高模量樹脂改性瀝青混合料的性能研究

摘 要：將高模量樹脂添加到瀝青混合料中，制備高模量樹脂改性瀝青，通過對試樣的車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾以及疲勞試驗(yàn)的研究，討論2種不同摻量的高模量樹脂對瀝青混合料性能的影響。結(jié)果表明：隨著高模量劑摻量的增加，當(dāng)高模量劑的摻量為0.6%時(shí)，瀝青混合料的車轍性能和抗水損害能力表現(xiàn)出更優(yōu)越的效果。這是因?yàn)楦吣Ａ繕渲募尤胧篂r青混合料的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，礦粉、集料與瀝青間的膠結(jié)更緊密，增強(qiáng)了路面的彈性模量和抗剪切性能，防止路面受到水分侵蝕而產(chǎn)生龜裂、脫落等損害，從而增強(qiáng)了路面的耐水性能和抗車轍性能。

關(guān) 鍵 詞：高模量樹脂添加劑；瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性；水穩(wěn)定性

中圖分類號：TQ276.7文獻(xiàn)標(biāo)識志碼： A 文章編號： 1004-0935（204）08-1195-05

隨著城市化不斷發(fā)展，道路的建設(shè)和維護(hù)也成了城市管理的重要問題。在此背景下，高模量瀝青混合料應(yīng)運(yùn)而生[1-6]。高模量瀝青混合料作為一種新型道路材料，具有許多優(yōu)異的特性，如高強(qiáng)度、高耐久性、卓越的抗裂性能和較高的承載能力等。這種材料的出現(xiàn)不僅能夠提高道路的使用壽命，還能夠降低維護(hù)成本和交通事故的發(fā)生率[7-10]。

在過去的幾十年中，高模量瀝青混合料在歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用，并取得了很好的效果。隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，越來越多的城市也開始使用高模量瀝青混合料來修建道路。因此，對于這種新型道路材料的研究和探討具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[11-16]。

本文旨在對高模量瀝青混合料的組成、制備方法、性能測試等方面進(jìn)行系統(tǒng)的介紹和分析，探討2種高模量劑對瀝青混合料路用性能的影響，希望通過介紹和分析，能夠讓更多的城市和道路建設(shè)者了解和掌握這種新型道路材料的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用方法，從而更好地推廣和應(yīng)用。

1 原材料及制備

1.1基質(zhì)瀝青

本研究采用的基質(zhì)瀝青為遼寧寶來90號道路基質(zhì)瀝青，瀝青的基本性能指標(biāo)如表1所示。

本試驗(yàn)選用強(qiáng)度高且棱角分明的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r作為粗集料，細(xì)集料為北鎮(zhèn)市石灰?guī)r加工而成的機(jī)制砂。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）中的試驗(yàn)方法對粗集料和細(xì)集料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2和表3所示。

1.3 礦粉和級配

1.3.1礦粉

采用石灰?guī)r磨制的細(xì)礦粉作為填料，其技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

1.3.2級配

試件采用AC-20型瀝青混合料，通過馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法得出AC-20瀝青混合料的油石比為4.36%，如表6所示。

1.4高模量樹脂的制備

本試驗(yàn)高模量樹脂是將520g的PP、264g的PE和16g的再生PP經(jīng)過高混機(jī)混合，擠出機(jī)造粒，制備成粒徑小于5mm的白色固體顆粒。

1.5高模量瀝青混合料的制備

首先將集料放進(jìn)恒溫箱進(jìn)行加熱，再將攪拌鍋先預(yù)熱10℃左右，先將集料放進(jìn)攪拌鍋均勻攪拌15s，高模量樹脂瀝青混合料的制備步驟如下：首先將集料放進(jìn)恒溫箱中進(jìn)行加熱，加熱至170℃左右；再將集料放進(jìn)10℃的攪拌鍋中均勻攪拌15s；然后將基質(zhì)瀝青的溫度加熱到170℃左右，放入攪拌鍋中，再攪拌25s；最后放入高模量添加劑，利用高速剪切機(jī)進(jìn)行剪切改性，使高模量劑能夠均勻分散在瀝青中。剪切30s后，即可得到高模量瀝青混合料。

2試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)用到的主要儀器如表6所示。

3結(jié)果與分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

通過車轍試驗(yàn)以及動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，動(dòng)穩(wěn)定度越高表明混合料的抗高溫能力越強(qiáng)。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）設(shè)計(jì)試件制備和試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

結(jié)果表明，在瀝青混合料中加入2種高模量樹脂添加劑后，混合料試件的抗車轍性能得到提高。由表7可知，基質(zhì)瀝青動(dòng)穩(wěn)定度為1890次·mm-1，相對變形率為11.22%。當(dāng)摻入0.2%的G1和G2瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為基質(zhì)瀝青混合料的1.6倍和1.9倍；摻入0.4%的G1和G2瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青混合料的2.9倍和2.7倍；摻入0.6%的G1和G2瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青混合料的3.2倍和3.5倍?？傮w來看，加入高模量樹脂添加劑之后，瀝青混合料的抗高溫性能得到提升；隨著高模量劑摻量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也表現(xiàn)為不斷增長。從相對變形率來看，高模量瀝青混合料的變形率遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青混合料。這是因?yàn)楦吣Ａ刻砑觿搅吭酱?，能夠與輕質(zhì)組分發(fā)生反應(yīng)的基數(shù)就越大，從而改變礦料之間的相互作用力，提高瀝青混合料的模量，使混合料整體性增強(qiáng)，且在高溫下混合料的質(zhì)地也更加堅(jiān)硬[17]。

3.2低溫抗裂性

低溫開裂也是影響瀝青混凝土路面壽命的主要因素之一。溫度突然下降時(shí)，瀝青混合料路面會(huì)產(chǎn)生不均勻受力。當(dāng)局部收縮應(yīng)力超過瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，瀝青路面就會(huì)開裂[16-18]。瀝青混合料低溫抗裂性能通常采用低溫-10℃小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)。具體試件制備和試樣方法見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度為8.42MPa，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度隨著高模量劑摻量的增加而稍有減弱， 說明摻入高模量劑對瀝青混合料的低溫開裂性能影響不大。彎拉勁度模量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大彎拉應(yīng)變隨著高模量劑的加入而減小。加入高模量劑對瀝青混合料的低溫開裂性能的影響因材料和加入量的不同而有所差異。一般來說，適量的高模量劑可降低瀝青混合料的低溫脆性，提高其彎曲和拉伸能力。但是在實(shí)際應(yīng)用中，如果加入量過多或者材料本身抗裂性能已經(jīng)很好，加入高模量劑帶來的低溫開裂性能變化可能不會(huì)很大。此外，瀝青混合料的低溫開裂性能受到多種因素影響，如瀝青質(zhì)量、骨料形狀、含水率等，因此加入高模量劑僅僅是其中一種影響因素，不能完全決定混合料的低溫開裂性能變化。

3.3 水溫定性

水穩(wěn)定性是指瀝青混合料在受到水的侵蝕和沖刷時(shí)，能夠保持其穩(wěn)定性的能力。水穩(wěn)定性好壞直接影響著瀝青混合料的使用壽命和抗車轍性能。水穩(wěn)定性也是評價(jià)瀝青混合料耐久性的重要指標(biāo)之一，主要采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)來評價(jià)水穩(wěn)定性。

3.3.1 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)是通過模擬氣候條件的變化，來研究材料抗凍融劈裂功的試驗(yàn)方法。它主要用于評價(jià)瀝青路面材料在寒冷地區(qū)或冷季節(jié)的抗壓裂性能和耐久性。用凍融劈裂比來評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，其比值越大，則表示瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中所述的具體方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表9。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比為84.9%，摻入0.2%的2種添加劑的劈裂強(qiáng)度比是基質(zhì)瀝青混合料的1.02倍和0.97倍，摻入0.4%的2種添加劑的劈裂強(qiáng)度比是基質(zhì)瀝青混合料的1.04倍和1.03倍，摻入0.6%的2種添加劑的劈裂強(qiáng)度比是基質(zhì)瀝青混合料的1.13倍和1.08倍。這說明在瀝青混合料中加入高模量樹脂添加劑可以提高路面的抗水損害能力。在瀝青混合料中，高模量劑主要起到增加混合料整體彈性模量的作用。彈性模量是指材料在受力后能夠產(chǎn)生彈性變形的抵抗能力，因此增加彈性模量可以提高混合料的抗剪切性和抗反應(yīng)性。當(dāng)瀝青混合料遭受凍融循環(huán)時(shí)，混合料內(nèi)部水分會(huì)在溫度變化時(shí)迅速膨脹或收縮，這會(huì)導(dǎo)致混合料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起混合料的劈裂破壞。而加入高模量劑可以增加混合料的整體強(qiáng)度和韌性，使其更能夠抵抗凍融循環(huán)帶來的應(yīng)力和變形，從而提高混合料的凍融劈裂強(qiáng)度[18]。

3.3.2浸水馬歇爾試驗(yàn)

瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)是用來評估瀝青混合料在高溫高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性，常用于路面材料、建筑材料等領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)中。具體試件制備和試驗(yàn)方法見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），結(jié)果見表10。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度為81.1%，混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度隨著高模量樹脂摻量的增加而提高。當(dāng)高模量劑的摻量為0.6%時(shí)，G2瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青的1.14倍，G1瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青混合料的1.18倍，G1表現(xiàn)出更好的抗水損害能力。當(dāng)高模量劑與瀝青分子結(jié)合時(shí)，會(huì)形成互相交叉的分子鏈，使得瀝青分子之間的相互作用更加緊密，從而使瀝青混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提高。此外，高模量劑還可以填充瀝青混合料中的微孔和裂隙，強(qiáng)化混合料的骨架結(jié)構(gòu)，增加混合料水穩(wěn)定性[19]。

4 結(jié) 論

制備出一種高模量樹脂改性瀝青，采用常用的 AC-20級配，通過車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)，證明高模量樹脂添加劑可以有效提高瀝青路面的車轍性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著高模量樹脂的增加，抗車轍能力、抗水損害性均能逐漸提高，且G2摻入量為0.6%時(shí)，高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為基質(zhì)瀝青混合料的1.9%，表現(xiàn)出更好的抗車轍性能。加入高模量劑可以在瀝青混合料中提高瀝青的黏性和彈性模量，從而使該混合料的高溫性能、疲勞性能和水穩(wěn)定性得到提高。高模量劑通常是高分子化合物或其他特殊化合物，它們能夠在瀝青中形成強(qiáng)有力的結(jié)構(gòu)，從而提高混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，高模量劑還能夠降低瀝青的滲透性和老化速度，從而延長混合料的使用壽命。綜上所述，加入高模量劑可以提高瀝青混合料的性能，使其更加適合高負(fù)荷和高強(qiáng)度應(yīng)用。

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