沥青混合料低温抗裂性研究进展

2013-03-05廖乃凤

河南建材 2013年2期

廖乃凤

广东南粤物流股份有限公司（510410）

0 前言

国内外高等级公路和城市道路中大部分路面均为沥青路面，随着世界经济的迅速发展，道路上行驶车辆向大型化、密集化、快速化和重轴载方向发展，由此导致的路面车辙、开裂、剥落、抗滑能力不足等病害日益严重,最终导致路面结构过早损坏，未能达到设计年限便须进行大修，造成了资源的极大浪费。因此，如何提高沥青路面的使用性能，以满足交通发展的需要，是全世界道路工作者需要解决的问题。

路面开裂是沥青路面存在的主要病害之一，是解决路面问题的关键,受到各国道路界的普遍关注。路面开裂产生的主要原因是寒冷季节周期性变化产生的温度应力、行车荷载作用产生的累积应力及材料的损伤超过材料的容许程度，从而导致路面开裂。在我国的北方地区（特别是西北地区），由于气候寒冷，昼夜温差大，沥青混合料在温度骤降或温差较大时由于温度应力作用而产生开裂。而且沥青路面普遍采用半刚性基层，路面开裂后，降水渗入路面结构内部，进一步产生唧泥、沉陷等结构性破坏，严重危害道路的使用性能和寿命。交通的发展对沥青路面的要求越来越高，低温开裂使路面材料面临严峻考验,如何提高沥青混合料的质量，改善沥青路面的使用性能，延长路面的使用寿命，进而提高投资效益，这些问题对于高等级公路建设正处于高速发展阶段的我国显得尤为重要。

1 低温开裂机理及影响因素

为了解决路面低温开裂问题,对其开裂机理[1]及影响因素进行研究是相当有必要的。研究普遍认为，在温度较高时，沥青材料体现了粘弹性，具有应力松弛特性，拉应力会随着时间的增长逐渐消解；而在低温情况下，沥青是一种脆性材料，接近于线弹性，其应力松弛能力大大降低。当温度骤然下降或面层材料松弛性能不好时，沥青混合料将发生低温收缩，由于路面主要受到水平纵向约束，致使收缩变形受到约束，从而产生较大的温度应力，当温度应力超过沥青混合料的极限抗拉强度时，路面将发生低温开裂。

沥青路面开裂的影响因素[2]包括沥青本身的性质、沥青混合料的组成、路面结构的几何尺寸、沥青膜的厚度、基层的影响、土基应力集中的影响、路龄、交通量、气候等。研究表明，在沥青混合料中沥青材料在低温抗裂性方面贡献率高达87%[3]。甚至有学者认为，在沥青混合料的低温收缩和疲劳开裂中，沥青材料的低温抗裂性能起决定性作用[4]。由此可知，可以通过提高沥青材料低温抗裂性的方法提高沥青混合料的低温抗裂性。

2 低温抗裂性评价方法

在沥青混合料低温抗裂性研究方面，常用低温下的抗拉强度或抗变形能力来评价，例如美国公路战略研究计划(SHRP)曾提出以温度应力试验和J积分试验作为评价沥青路面低温开裂的主要方法。其他常用的试验方法包括:等应变加载的破坏试验、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、劈裂试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。

同时，也可用评价沥青低温抗裂性能的指标对沥青混合料进行间接评价，如低温感温比、脆点、低温针入度和低温延度等，同时也可采用测力延度试验、弯曲梁蠕变试验(BBR)和直接拉伸试验(DT)来评价改性沥青的低温性能。在一些国家的沥青标准中,沥青的低温抗裂性能采用了弗拉斯脆点指标。我国“八五”攻关成果建议沥青低温性能的评价指标最好采用当量脆点T1.2和10℃延度。在现行规范中规定采用5℃延度来评价改性沥青的低温抗裂性。

3 改善沥青混合料低温抗裂性的方法

3.1 纤维增强

在沥青混合料中掺入纤维是一种提高混合料抗裂性能的有效手段，国内外对其性能开展了大量研究[5-9]。研究表明，掺入纤维可以改善沥青混合料的高温稳定性、疲劳耐久性、低温抗裂性及防止反射裂缝的性能。公路工程中常用的纤维有木质素纤维、聚脂纤维、有机纤维、钢纤维等。

3.1.1 纤维增强的作用机理

在提高沥青混合料的低温抗裂性方面，纤维具有改性、加筋和稳定作用，能显著影响沥青混合料的韧性和破坏过程。由于纤维具有很大的表面积，当纤维加入到沥青混合料后，纤维与沥青、纤维与纤维之间相互作用，如吸附、扩散、化学键合等，使沥青在纤维表面形成结合力牢固的结构沥青薄膜，该界面结构有助于增强其粘结力，降低沥青的温度敏感性,从而改善沥青混合料的高温和低温性能。与此同时，纤维及周围的结构沥青一起裹覆在集料表面，使集料表面的沥青膜增厚，且纤维的加入可有效分散荷载，消散应变能，使结构整体性更强。在沥青混合料中,数量众多的纤维呈三相随机均匀分布，形成纵横交错的空间网络结构，在一定程度上能阻止裂缝的产生；当孔隙及裂纹产生后，纤维的存在及咬合效应使裂纹的扩展受到约束和阻滞，从而提高沥青路面裂纹的自愈能力，最终提高沥青混合料低温抗裂性。

3.1.2 木质素纤维

木质素纤维[6]属于植物纤维，是植物加工成纸浆和纤维浆液过程中的副产品，木质素纤维的加入使混合料的最佳沥青用量增加，进而增加混合料的延展性，改善混合料的劲度模量。木质素纤维对沥青具有增韧、增粘作用，改善沥青的胶体结构，提高其抗剪、抗拉能力。同时，木质素纤维本身具有良好的物化性能，低温时不变硬变脆，能有效地抵抗温度应力，减少温缩裂缝的产生。其在混合料中的加筋作用使混合料具有较好的柔韧性、弹性恢复性及低温应变值，互相搭接的木质素纤维能提高混合料的抗拉强度，从而提高路面低温抗裂性能。

3.1.3 聚酯纤维

在沥青混合料中掺入一定量的聚酯纤维[7]后能提高其低温抗裂性的主要原因在于纤维的阻裂效应，在受力过程中，聚酯纤维能阻止裂缝的引发，从而减少了裂缝源的数量。聚酯纤维具有很高的断裂延伸率，即具有极强的韧性，同时，聚酯纤维具有极强的吸附性，低温不脆化，高温不软化变形，在温度应力及外力冲击等作用下，聚酯纤维沥青混合料可以承受很大的拉伸变形，低温抗裂性提高。

3.1.4 有机合成纤维

我国目前使用较多的有机合成纤维主要是德兰尼特AS[8](Dolanit AS)，它是专门用于沥青混合料的有机合成纤维。它具有较强的均匀分散性，表面与沥青的亲和性能好，强度高，吸附性强，它不仅是稳定添加剂，更能改善沥青胶体的结构，起到加强筋的作用。1）大量的纤维会吸收沥青产生吸胀作用。2）由于纤维端部有明显的触角状突起，有利于各纤维的搭接，便于“桥接”与“加筋”作用的发挥，使路面传递的荷载可以及时的分散于矿质骨料和沥青混合料中,较大幅度增加沥青混合料的抗裂性。

3.1.5 钢纤维

钢纤维[9]作为沥青混合料的一种加强筋，具有高强度、耐高温、高弯曲弹性及高取向性等路用性能，可以改善沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性。加入钢纤维可以明显增加沥青混合料的劈裂强度，降低劲度模量和刚度，提高其抗拉强度和延性，延迟沥青路面的开裂。在钢纤维沥青混合料中，受到的拉应力由沥青、集料和钢纤维三者承担，钢纤维使混合料由沥青、集料的突然拉断破坏转变为沥青、集料、钢纤维与沥青界面剪切破坏的破坏模式，使钢纤维沥青混合料的强度显著提高。

3.2 聚合物改性沥青

沥青材料的缺点是温度敏感性大,高温流淌，低温发脆，为克服沥青的上述缺点，沥青的改性受到人们的普遍重视。在沥青中添加改性剂进行改性由来已久，其中聚合物用得最多。将少量聚合物均匀地混入沥青中，可使沥青的使用性能得到很大的提升，成为提高沥青性能的有效途径。可作沥青改性剂的聚合物一般分为热塑性橡胶类、橡胶类、树脂类。

3.2.1 热塑性橡胶类

该类改性剂主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)。SBS是国内外应用最广的一种沥青改性材料，它对沥青的高低温性能[10]、弹性恢复性能及感温性等指标都有明显改善。它作为一种热塑性弹性体,兼具橡胶与塑料的特性，加热熔融后易与沥青共混，冷却后可以恢复其弹性体特性，在使用温度范围内，具有相当高的机械强度和弹性，因此被广泛应用于沥青的改性。在低温时，镶嵌的高分子物质吸收消耗了破坏应力，高分子的变形性能提高了改性沥青的低温抗裂性能，是一种理想的低温沥青改性剂。

3.2.2 橡胶类

橡胶类改性剂对提高基质沥青的低温抗裂性有明显效果，这类化合物包括天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、聚氯丁二烯(CR)、丙烯腈-丁二烯高聚物(ABR)、聚丁二烯(BR)、聚苯乙烯-异戊二烯共聚物等。丁苯橡胶(SBR)是道路实际工程中使用较为普遍的橡胶类改性剂，能显著提高沥青的低温变形能力，改善沥青的感温性和粘弹性[11,12]。SBR是丁二烯与苯乙烯单体无规则共聚的产物，分子量高，玻璃化温度低。当SBR分散到沥青中后，在低温下由于沥青硬而橡胶相对较软，在受到外力作用时，胶粒的变形拉伸起到一定程度的增韧作用，降低了整体材料的脆性，低温性能得到改善。

3.2.3 树脂类

树脂类改性剂分成热塑性树脂和热固性树脂两种，前者有乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯等；后者有环氧树脂、酚醛树脂等。研究表明，聚乙烯改性使沥青在低温下的韧性增加，同时防止微细裂纹的形成与发展，从而使低温抗裂性能得到改善。