不同類型聚合物改性瀝青混合料性能研究

陸李靈

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

瀝青路面車轍隨著車輛荷載施加次數(shù)的增加而逐漸發(fā)展，表現(xiàn)為車輪路徑上的縱向凹陷和側(cè)面的小起伏，這是由瀝青混合料致密化和剪切變形共同作用引起的［1］。引起車轍病害的主要因素是交通荷載（尤其是重型卡車）及高溫環(huán)境。車轍病害會嚴(yán)重影響瀝青路面的行車安全，如瀝青面層的車轍凹陷遇雨天時會形成積水，導(dǎo)致路面的抗滑能力下降，影響路面的行車安全［2］；隨著車轍的加深，車轍凹陷處會影響行車的轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生更大的安全隱患。隨著瀝青路面在長期服役過程中車轍深度的增加，瀝青混合料變硬，其溫度敏感性也隨之下降。針對以上問題，瀝青材料的研究者和研究機(jī)構(gòu)多使用改性劑提升瀝青混合料的高溫性能，以減少瀝青路面因車轍而引起的病害［3］。聚合物改性瀝青因具有優(yōu)異的高溫性能，成為解決瀝青路面車轍病害的方案之一，但聚合物改性瀝青并不能完全解決瀝青路面的車轍問題，還需要綜合考慮瀝青特性、級配類型及瀝青混合料的流變特性［4］。用于瀝青改性的聚合物可根據(jù)其加入瀝青后的物理化學(xué)反應(yīng)分為2 類［5］：①塑性聚合物，形成剛性三維網(wǎng)絡(luò)并能抵抗永久變形的聚合物；②彈性聚合物，能誘導(dǎo)更高彈性和恢復(fù)能力的聚合物。由于瀝青是一種黏彈性材料，即加載荷載時，瀝青混合料會產(chǎn)生變形，但卸下荷載時，變形并不能完全恢復(fù)［6］。在重復(fù)荷載作用下，瀝青混合物中會殘留大量不可恢復(fù)的變形，從而產(chǎn)生永久殘余應(yīng)變。聚合物改性瀝青具有減少車轍的效果，但不同的聚合物改性瀝青在重復(fù)荷載作用下具有不同的應(yīng)變響應(yīng)。因此，對不同類型聚合物改性瀝青混合料的性能開展研究具有重要意義。本文選用2 種聚合物作為研究對象，評價(jià)聚合物改性瀝青混合料的抗車轍性，分別為無定形聚烯烴聚合物（Amorphous Polyolefin，APO）和由低密度聚乙烯（LDPE）、乙酸乙酯（EVA）組合而成的特定聚合物。車轍試驗(yàn)在2 種不同的試驗(yàn)溫度（30℃和60℃）下進(jìn)行。此外，開展動態(tài)模量和疲勞試驗(yàn)，比較聚合物改性瀝青混合料與未改性瀝青混合料的性能。通過在不同溫度和頻率下測試四點(diǎn)彎曲的棱柱狀試樣，用于評估所研究的瀝青混合料的動態(tài)模量，形成每種混合料的主曲線。通過在20°C 和10 Hz 條件下測試瀝青混合料試樣，評估瀝青混合料疲勞壽命，并在單一應(yīng)變水平（300 με）下對混合料疲勞壽命進(jìn)行比較。研究的開展，可為聚合物改性瀝青的性能分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時為工程實(shí)踐選用合適的聚合物改性劑提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用2種聚合物用于瀝青的改性，第一種為低分子量和低熔點(diǎn)的APO；第二種聚合物由低分子量和中等熔點(diǎn)的LDPE和EVA復(fù)合而成。聚合物是小顆粒物質(zhì)，在常溫下為固體，因此它們方便儲存或可以直接添加到熱瀝青中。需要評估的不同類型的瀝青混合料包括無添加劑瀝青、添加無定形聚烯烴聚合物的改性瀝青、添加由LDPE和EVA復(fù)合的特定聚合物的改性瀝青。在聚合物摻量方面，兩種聚合物均設(shè)置3種摻量，分別為瀝青質(zhì)量的3%、6%、9%。

瀝青選用90#A級瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 90#A級瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)

1.2.1 礦料

選用AC-20C 作為瀝青混合料級配類型，礦料分為粗集料、細(xì)集料、礦粉3類。粗、細(xì)集料均為石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r磨制而成。礦料的技術(shù)指標(biāo)見表2至表4。

表2 粗集料檢測技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料檢測技術(shù)指標(biāo)

表4 礦粉檢測技術(shù)指標(biāo)

1.2.2 馬歇爾體積指標(biāo)

采用馬歇爾體積法設(shè)計(jì)瀝青混合料配合比，試驗(yàn)過程參考我國規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（附條文說明）》（JTG E20—2011）。為減少其他變量對瀝青混合料的影響，統(tǒng)一設(shè)定90#瀝青混合料及2 種聚合物改性瀝青混合料的油石比為4.1%，馬歇爾體積指標(biāo)及力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表5。為便于操作，無定形聚烯烴聚合物以APO 指代，LDPE和EVA復(fù)合聚合物以LE指代。

表5 90#瀝青及兩種聚合物改性瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 車轍試驗(yàn)

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)《Bituminous Mixtures-Test Methods For Hot Mix Asphalt - Part 22：Wheel Tracking》（EN 12697—22—2007）［7］（中文名稱為《瀝青混合料車轍試驗(yàn)》）中的相關(guān)要求開展試驗(yàn)，使用“小型裝置程序B”通過車輪跟蹤試驗(yàn)評估混合物的抗車轍性。每種混合物至少開展2次試驗(yàn)，并進(jìn)行10 000次荷載循環(huán)測試。對該設(shè)備的車輪施加700 N的負(fù)載，其加載速度設(shè)置為26.5 次/min，相當(dāng)于加載頻率為0.44 Hz。從車輪跟蹤試驗(yàn)中獲得的主要參數(shù)是車輪在空氣中的跟蹤斜率（WTS）和10 000次循環(huán)時的車轍深度。選擇30 ℃和60 ℃作為車轍試驗(yàn)的代表溫度。測試前，所有板坯放在烘箱中進(jìn)行加熱處理，烘箱加熱溫度為車轍試驗(yàn)所設(shè)定的溫度（30 ℃或60 ℃）。

1.3.2 動態(tài)模量和疲勞性能試驗(yàn)

采用380 mm×50 mm×50 mm 尺寸的試樣開展四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，以獲得瀝青混合料的動態(tài)模量。試驗(yàn)前，在烘箱內(nèi)按設(shè)置溫度對試樣進(jìn)行保溫處理，然后分別在溫度為-5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、加載頻率為0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、4 Hz、6 Hz、8 Hz、10 Hz的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，主要評估動態(tài)模量。動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)束后，在10 Hz的頻率和20 ℃的測試溫度下對每個試樣進(jìn)行疲勞性能測試。疲勞壽命定義為動態(tài)模量降低至50%時的循環(huán)次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 車轍試驗(yàn)結(jié)果及分析

車轍試驗(yàn)的結(jié)果用跟蹤斜率（WTS）和10 000 次循環(huán)時的車轍深度表示。根據(jù)EN 12697—22—2007，WTS計(jì)算為5 000 次加載循環(huán)和10 000 次加載循環(huán)后車轍深度之差的比值。表1 中的7 種瀝青混合料在2 種測試溫度（30 ℃和60 ℃）條件下至10 000 次循環(huán)時的車轍深度試驗(yàn)結(jié)果和WTS試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

圖1 車轍深度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 WTS試驗(yàn)結(jié)果

無定形聚烯烴聚合物和LDPE+EVA 聚合物的加入顯著降低了90#瀝青混合料的車轍深度和WTS。車輪試驗(yàn)結(jié)果表明，改性劑降低了90#瀝青混合料在常溫（30 ℃）和高溫（60 ℃）條件下因車輪加載而產(chǎn)生的永久變形。比較無定形聚烯烴聚合物和LDPE+EVA聚合物發(fā)現(xiàn)，相同摻量下，無論是在30 ℃還是60 ℃，無定形聚合物改性瀝青混合料的車轍深度和WTS均低于LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料。因此，在抗車轍性能方面，無定形聚合物改性瀝青混合料優(yōu)于LDPE+EVA 聚合物改性瀝青。綜上所述，聚合物的添加提高了90#瀝青混合料的長期變形抗力，并且無定形聚合物改性瀝青混合料優(yōu)于90#瀝青混合料和于LDPE+EVA聚合物改性瀝青混合料。

2.2 動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果及分析

動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果采用Sigmoidal 函數(shù)［8］擬合，參考溫度為20℃。將2 種聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料的曲線繪制在同一坐標(biāo)圖中，以便比較聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料動態(tài)模量變化曲線（如圖3 和圖4 所示）。瀝青混合料為典型的黏彈性材料，具有時溫等效特性，低頻荷載相當(dāng)于高溫，高頻荷載相當(dāng)于低溫。由圖3可知，將無定形聚烯烴聚合物摻入90#瀝青后，動態(tài)模量發(fā)生了很大的變化，具體為在低頻時，動態(tài)模量提升，在高頻時，動態(tài)模量降低，這種變化使主曲線的斜率明顯下降，因此無定形聚烯烴聚合物的加入降低了90#瀝青混合料的溫度敏感性，并且無定形聚烯烴聚合物摻量越高，該現(xiàn)象越明顯。但是，觀察無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線發(fā)現(xiàn)，在低頻條件下無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料的主曲線具有明顯的區(qū)分性，而在高頻條件下，曲線區(qū)分性較小，表明無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料相較90#瀝青混合料在高溫下的性能提升程度更明顯，而低溫下的性能提升幅度并不明顯。同時，在10～100 Hz加載頻率范圍內(nèi)，無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料的主線幾乎重疊，因此無定形聚烯烴聚合物并未改變90#瀝青在常溫下的黏彈特性。由圖4 可知，LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的動態(tài)模量響應(yīng)與無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料在低頻下類似，提升了低頻下90#瀝青混合料的動態(tài)模量，并且LDPE+EVA 聚合物的摻量越高，動態(tài)模量提升越高。但是，在高頻條件下，LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的動態(tài)模量與90#瀝青混合料幾乎沒有差異，表明LDPE+EVA 聚合物提升了90#瀝青混合料的高溫性能，但其沒有提升低溫性能。綜上所述，無定形聚烯烴聚合物和LDPE+EVA 聚合物均能顯著提升90#瀝青混合料的高溫性能，無定形聚烯烴聚合物能提升90#瀝青混合料的低溫性能，但提升程度不及高溫性能，LDPE+EVA 聚合物對90#瀝青混合料的低溫性能的提升效果并不明顯；聚合物摻量越高，90#瀝青混合料的高溫性能提升效果越明顯。

圖3 90#瀝青與無定形聚烯烴聚合物改性瀝青動態(tài)模量

圖4 90#瀝青與LDPE+EVA聚合物改性瀝青動態(tài)模量

2.3 疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，獲得90#瀝青、無定形聚烯烴聚合物瀝青混合料、LDPE+EVA 聚合物瀝青混合料的疲勞性能。為比較抗疲勞性能，計(jì)算上述瀝青混合料在300 με 下的疲勞壽命（如圖5 所示）。從圖5 可知，2 種聚合物改性瀝青的抗疲勞性能區(qū)別較大。無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命相比90#瀝青提升幅度較大，其中3%、6%、9%摻量的無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命分別提升131%、397%、517%，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命相比90#瀝青提升幅度較小，但3%LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命反而下降了6%。因此，無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料具有較好的疲勞性能，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的疲勞性能只有在6%摻量和9%摻量時才具有優(yōu)勢。

3 結(jié)論

對90#瀝青及3%、6%、9%摻量的2 種聚合物改性（無定形聚烯烴聚合物、LDPE+EVA 聚合物）瀝青混合料開展室內(nèi)車轍試驗(yàn)、動態(tài)模量試驗(yàn)及疲勞性能試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：①車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，無定形聚合物改性瀝青混合料優(yōu)于LDPE+EVA 聚合物改性瀝青，并且2 種聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料相比，車轍性能大幅度提升。②動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物改性瀝青混合料在低頻下相比90#瀝青的動態(tài)模量提升幅度明顯，但在高頻下提升不明顯，LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青相比，在高頻下的動態(tài)模量幾乎沒有差異。③疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果表明，定形聚合物改性瀝青混合料的疲勞性能優(yōu)異，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料只有在摻量較高（6%、9%）時才具有優(yōu)勢。綜上所述，聚合物改性瀝青混合料相比90#瀝青的高溫性能優(yōu)勢更明顯，但低溫性能和疲勞性能與聚合物類型有關(guān)，無定形聚合物改性瀝青混合料低溫性能略優(yōu)于90#瀝青，疲勞性能優(yōu)勢明顯，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料低溫性能與90#瀝青差異較小，疲勞性能優(yōu)勢并不明顯?？傮w而言，無定形聚合物改性瀝青混合料在高溫性能、低溫性能、疲勞性能方面均優(yōu)于LDPE+EVA聚合物改性瀝青混合料。