基于SuperPave級(jí)配設(shè)計(jì)的納米/POE改性瀝青混合料路用性能分析

楊道彪 栗威

摘要：文章采用SuperPave設(shè)計(jì)方法對(duì)納米/POE復(fù)合改性瀝青進(jìn)行礦料級(jí)配設(shè)計(jì)和路用性能驗(yàn)證。結(jié)果顯示：利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型溫度與60 ℃單軸貫入確定最佳壓實(shí)溫度范圍為150～155 ℃，采用黏溫曲線確定最佳拌和、壓實(shí)溫度范圍分別為163～170 ℃和155～160 ℃，最終確定SuperPave-20最佳拌合和壓實(shí)溫度分別為167 ℃和157 ℃；依據(jù)礦料間隙率、初始?jí)簩?shí)度指標(biāo)篩選合適的礦料級(jí)配，最佳瀝青用量為4%；納米/POE改性瀝青混合料具備良好的高溫抗車轍能力和抗水損害能力，且低溫抗裂性能也有所改善，動(dòng)穩(wěn)定度值提高約175%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高約27.3%；納米TiO2改善了基質(zhì)瀝青與POE的接觸面積，提高瀝青結(jié)構(gòu)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)狀態(tài)，既體現(xiàn)了POE的高黏、高彈特性，又避免了POE融合瀝青后降低其低溫柔性。

關(guān)鍵詞：瀝青路面、納米/POE改性瀝青、SuperPave設(shè)計(jì)方法、路用性能

中圖分類號(hào)：U416.217? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）03-0040-04

0 引言

截至2022年底，我國(guó)高速公路總里程已突破16.1萬(wàn)km，瀝青路面作為主要的路面結(jié)構(gòu)形式，占據(jù)了整個(gè)高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)的95%以上，涉及改善路用性能的新材料、新技術(shù)一直是關(guān)鍵的研究方向。

瀝青材料經(jīng)歷了從單一改性到多元化復(fù)合改性、從宏觀物理手段的簡(jiǎn)單融合階段到納米復(fù)合化學(xué)改性融合階段的發(fā)展。諸多研究人員對(duì)納米復(fù)合改性瀝青開展研究，取得不少成果。李永琴等［1］對(duì)納米TiO2/CaCO3改性瀝青混合料進(jìn)行黏彈性能分析，建立了黏度與溫度的函數(shù)關(guān)系模型。蘇曼曼［2］開展納米ZnO、TiO2、SBS、基質(zhì)瀝青復(fù)合改性研究，指出納米ZnO、TiO2材料能夠顯著改善SBS改性瀝青的高溫性能。鎖利軍等［3］研究納米TiO2改性瀝青混合料的路用性能，提出納米TiO2改性瀝青的最佳摻量為5%。關(guān)翔［4］研究指出納米ZnO/SBR改善了高溫性能、水穩(wěn)定性能和抗疲勞性能，但對(duì)低溫性能有所劣化。白祥宇等［5］研究納米OMMT/ZnO改善SBS＼SBR改性瀝青熱貯存穩(wěn)定性問(wèn)題，指出納米OMMT/ZnO能提高其熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性和抗老化性能。

由上述可知，目前研究成果多偏向納米復(fù)合材料改性及路用性能驗(yàn)證分析，仍欠缺對(duì)納米改性瀝青的高黏、高彈特性分析。本文采用SuperPave設(shè)計(jì)方法，對(duì)納米/POE材料、催化劑、基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性研究，并利用常規(guī)路用性能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，希望能為實(shí)體工程推廣應(yīng)用提供良好的技術(shù)指導(dǎo)。

1 原材料及改性瀝青制備

1.1 原材料選擇

研究選擇石灰?guī)r材質(zhì)的集料，粗集料規(guī)格為10～20 mm和5～10 mm；細(xì)集料石灰?guī)r制備機(jī)制砂；瀝青為殼牌A級(jí)70#基質(zhì)瀝青；納米材料為宣城晶瑞新材料有限公司生產(chǎn)的VK-SP30S TiO2，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1～表4。

1.2 納米/POE改性瀝青制備

聚烯烴彈性體POE具備良好的耐高溫、耐老化性能，一般用于增韌改性劑。參考工業(yè)塑料產(chǎn)品前端的雙螺桿擠出造粒工藝，對(duì)VK-SP30S與POE進(jìn)行共混雙螺桿擠出造粒，詳細(xì)制備工藝如下。

（1）將VK-SP30S與POE進(jìn)行物理混合，二者比例為3∶5；調(diào)試雙螺桿擠出機(jī)的加熱段溫度為140～155 ℃，轉(zhuǎn)速為200 r/min，按照標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行納米/POE改性劑制備，成品單個(gè)質(zhì)量約為0.02 g，灰分含量約為3.8%，密度約為0.96 g/cm3，熔融溫度為130 ℃。

（2）選取適量基質(zhì)瀝青（3～5 kg）加熱至150℃，保持熔融流淌狀態(tài)（禁止高溫老化），將納米/POE改性劑均勻緩慢地加入容器，并持續(xù)攪拌直至完全熔融（約10～15 min），添加量為瀝青質(zhì)量的5%。

（3）采用高速剪切機(jī)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行分散、剪切，加工溫度為160～165 ℃，剪切速率為7 500～8 000 r/min，剪切時(shí)間為35～40 min，整個(gè)制備過(guò)程保證溫度均勻、剪切均勻，防止老化。

2 納米/POE改性瀝青混合料SuperPave配合比設(shè)計(jì)

目前，眾多相關(guān)研究成果表明馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法的相關(guān)參數(shù)難以保證良好的路用性能，本文采用SuperPave方法對(duì)納米/POE復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

2.1 拌合與壓實(shí)溫度優(yōu)化

SuperPave設(shè)計(jì)方法采用CONTROLS 78-PV20R02型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件（拌合溫度為170 ℃），通過(guò)調(diào)整壓實(shí)溫度（130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃）成型試件，采用60 ℃標(biāo)準(zhǔn)單軸貫入試驗(yàn)進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖1所示：隨著壓實(shí)溫度的提高，抗剪強(qiáng)度呈先增加后下降的趨勢(shì)變化，抗剪強(qiáng)度存在最大值。因?yàn)榧{米/POE改性瀝青屬于非牛頓流體材料，溫度升高有利于改善瀝青膠結(jié)料的黏度，促進(jìn)混合料內(nèi)部進(jìn)一步密實(shí)，不僅壓實(shí)度得到改善，剪切強(qiáng)度也顯著增加；但當(dāng)壓實(shí)溫度進(jìn)一步提高，瀝青膠結(jié)料的黏度急劇下降，礦料之間的黏結(jié)作用隨之降低。瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度與瀝青黏度密切相關(guān)，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，納米/POE復(fù)合改性瀝青混合料的最佳壓實(shí)溫度范圍為150～155 ℃。

JTG F40—2004技術(shù)規(guī)范規(guī)定采用黏溫曲線確定瀝青混合料的拌合、壓實(shí)溫度［6］。納米/POE改性瀝青的黏度—溫度曲線如圖2所示：隨著溫度的增加，瀝青黏度值呈加速下降趨勢(shì)，依據(jù)拌和、壓實(shí)黏度范圍（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s，納米/POE改性瀝青混合料的拌和、壓實(shí)溫度范圍為163～170℃和155～160 ℃。

綜上所述，以SuperPave設(shè)計(jì)方法確定納米/POE復(fù)合改性瀝青混合料的拌和溫度為167℃、壓實(shí)溫度為157 ℃。

2.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

納米/POE改性瀝青具備了良好的高溫性能和黏附性能，有利于改善路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能和水穩(wěn)定性能，SuperPave-20一般用于中面層，通過(guò)調(diào)整單粒級(jí)用量擬合粗、中、細(xì)3種級(jí)配（如圖3所示）。

根據(jù)3種級(jí)配初步估算瀝青用量，拌合溫度為167 ℃，壓實(shí)溫度為157 ℃，設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)N為125次，結(jié)合實(shí)測(cè)的空隙率和礦料間隙率等參數(shù)，對(duì)3種級(jí)配在空隙率4%下的體積特性和壓實(shí)特性進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。級(jí)配Ⅰ細(xì)集料偏多，礦料間隙率小于13%，未滿足設(shè)計(jì)要求；級(jí)配Ⅲ瀝青用量為4.3%，初始?jí)簩?shí)度為84.2%，說(shuō)明瀝青含量偏大，集料之間瀝青油膜厚導(dǎo)致壓實(shí)度偏低。因此，選擇級(jí)配Ⅱ作為設(shè)計(jì)級(jí)配。

2.3 瀝青含量確定

依據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)選取瀝青用量為4.0%，不同瀝青用量間隔0.5%，依次為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為125次，結(jié)果見(jiàn)表6。隨著瀝青含量的增加，空隙率呈逐漸減少趨勢(shì)，在4.5%時(shí)，空隙率值僅為3.6%；礦料間隙率呈先增加后下降的趨勢(shì)變化，均滿足技術(shù)要求；依據(jù)不同體積參數(shù)與瀝青含量之間關(guān)系，空隙率4%對(duì)應(yīng)瀝青含量為4.0%。

通過(guò)對(duì)納米/POE改性瀝青混合料SuperPave設(shè)計(jì)方法分析，確定的最佳拌合與壓實(shí)溫度均能良好滿足成型試件要求，最佳瀝青含量低于馬歇爾試驗(yàn)方法，壓實(shí)度高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（與AC-20C相比）［6］。

3 納米/POE改性瀝青混合料路用性能分析

3.1 高溫抗車轍性能

車轍病害嚴(yán)重影響了路面的使用壽命，納米/POE改性瀝青具有溫度敏感性低、高溫黏度大的特性，利用60 ℃車轍試驗(yàn)驗(yàn)證其性能，以基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青作為對(duì)比組，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

（1）納米/POE改性瀝青的車轍總深度最小、基質(zhì)瀝青最大、SBS改性瀝青居中。車轍深度間接反映了瀝青路面高溫抵抗荷載作用的能力，納米/POE改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力顯著高于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，車轍總深度分別降低了約14.6%和105.6%。

（2）納米/POE改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度值最大，表明其具備良好的高溫抗車轍能力，體現(xiàn)了納米TiO2與POE材料的有效特性，納米材料的比表面積達(dá)到280 m2/g，能夠顯著增加與基質(zhì)瀝青的接觸面積，進(jìn)一步降低POE材料融入瀝青的難度，提高納米/POE改性瀝青的高溫性能。

3.2 低溫抗裂性能

瀝青路面的低溫破壞源于環(huán)境溫度驟降或溫度疲勞作用，尤其在寒冷地區(qū)，低溫破壞現(xiàn)象也是研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一。采用小梁彎曲試驗(yàn)，試件尺寸30 mm× 35 mm×250 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

（1）納米/POE改性瀝青的低溫彎拉應(yīng)變明顯高于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，表征相同環(huán)境條件下試件產(chǎn)生破壞需要較大能量，納米/POE改性瀝青膠結(jié)料在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的勁度模量顯著增加，抗彎拉收縮應(yīng)變能力變強(qiáng)。因?yàn)镻OE材料為聚乙烯彈塑性體，分子量較窄，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，與基質(zhì)瀝青融合后能顯著提高低溫抗拉伸能力。盡管POE在低溫環(huán)境下呈現(xiàn)一定的脆性，但與納米二氧化硅、基質(zhì)瀝青融合后，仍能改善其低溫性能，彎拉應(yīng)變值提高約為9.8%（與SBS相比）。

（2）納米/POE材料對(duì)低溫抗裂性能的改善效果低于高溫性能，這與POE材料的特性密切相關(guān)。對(duì)于彎曲勁度模量指標(biāo)，納米/POE改性瀝青的變化幅度較小，3種瀝青的彎曲勁度模量值相差約為124 MPa，說(shuō)明采用單一的低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)不能很好地辨析材料之間的特性。

3.3 抗水損害性能

選擇浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)納米/POE改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，依據(jù)JTG E20—2011試驗(yàn)規(guī)程中的相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)［7］，結(jié)果如圖8所示：3種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比存在較大差異，納米/POE改性瀝青的殘留穩(wěn)定度值和凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）值均在90%以上，基質(zhì)瀝青TSR值低于75%，說(shuō)明納米/POE能夠較好改善基質(zhì)瀝青的抗水損害性能，SuperPave方法對(duì)礦料粒級(jí)控制更為精確，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法關(guān)鍵篩孔浮動(dòng)較大的缺陷。相關(guān)研究表明，瀝青混合料內(nèi)部空隙是導(dǎo)致外部水分進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的關(guān)鍵因素，當(dāng)水分子結(jié)冰膨脹產(chǎn)生壓力，勢(shì)必對(duì)瀝青膠漿的黏結(jié)性能產(chǎn)生劣化效果。納米/POE改性瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間孔隙均勻穩(wěn)定，納米材料選擇為親油性，進(jìn)一步提高了POE與瀝青之間的融合效果，也增加與集料之間的黏附作用。與基質(zhì)瀝青相比，納米/POE改性瀝青的殘留穩(wěn)定度、TSR分別提高了約14.5%和27.3%。

4 結(jié)論

綜上研究及試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①結(jié)合納米/POE改性瀝青的特性，采用SuperPave方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定最佳拌和溫度為167 ℃、壓實(shí)溫度為157 ℃；4%空隙率對(duì)應(yīng)最佳瀝青用量為4.0%，與普通馬歇爾設(shè)計(jì)方法相比，降低了最佳瀝青用量。②納米/POE材料能顯著改善基質(zhì)瀝青的路用性能，納米/POE改性瀝青混合料具備良好的高溫抗車轍能力和抗水損害能力，低溫抗裂性能也有所改善，動(dòng)穩(wěn)定度值提高約175%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高約27.3%。③納米材料能夠改善基質(zhì)瀝青與POE的接觸面積，改善瀝青內(nèi)部交聯(lián)狀態(tài)，既體現(xiàn)了POE材料的高黏、高彈特性，又避免了POE融合瀝青后降低其低溫柔性。④納米/POE改性瀝青混合料的抗疲勞性能仍需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

5 參考文獻(xiàn)

［1］李永琴，張平，高學(xué)凱，等.多溫度下復(fù)合納米TiO2/CaCO3改性瀝青混合料的黏彈特性分析［J］.新型建筑材料，2021，48（6）：101-105.

［2］蘇曼曼，張洪亮，呂建偉，等.極端高溫下納米復(fù)合改性瀝青及其混合料高溫性能試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，37（3）：27-33.

［3］鎖利軍.納米SiO2改性瀝青混合料的制備及性能研究［J］.功能材料，2022，53（5）：5199-5204.

［4］關(guān)翔.納米ZnO/SBR改性瀝青混合料性能研究［J］. 公路交通技術(shù)，2021，37（3）：28-33.

［5］白翔宇，呂娜.OMMT/ZnO納米復(fù)合SBS、SBR聚合物改性瀝青與混合料性能研究［J］.公路，2021，66（10）：308-314.

［6］JTG F40—2004，瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［7］JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.