耐久性復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能

摘要：為提高公路瀝青路面的耐久性，將A（聚乙烯復(fù)合材料）、B（高分子復(fù)合材料）、C（橡塑合金材料）和D（聚合物復(fù)合材料）4種復(fù)合改性劑分別摻入AC-13瀝青混合料制備符合改性瀝青混合料，對比抗車轍性能，優(yōu)選性能均衡的復(fù)合改性劑C。將復(fù)合改性劑C摻入高性能級配瀝青混合料SUP-20制備復(fù)合改性瀝青混合料，以苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（styrene-butadiene triblock copolymer，SBS）改性瀝青混合料SUP-20為對照試樣，分別進(jìn)行高溫抗車轍性能試驗、抗水損害性能試驗、低溫性能試驗等。試驗結(jié)果表明：復(fù)合改性后的C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的平均動穩(wěn)定度增大11.0%，劈裂強度比增大1.7%，抗彎拉強度增大8.6%，抗低溫破壞性能增大14.9%，在溫度5、20、35 ℃和頻率0.1、1、10 Hz下的動態(tài)模量都高于SBS改性瀝青SUP-20混合料，相位角都小于SBS改性瀝青SUP-20混合料。

關(guān)鍵詞：復(fù)合改性；路用性能；耐久性；高溫穩(wěn)定性；低溫性能；抗水損壞性能

中圖分類號：U414;U214.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0019-07

引用格式：屈會朋.耐久性復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（2）：19-25.

QU Huipeng. Pavement performance of durable composite modified asphalt mixture［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：19-25.

0?引言

嚴(yán)重的瀝青路面病害會影響路面行車的舒適性[1]，某種病害的產(chǎn)生可能加速誘導(dǎo)其他病害的產(chǎn)生和發(fā)展，例如行車荷載可能誘導(dǎo)車轍病害處產(chǎn)生微細(xì)裂縫，并在行車荷載反復(fù)作用下擴展，在水的作用下面層坑槽、裂縫等其他病害問題加劇[2-3]。提高瀝青混合料的抗壓強度，減少車轍及路面水損壞是瀝青路面特別是山嶺重丘區(qū)瀝青路面亟需解決的問題。現(xiàn)有研究多集中在摻加纖維和改性劑、瀝青改性、瀝青混合料級配調(diào)整、瀝青混合料設(shè)計、優(yōu)化結(jié)構(gòu)層組合等方面[4-8]。

在瀝青混合料中摻加復(fù)合改性劑是提升抗高溫變形能力及耐久性的有效途徑[9]。在瀝青中摻加氯丁二烯橡膠（chloroprene rubber，CR）、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（styrene-butadiene triblock copolymer，SBS）、多聚磷酸（polyphosphoric acid，PPA）或石墨烯等改性劑進(jìn)行復(fù)合改性，可改善瀝青的路用性能[10]。李鄭[11]、鄒虎等[12]將PPA和CR復(fù)合改性瀝青用于紫外線輻射強、晝夜溫差大的西藏地區(qū)，研究得到的最優(yōu)復(fù)配方案為CR、PPA與瀝青混合料的質(zhì)量比分別為0.200 0、0.012 5?，F(xiàn)有研究多集中在瀝青混合料的制備工藝、配方優(yōu)化和性能表征等方面，但因改性劑和瀝青本身的復(fù)雜性、表征方法欠缺等原因，改性機理及工業(yè)應(yīng)用研究不足[13]。

本文從A（聚乙烯復(fù)合材料）、B（高分子復(fù)合材料）、C（橡塑合金材料）和D（聚合物復(fù)合材料）4種復(fù)合改性劑中優(yōu)選1種改性劑，對瀝青混合料進(jìn)行改性，通過高溫抗車轍性能試驗、抗水損害性能試驗、低溫性能試驗等，對比研究復(fù)合改性劑對瀝青混合料路用性能的影響，以期為高耐久、長壽命瀝青路面的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1?復(fù)合改性劑優(yōu)選

1.1?瀝青混合料級配及馬歇爾試驗

為研究復(fù)合改性劑對改善瀝青混合料路用性能的效果，將A（聚乙烯復(fù)合材料）、B（高分子復(fù)合材料）、C（橡塑合金材料）和D（聚合物復(fù)合材料）4種復(fù)合改性劑分別摻入AC-13瀝青混合料，復(fù)合改性劑與瀝青混合料的質(zhì)量比均為0.003，油石比為5.0%。AC-13瀝青混合料的級配如表1所示。復(fù)合改性瀝青混合料毛體積密度為2.416 g/cm3，理論最大相對密度為2.515，馬歇爾試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：摻入復(fù)合改性劑后，瀝青混合料的各指標(biāo)均滿足規(guī)范[14]要求。

表1?AC-13瀝青混合料的級配

方篩邊長/mm1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075

合成級配的通過率/%100.098.069.640.932.224.516.610.57.45.8

控制上限的通過率/%100.0100.073.644.935.227.519.613.510.47.8

控制下限的通過率/%100.094.065.636.929.221.513.67.54.43.8

表2?馬歇爾試驗結(jié)果

項目空隙率/%礦料間隙率/%飽和度/%穩(wěn)定度/kN流值/（0.1 mm）

試驗結(jié)果3.913.971.79.2732.6

技術(shù)要求[14]3.0～5.0≥13.965.0～75.0≥8.0020.0～40.0

1.2?改性后瀝青混合料性能試驗

將復(fù)合改性瀝青混合料與對照試樣（未摻復(fù)合改性劑的AC-13瀝青混合料）的抗車轍性能（動穩(wěn)定度）對比，綜合考慮低溫小梁試驗、抗水損害試驗結(jié)果，確定改性后瀝青混合料綜合性能最佳的復(fù)合改性劑。

1.2.1?路用性能

摻入不同復(fù)合改性劑后瀝青混合料的路用性能如表3所示。不摻入復(fù)合改性劑的對照試樣的破壞應(yīng)變?yōu)?.997×10-3，動穩(wěn)定度為1 338次/mm。

由表3可知：采用不同復(fù)合改性劑改性瀝青混合料后，瀝青混合料的抗車轍性能提高，分別加入A、B、C、D等4種復(fù)合改性劑的瀝青混合料的動穩(wěn)定度比對照試樣分別提高40%、182%、139%、133%，破壞應(yīng)變及劈裂強度比也有所提升，改性效果明顯。原因主要是在瀝青混合料拌和過程中復(fù)合改性劑熔融，經(jīng)攤鋪和碾壓后形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將集料顆粒穩(wěn)固在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。鋪筑完成后的瀝青路面即使表面溫度高于瀝青的軟化點，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依然有約束作用，不易產(chǎn)生車轍[15-18]。

復(fù)合改性劑的作用機理如圖1所示。瀝青混合料和復(fù)合改性劑間的化學(xué)交換作用如圖2所示。加入復(fù)合改性劑后，瀝青混合料系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新分布，改性劑通過溶脹減小表面能，瀝青混合料趨于新平衡。復(fù)合改性劑顆粒的某些聚合物鏈段擴散到瀝青相中形成界面層，減緩分子的運動；部分高分子聚合物可與瀝青分子鏈形成高穩(wěn)定性、高強度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于提高瀝青混合料的力學(xué)性能。因此，復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能及抗水損害性能在一定程度上得以改善，綜合瀝青混合料的高溫性能、低溫性能及抗水損害性能，確定復(fù)合改性劑C為最佳改性劑。

圖1?復(fù)合改性劑作用機理?圖2?瀝青混合料和復(fù)合改性劑間的化學(xué)交換作用

1.2.2?耐久性

為明確復(fù)合改性劑對提高瀝青混合料耐久性的效果，參照文獻(xiàn)[19]進(jìn)行四點彎曲疲勞壽命試驗，測試恒定應(yīng)變?yōu)?30×10-6，疲勞壽命為106次，試驗溫度為15 ℃下復(fù)合改性劑C-AC-13瀝青混合料（以下簡稱C-AC-13瀝青混合料）的疲勞性能，試驗結(jié)果如表4所示。由表4可知：C-AC-13瀝青混合料的勁度模量損失率均小于31%，最小勁度模量損失率為17.7%，表明復(fù)合改性劑C可明顯提高瀝青混合料的抗疲勞性能。

為直觀反映復(fù)合改性劑C對提高AC-13瀝青混合料疲勞性能的效果，調(diào)研常見瀝青混合料的疲勞試驗結(jié)果，試驗溫度為15 ℃，勁度模量損失為50%時的疲勞試驗結(jié)果如表5所示。由表5可知：其他類型瀝青混合料在勁度模量損失為50%時，疲勞壽命小于3×105次，說明復(fù)合改性劑C可提高瀝青混合料的疲勞性能。

注：AR-AC-13為橡膠瀝青混凝土，SUP-13為高性能瀝青。

2?原材料

70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表6所示。由表6可知，二者均滿足文獻(xiàn)[19]的技術(shù)要求。試驗選用國道G210獨山至新寨改造工程自加工料場的粗集料，技術(shù)指標(biāo)如表7所示。細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)如表8所示。采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r經(jīng)單獨磨細(xì)制成礦粉，技術(shù)指標(biāo)如表9所示。由表7～9可知，各組分均滿足技術(shù)要求。

項目壓碎值/%高溫壓碎值/%表觀相對密度吸水率/%對瀝青的黏附性等級針片狀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)①/%粒徑小于0.075 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)②/%試驗結(jié)果13.517.62.6740.645級11.40.6

技術(shù)要求[14]≤24.0≥2.600≤2.00≥4級≤15.0≤1.0

①采用游標(biāo)卡尺法測試針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

②采用水洗法測試。

表8?細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

項目表觀相對密度砂當(dāng)量/%亞甲藍(lán)值/（g·kg-1）粒徑小于0.075 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)①/%棱角性（流動時間）/s

試驗結(jié)果2.58868.48.011.347.4

技術(shù)要求[14]≥2.500≥60.0≤25.0≤15.0≥30.0

①采用水洗法測試粒徑小于0.075 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表9?礦粉的技術(shù)指標(biāo)

項目表觀相對密度

不同粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

＜0.6 mm＜0.15 mm＜0.075 mm親水系數(shù)含水量/%塑性指數(shù)

試驗結(jié)果2.733100.091.483.60.50.31.8

技術(shù)要求[14]≥2.500100.090.0～100.080.0～100.0＜0.8≤1.0＜3.0

3?配合比設(shè)計與瀝青混合料性能試驗

設(shè)計SUP-20級配進(jìn)行瀝青混合料路用性能研究，復(fù)合改性劑C與瀝青混合料的質(zhì)量比為0.003。SUP-20瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實試件的空隙率為4.0%±0.5%，油石比為4.3%。對復(fù)合改性的SUP-20瀝青混合料C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料進(jìn)行高溫性能、抗水損害性能和低溫性能試驗，并與SBS改性瀝青SUP-20混合料進(jìn)行對比。

3.1?高溫抗車轍性能

參照文獻(xiàn)[19]車轍試驗方法進(jìn)行瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性試驗，結(jié)果如表10所示。

由表10可知：2種瀝青混合料的動穩(wěn)定度和變異系數(shù)均滿足技術(shù)要求；與對照試樣相比，C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的平均動穩(wěn)定度比SBS改性瀝青SUP-20混合料增大11.0%，C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的變異系數(shù)比SBS改性瀝青SUP-20混合料減小54.0%，表明復(fù)合改性劑C能較大程度改善SUP-20瀝青混合料的高溫抗變形性能。

復(fù)合改性劑C含一定細(xì)橡膠粉，膠粉在降解過程中釋放大量相對分子量為3×102～5×105級的聚合物，在瀝青中類似連續(xù)級配分布，與瀝青形成良好的密實分子級配聚合物，與高密度連續(xù)配筋結(jié)構(gòu)作用相當(dāng)，低溫黏度高，有助于提高瀝青混合料的動穩(wěn)定度[20-22]。

3.2?抗水損害性能

采用凍融劈裂試驗評價2種瀝青混合料的抗水損害性能，結(jié)果如表11所示。

由表11可知：C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的劈裂強度比文獻(xiàn)[9]中的要求（80%）增大10.6%，與對照試樣相比，劈裂強度比增大1.7%。

與動穩(wěn)定度增大的原理一致，復(fù)合改性劑C增大瀝青混合料的低溫黏度，改善了瀝青與集料間的黏附性及黏結(jié)強度。

3.3?低溫性能

參照文獻(xiàn)[19]中四點彎曲試驗方法進(jìn)行不同瀝青混合料的試件低溫性能試驗，試驗測試結(jié)果如表12所示。

由表12可知：C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的抗彎拉強度比SBS改性瀝青SUP-20混合料增大8.6%，低溫抗破壞應(yīng)變增大14.9%。說明C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料低溫黏度高，黏韌性提升，與集料黏附性更好。

3.4?動態(tài)模量分析

為進(jìn)一步對比抗永久變形能力，測試2種瀝青混合料在不同溫度、頻率f下的動態(tài)模量和相位角，結(jié)果如表13、14所示。

由表13、14可知：不同溫度、頻率下，C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的動態(tài)模量均大于SBS改性瀝青SUP-20混合料，相位角均小于SBS改性瀝青SUP-20混合料。

瀝青混合料是黏彈性物質(zhì)，若動態(tài)模量越大、相位角越小，則更接近彈性體，溫度較高情況下其抵抗車轍病害的能力越強。和對照試樣相比，C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的動態(tài)模量大，表明其促進(jìn)瀝青混合料由黏性向彈性轉(zhuǎn)變，可增強瀝青混合料抗永久變形能力[23-24]。

4?結(jié)論

1）為提高瀝青混合料的抗車轍性能，將A（聚乙烯復(fù)合材料）、B（高分子復(fù)合材料）、C（橡塑合金材料）和D（聚合物復(fù)合材料）4種復(fù)合改性劑分別摻入AC-13瀝青混合料，從破壞應(yīng)變、動穩(wěn)定度及劈裂強度比等方面對比不同材料的性能，優(yōu)選復(fù)合改性劑C。

2）SBS改性瀝青SUP-20混合料未摻入復(fù)合改性劑C，作為對照試件，摻入復(fù)合改性劑C的C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料試件的抗車轍性能、抗低溫開裂性能、抗水損害性能均得以改善，動穩(wěn)定度、劈裂強度比、低溫抗破壞應(yīng)變比SBS改性瀝青SUP-20混合料試件分別提高11.0%、1.7%、14.9%。摻加復(fù)合改性劑C使得瀝青結(jié)構(gòu)類似于連續(xù)級配分布，改性劑釋放的聚合物與瀝青混合料形成良好的密實分子級配聚合物，與高密度連續(xù)配筋結(jié)構(gòu)作用相當(dāng)，低溫黏度高，有助于提高瀝青混合料的動穩(wěn)定度，改善瀝青與集料間的黏附性及黏結(jié)強度。

3）C-70#基質(zhì)瀝青SUP-20混合料的動態(tài)模量較大，表明復(fù)合改性劑C促使瀝青混合料由黏性向彈性轉(zhuǎn)變，抗永久變形性能優(yōu)異。

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Pavement performance of durable composite modified asphalt mixture

QU Huipeng

China Design Group （Jiangsu） New Materials Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211100， China

Abstract：To improve the durability of asphalt pavement， composite modifier C with balanced performance is selected from four types of composite modifiers A （polyethylene composite material）， B （polymer composite material）， C （rubber-plastic alloy material）， and D （polymer composite material） to prepare modified asphalt mixtures compliant by mixing it with high-performance graded asphalt mixture SUP-20. Styrene-butadiene triblock copolymer （SBS） modified asphalt mixture SUP-20 is used as the control sample for conducting high-temperature anti-rutting performance tests， anti-water damage performance tests， low-temperature performance tests， etc. The test results show that the average dynamic stability， the splitting strength ratio， the flexural tensile strength， and the resistance to low-temperature damage of the C-70# matrix asphalt SUP-20 mixture after composite modification increases by 11.0%， 1.7%， 8.6%， and 14.9%， respectively. The dynamic modulus at temperatures of 5， 20， 35 °C and frequencies of 0.1， 1， 10 Hz are all greater than that of the SBS-modified asphalt mixture SUP-20， with phase angles less than that of the SBS-modified asphalt mixture SUP-20.

Keywords：composite modification; pavement performance; durability; high temperature stability; low temperature performance; water resistance performance

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2023-05-17

基金項目：貴州省公路局2021年科技項目（2021QLM14）

作者簡介：屈會朋（1990—），男，江蘇徐州人，工程師，主要研究方向為道路工程材料技術(shù)，E-mail：541782229@qq.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.003