿咏M成的瀝青具有較低的極性活動(dòng)和較高的非極性特征。PP提高了非極性表面自由能，而非極性成分的增加會(huì)使集料與瀝青之間的共價(jià)和非極性連接在水分影響下不易被破壞，從而提高混合料的抗水損害能力。通過(guò)酸、堿性表面自由能結(jié)果，PP改性瀝青表現(xiàn)出較高的酸性，從而增加了其與堿性集料之間的黏附性，當(dāng)與堿性集料混合時(shí)可以表征出較好的裹覆效果。

在瀝青混合料發(fā)生剝離時(shí)，所需要的剝離能同樣是影響混合料抗水損害能力的重要因素。剝離能是指混合料內(nèi)部瀝青從集料表面分離所需的能量，不同PP用量混合料發(fā)生剝離時(shí)的剝離能如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，剝離能與集料與瀝青間自由黏附能成正相關(guān)特性，且隨PP用量的增加剝離能也隨之提高。2%PP混合料剝離能較對(duì)照組提高了10.8%，而4%PP混合料相較于2%剝離能提高了0.5%，這表明PP的較佳用量為2%，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)對(duì)剝離能的提升效果較低。

三、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，聚丙烯改性試件表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗水損害能力。與對(duì)照樣品相比，使用2%的聚丙烯材料可以顯著提高瀝青混合料的抗水損害能力。同時(shí)，4%的聚丙烯用量可以進(jìn)一步提高瀝青混合料的抗水損害能力，但添加2%和4%聚丙烯的樣品之間差異不明顯。

聚丙烯作為瀝青混合料的防剝離材料可以增加混合料中的黏附力和凝聚力，減少集料與瀝青之間的剝離。2%PP混合料剝離能較對(duì)照組提高了10.8%，而4%PP混合料相較于2%剝離能提高了0.5%。PP的較佳用量為2%，當(dāng)超過(guò)這個(gè)值時(shí)對(duì)剝離能的提升效果較低。

因此，在瀝青混合料中推薦使用2%的聚丙烯作為抗剝落劑的最佳用量。