直投式改性劑對瀝青及其混合料性能影響分析

白昭毅，徐文遠(yuǎn)，吳宇軒

（東北林業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著道路交通量增大、車輛超載現(xiàn)象日益增加，高溫車轍病害常出現(xiàn)。針對瀝青道路在服役過程中出現(xiàn)的問題，道路工作者主要提出了兩種解決方案：一是對瀝青進(jìn)行改性來提高路面在實(shí)際中的使用效果；二是在混合料拌合時(shí)直接將改性劑投入，依靠高溫和集料拌合過程中的剪切力將改性劑均勻地分散到混合料中，加入瀝青拌合即可制備瀝青混合料，改性劑在拌合過程中完成改性，這種工藝稱為直投工藝，也稱“干法改性”。但是濕法改性瀝青存在高溫剪切過程中性能衰減和需要專門生產(chǎn)等問題，例如實(shí)際工程常使用的SBS改性瀝青，易發(fā)生離析，導(dǎo)致工程的質(zhì)量難以保證[1-3]；而干法工藝能避免上述問題，可有效減少改性劑加工、儲(chǔ)存等諸多繁瑣的環(huán)節(jié)，有效降低資源和能源成本。

由于直投式改性劑的諸多優(yōu)點(diǎn)，各種不同的直投改性劑被研發(fā)。上世紀(jì)，國外便開發(fā)了系列可用于干法工藝的改性劑，例如德國的Duroflex改性劑產(chǎn)品[4]、法國研發(fā)直投式RP改性劑[5]和日本用于排水路面的TPS直投改性劑等。此外在國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)的研究和應(yīng)用。奚龍飛[6]、楊益民等[7]研究發(fā)現(xiàn)，直投改性劑在拌合過程中會(huì)與瀝青產(chǎn)生一定的混合，提高瀝青的高溫穩(wěn)定性。徐寧對干法直投的SBS-T改性劑進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)研究表明，SBS-T改性劑可以充分發(fā)揮改性性能，基本實(shí)現(xiàn)與SBS改性劑改性效果相當(dāng)[8]。干法直投工藝可以在大幅度地提高瀝青路面高溫抵抗變形能力的同時(shí)，無需添加額外設(shè)備，且改性劑存儲(chǔ)簡單，這種材料的研發(fā)為國內(nèi)外普遍存在的車轍病害的預(yù)防和治理提供了一種思路。我國對于這種工藝的研究和在道路中的應(yīng)用較晚，針對改性劑對瀝青混合料的改性機(jī)理研究較少，且在實(shí)際中的應(yīng)用效果差異性較大，造成其實(shí)際推廣應(yīng)用受到了一定的限制。

本文以ZM直投式改性劑為研究對象，將其直接摻入瀝青中，利用DSR、BBR等試驗(yàn)評價(jià)改性瀝青的流變性能，分析ZM改性劑對瀝青性能的影響，并采用車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和瀝青混合料彎曲蠕變試驗(yàn)等對ZM改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行測試，為直投式改性劑的應(yīng)用提供理論及現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青

本研究選用遼寧盤錦90#基質(zhì)瀝青，其基本性能指標(biāo)見表1。SBS改性瀝青為實(shí)驗(yàn)室制備，SBS摻量為4.5%（外摻法）。

表1 90#基質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)Table 1 90# Base asphalt basic performance indicators

表2 ZM改性劑的基本信息Table 2 Basic information of ZM modifier

1.1.2 改性劑

ZM改性劑是一種固體顆粒狀的高分子聚合物改性劑，成分以聚合物和樹脂為主。因其可有效提高瀝青混合料的高溫性能，在國內(nèi)的道路建設(shè)中得到普遍應(yīng)用。

1.2 ZM改性瀝青及混合料制備方法

1.2.1 改性瀝青制備流程

改性瀝青的制備采用高速剪切法，其制備工藝如圖1所示。

圖1 ZM改性瀝青制備流程Fig. 1 ZM modified asphalt preparation process

1.2.2 ZM改性瀝青混合料制備流程

ZM改性瀝青混合料為干法制備，混合料的制備流程如圖2所示。

圖2 ZM改性瀝青混合料制備流程Fig. 2 ZM modified asphalt mixture preparation process

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)

試驗(yàn)包括針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、5℃延度試驗(yàn)。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）[9]中的測試方法進(jìn)行。

1.3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)（DSR）

溫度掃描試驗(yàn)（TS）儀器為動(dòng)態(tài)剪切流變儀。采用應(yīng)變控制模式[10]，掃描溫度為30～90 ℃，加載應(yīng)變?yōu)?%，加載頻率為10rad/s，平行板選擇25mm，間距1mm[9]。

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（MSCR）在動(dòng)態(tài)剪切流變儀上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為58、64、70、76 ℃，采用直徑為25mm、間隔為1mm的平行板進(jìn)行試驗(yàn)[11]。

1.3.3 瀝青彎曲梁蠕變勁度試驗(yàn)

根據(jù)美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）評價(jià)瀝青低溫性能的手段，利用彎曲梁流變儀測試低溫性能,采用?12℃和?18℃作為試驗(yàn)設(shè)置溫度。根據(jù)60s時(shí)的勁度模量、蠕變速率對瀝青的低溫性能進(jìn)行評價(jià)[12]。

1.3.4 路用性能試驗(yàn)

選用AC-16級配進(jìn)行試驗(yàn)，ZM改性劑的摻量分別為0.3%、0.4%和0.5%（相對于瀝青和集料的總質(zhì)量），采用干法直投工藝，最佳瀝青用量為4.7%。采用車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及彎曲蠕變試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的路用性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)

通過三大指標(biāo)試驗(yàn)得到瀝青的常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Asphalt routine performance test results

ZM改性瀝青的針入度低于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，軟化點(diǎn)結(jié)果高于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，在ZM改性劑3%摻量的瀝青軟化點(diǎn)數(shù)值相比基質(zhì)瀝青提高了16%，針入度由83降底至63，改性效果隨著改性劑摻量的提高更為顯著，ZM改性劑7%的摻量下，瀝青軟化點(diǎn)提高到80℃，針入度降低至46。整體來看，ZM改性劑的加入會(huì)使瀝青在高溫下具有更好的抵抗永久變形能力。

2.2 溫度掃描試驗(yàn)

瀝青溫度掃描的結(jié)果主要有復(fù)合剪切模量（G*）、相位角（δ）和車轍因子（G*/sinδ）。溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 瀝青車轍因子隨溫度的變化曲線Fig. 4 Curve of rutting factor as a function of temperature

由圖4、圖5可知，瀝青復(fù)合剪切模量和車轍因子的大小表現(xiàn)為：基質(zhì)瀝青＜SBS改性瀝青＜90號基質(zhì)+3%ZM＜90號基質(zhì)+5%ZM＜90號基質(zhì)+7%ZM。相同溫度下，復(fù)合剪切模量越大，高溫性能越好，所以由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得SBS改性劑和ZM改性劑對于基質(zhì)瀝青的高溫性能均有所提高，且ZM改性劑對于復(fù)合剪切模量的提升更為顯著。在64℃的條件下，3%的改性劑摻量瀝青的G*相較于基質(zhì)瀝青提高為95%， 5%的改性劑摻量時(shí)G*相較于基質(zhì)瀝青提高為127%；隨著改性劑摻量提高，G*在不斷地提高，對于基質(zhì)瀝青高溫性能的改善效果更為顯著。

圖5 瀝青復(fù)合剪切模量隨溫度的變化曲線Fig. 5 Curve of composite shear modulus versus temperature

車轍因子是用以評價(jià)瀝青高溫抗車轍性能的指標(biāo)，表示瀝青的抵抗高溫塑性變形能力[13]。由圖4可見車轍因子（G*/sinδ）隨溫度升高而降低，說明瀝青的抗車轍能力隨溫度的升高而變差，表明升高溫度使瀝青的彈性成分降低而黏性成分增加，在相同的溫度下改性瀝青的車轍因子遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青。從試驗(yàn)結(jié)果上看，在64℃基質(zhì)瀝青和ZM改性瀝青均滿足G*/sinδ大于1.00kPa的要求，但ZM改性瀝青的車轍因子高于基質(zhì)瀝青，說明ZM改性瀝青相比具有更強(qiáng)的抗永久變形能力；當(dāng)試驗(yàn)溫度升高到70℃時(shí)，三種摻量下的ZM改性瀝青的G*/sinδ均達(dá)到1.00kPa的要求，而基質(zhì)瀝青為0.54kPa，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，說明ZM改性瀝青體系形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，ZM改性劑降低了瀝青的溫度敏感性，瀝青可適應(yīng)更高的環(huán)境溫度。

圖6中的各種瀝青相位角隨著溫度的升高而不斷變化，這表明隨著溫度的變化，瀝青中的黏彈比例在發(fā)生變化，相位角升高，彈性占比減小，黏性占比增大，瀝青的高溫穩(wěn)定性下降，反之則結(jié)果相反；ZM改性劑摻入到基質(zhì)瀝青后，使瀝青相位角降低，在相同溫度下使瀝青表現(xiàn)出更多的彈性成分，從而增強(qiáng)了瀝青在高溫環(huán)境下抵抗變形的能力。

圖6 瀝青相位角隨溫度的變化曲線Fig. 6 Curve of asphalt phase angle versus temperature

2.3 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

為了更好地評價(jià)改性瀝青的高溫性能，基于DSR進(jìn)行MSCR試驗(yàn)，試驗(yàn)通過記錄瀝青在力作用下的延遲彈性恢復(fù)變形和不可恢復(fù)變形來評價(jià)瀝青在高溫下的抵抗永久變形及變形恢復(fù)的能力[14]。多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nrFig. 7 Unrecoverable creep flexibility Jnr

圖8 蠕變恢復(fù)率RFig. 8 Creep recovery rate R

由圖7可知，在兩個(gè)應(yīng)力條件下基質(zhì)瀝青具有最高的Jnr值，而ZM改性瀝青均低于基質(zhì)瀝青，ZM改性瀝青的Jnr在同一溫度情況下隨著摻量的提高不斷降低，圖中ZM改性瀝青的Jnr關(guān)于溫度折線的斜率和基質(zhì)相比明顯減緩，在5%摻量時(shí)和SBS改性瀝青的斜率相當(dāng)，這表明ZM改性劑的摻入可以降低瀝青的溫度敏感性，這是由于改性劑中聚合物的加入所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到一定對瀝青的阻隔作用，降低了瀝青的溫度敏感性。瀝青材料在0.1kPa時(shí)的不可恢復(fù)蠕變值小于3.2kPa時(shí)的值，說明由輕型交通引起的不可恢復(fù)蠕變很小，同時(shí)說明了實(shí)際中控制車輛載重的必要性。在加入改性劑后，瀝青材料的不可恢復(fù)蠕變值迅速下降，在0.1kPa、58℃時(shí)，7%摻量的ZM改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變量相比基質(zhì)瀝青降低了90%。改性劑的加入提高了瀝青材料的彈性恢復(fù)能力和抵抗變形能力。

圖8中為瀝青的蠕變恢復(fù)率，蠕變恢復(fù)率越大表明瀝青的彈性恢復(fù)能力越好，抵抗變形的能力越強(qiáng)[15]。在每個(gè)試驗(yàn)溫度條件下，基質(zhì)瀝青的變形恢復(fù)率均小于10%，表明瀝青幾乎為黏稠的狀態(tài)，高溫彈性恢復(fù)能力差，加入改性劑后，輕質(zhì)組分降低，R值顯著提高，在0.1kPa、58℃的情況下，3%摻量ZM改性瀝青的R值由基質(zhì)瀝青4%提高為20%，5%摻量下的R值提高到60%，這表明瀝青彈性增強(qiáng)，高溫性能提高，這種改善效果隨改性劑摻量的增加而明顯提高。

2.4 瀝青彎曲梁蠕變勁度試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果取60s的勁度模量S和蠕變速率m進(jìn)行評價(jià)，蠕變速率反映瀝青勁度隨時(shí)間的應(yīng)力松弛能力和敏感性，其值越大表明瀝青的低溫抗開裂性能越強(qiáng)；勁度模量是指瀝青的抗開裂能力，其值越小說明瀝青的低溫性能越好[16]。BBR試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 BBR試驗(yàn)結(jié)果Fig. 9 Bending beam rheometer test results

所有摻量下的瀝青在?18℃下的勁度模量S較-12℃大幅度增大，而蠕變速率m顯著降低，表明在低溫度下更容易發(fā)生低溫變形，增大了開裂風(fēng)險(xiǎn)；在摻入改性劑后，瀝青m值均符合規(guī)范，S值在-18℃時(shí)，7%的摻量時(shí)略大于300MPa。在同一溫度下，隨著摻量的增加，S值在緩緩變大，m值在緩緩降低，應(yīng)力松弛能力減弱，ZM改性劑摻量變化對m值和S值產(chǎn)生的波動(dòng)幅度較小，說明對瀝青產(chǎn)生的影響較小。

2.5 瀝青混合料路用性能

2.5.1 高溫穩(wěn)定性

為降低路面車轍病害的發(fā)生概率，瀝青混合料應(yīng)具有良好的抗車轍變形能力。車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig. 10 Rutting test results

由于改性劑首先通過與集料干拌軟化，繼續(xù)加入瀝青拌合，改性劑部分與瀝青相融，使瀝青性能得到改善，既提高了瀝青軟化點(diǎn)，又降低了對溫度的敏感性，所以與基質(zhì)瀝青混合料相比的摻入改性劑的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高數(shù)倍，在ZM 0.3%摻量下動(dòng)穩(wěn)定度相對基質(zhì)瀝青提高133%，車轍深度相對于基質(zhì)瀝青混合料下降39.1%。此外，從結(jié)果上看，0.3%摻量的ZM改性瀝青混合料已與SBS改性瀝青混合料具備相近的性能，而高摻量的情況下ZM改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

2.5.2 水穩(wěn)定性

本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Fig. 11 Immersion Marshall test results

圖12 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig. 12 Freeze-thaw splitting test results

試驗(yàn)結(jié)果得出，基質(zhì)瀝青混合料的凍融前后劈裂強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度比最小，ZM改性瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度相較于基質(zhì)瀝青混合料均有不同程度的增加，凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）增加了13%左右，由原來的77.5%增加到了90%左右；摻入改性劑的改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度（MS_0）均提升至90%左右，改性瀝青混合料的水穩(wěn)定度均有一定幅度的提升。凍融劈裂試驗(yàn)與浸水馬歇爾試驗(yàn)說明，ZM改性劑的加入可提高路面抵抗水損害的能力。

2.5.3 低溫抗裂性

瀝青混合料彎曲蠕變試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 瀝青混合料彎曲蠕變試驗(yàn)結(jié)果Fig. 13 Bending creep test results of asphalt mixtures

通過試驗(yàn)測得試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量。通常情況下，混合料的勁度模量越小，最大彎拉應(yīng)變越大，應(yīng)力累積越慢，材料的低溫性能越好。在直投改性劑ZM的摻入后，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變相比基質(zhì)瀝青混合料有小幅度的增大，彎曲勁度模量也有一定幅度的降低。綜合來看，改性劑對瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的改善。

3 結(jié)論

（1）ZM改性劑的摻入提高了瀝青的軟化點(diǎn)，顯著降低了針入度，使瀝青在高溫下具有良好的抵抗永久變形能力。

（2）ZM改性劑的摻入降低了瀝青相位角，使瀝青彈性成分增加，提高了高溫抵抗變形的能力，在64℃的溫度下3%摻量ZM改性瀝青的G*相比基質(zhì)瀝青提高了95%，G*/sinδ提高了96%。此外，改善瀝青的蠕變恢復(fù)性能，在0.1kPa、58℃時(shí)，5%摻量的ZM改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變量相比基質(zhì)瀝青降低了69.1%，蠕變恢復(fù)率由基質(zhì)瀝青的4%提高至60%。

（3）采用直投式生產(chǎn)的ZM改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定度性顯著提高，在ZM 0.3%的摻量下，動(dòng)穩(wěn)定度相較于90#基質(zhì)瀝青混合料提高133%，車轍深度也下降39.1%左右；由于改性劑增加了瀝青與集料之間的黏附作用，混合料的水穩(wěn)定性也得到提高，與基質(zhì)瀝青混合料相比，凍融劈裂強(qiáng)度增加了13%，馬歇爾殘留穩(wěn)定度提升至90%左右。