掺外加剂沥青混合料路用性能及黏弹性试验分析＊

马 峰，傅 珍，牛 帅，郭怡菲，张 超

（1．长安大学 公路学院，西安710064；2．长安大学 材料科学与工程学院，西安710064）

沥青材料自身的温度敏感性容易引起沥青混合料的回弹模量发生变化．高温时，沥青混合料的回弹模量迅速降低，在荷载作用下产生过量的变形而导致车辙病害；低温时，回弹模量又迅速提高，不利于温缩应力的释放而产生低温开裂，沥青路面的路用性能受到影响．针对这一问题，国内外提出了许多改善措施，研发了多种改性剂及改性沥青，从沥青混合料本身的力学性质方面出发提高其路用性能．如在沥青及混合料中加入高分子材料能改善沥青的高、低温性能［1-2］．文献［3］以聚乙烯（Poly Ethylene，PE）和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styreneic Block Copolymers，SBS）为改性剂测试了沥青混合料的路用性能；文献［4］选取2种高模量添加剂分别形成高模量沥青混合料与普通沥青混合料进行路用性能的对比试验研究；文献［5-6］分析了抗车辙剂对沥青混合料高温与低温性能的影响；文献［7-8］研究了纤维对沥青混合料性能的改善作用及机理；文献［9-10］研究了纳米SiO2等改性沥青混合料的路用性能，并与基质沥青混合料和SBS改性沥青混合料进行了对比．以上方法中使用较多的是掺入外加剂提高沥青混合料的高温模量或低温柔性，但存在改性效果比较单一问题，且外加剂与混合料模量之间的相关关系也尚未有系统的研究．此外，对于沥青混合料来说，黏弹性是其基本的力学性质，在对沥青混合料的各种性能进行改性的同时也会对其黏弹性产生一定的影响．文献［11-13］研究了沥青混合料在变形的黏弹塑性本构模型及在高温、载重作用下的黏弹特性．为此，文中选取3种外加剂配制5种沥青混合料，对其进行路用性能试验，分析不同外加剂对路用性能的改性效果与其对模量改善方面的相关性．对几种沥青混合料进行了蠕变试验，从黏弹性的角度评价外加剂对混合料回弹模量及劲度模量的改善效果，为沥青混合料选择，沥青路用性能改善提供参考．

1 试验材料及方法

1．1 试验材料

1）沥青与集料

试验采用SK-70＃沥青，其技术性能指标见表1．粗、细集料均采用石灰岩，矿粉为磨细的石灰岩，各指标满足技术规范要求．

表1 SK-70＃沥青技术性能指标Tab．1 Properties of asphalt SK-70＃

2）外加剂

试验采用某抗车辙剂（简写K）、新型橡维联和添加剂PR．M三种不同的外加剂．抗车辙剂由高聚物材料、木质素纤维及化学助剂等物质复合而成，外观为黑色固体颗粒，粒径约为3mm，在常温下性质稳定．新型橡维联由橡胶粉与维他连接剂（Trans-Polyocteenamer Rubber Reactive Modifier，TOR）聚合而成，呈直径5mm左右黑色柔软颗粒．添加剂PR．M是法国研发的高模量添加剂，其主要成分是改性的PE材料，属于热塑性树脂类，在常温下物理性质稳定，外观为灰色扁平状固体颗粒．三者物理性质指标见表2．

表2 外加剂物理性质Tab．2 Physical property index of three admixture

3）制 备

抗车辙剂在使用时采用干拌法拌和，将其投入到拌和锅内与矿料拌和90s，拌和温度不低于180℃，然后分别加入沥青与热矿粉，并分别拌和90s，要求在出料时无花白料或离析现象．添加0．3%～0．6%含量时对基质沥青混合料的最佳油石比无明显影响．橡维联使用方法同抗车辙剂，拌和温度不小于180℃．PR．M添加剂试验时矿料加热温度为175～180℃，拌和温度为170～175℃，拌和方法同抗车辙剂．PR．M参考用量为沥青混合料质量的0．3%～0．5%，每添加0．2%～0．3%的PR．M，最佳油石比较基质沥青混合料增加1%．

由于添加抗车辙剂或PR．M对于沥青混合料的级配无明显影响，在矿料级配设计时不必考虑其二者级配组成，试验选用AC-13型矿料级配．对于添加新型橡维联的沥青混合料，在干拌法拌和后，仅有部分橡维联融入沥青，剩余部分仍留在矿料中充当填料，影响到原混合料的矿料级配，故原矿料级配需调整，以使新型橡维联在混合料中发挥到最佳效果．文献［14］选用AC-13C型级配．通过马歇尔试验方法，确定掺加三种外加剂的最佳油石比分别为4．5%、4．7%和4．3%．

1．2 试验方法

对制备的5种外加剂混合料进行路用性能试验．5种外加剂混合料：基质AC-13混合料，用Ⅰ表示；AC-13＋0．5%抗车辙剂，用Ⅱ表示；AC-13＋0．4%PR．M，用Ⅲ表示；AC-13C＋1．5%橡维联，用Ⅳ表示；AC-13C＋0．5%抗车辙剂＋1．5%橡维联，用Ⅴ表示．试验方法为

1）车辙试验

采用车辙试验评价沥青混合料高温稳定性能．本文车辙试验温度为60℃，车辙板厚度为50 mm，在规范的试验条件下对5种沥青混合料分别进行车辙试验，并计算动稳定度．

2）低温弯曲试验

采用MTS万能试验机评价沥青混合料低温性能，计算试件的抗弯拉强度RB、弯拉应变εB以及弯曲劲度模量SB．试验前先将小梁试件在-10℃的环境箱中保温3小时以上，且试验也在-10℃环境箱中进行，以减少环境温度偏差对试验结果的影响．

3）浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验

沥青路面在经受反复的车辆荷载时，混合料内部空隙中的水也会在压力作用下反复抽吸，导致沥青与集料的粘结力降低，另外，侵入到沥青膜与集料之间的水分也会阻断二者的相互粘结，造成沥青路面的松散、剥落，形成坑槽．本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价混合料的水稳定性．

4）单轴静载蠕变试验

选用单轴静载蠕变试验方法测试沥青混合料的黏弹性．试验用试件为标准马歇尔试件，双面各击实75次，试验温度选取20℃、40℃及60℃，应力水平0．2MPa，试验仪器为CMT5105型万能试验机．试验前将试件在设定温度的高低温箱中保温4h以上，确保试件内部也达到试验温度．试验开始前先用5%的蠕变荷载对试件进行预压，预压试件30s，然后施加蠕变荷载并保载60min后卸载，系统测定加载的60min以及卸载后15min内试件的变形数据．

5）抗压回弹模量试验

采用CMT5105微机控制万能试验机通过单轴压缩试验方法，试验机准确度等级达到0．5级，最大承载为100kN．采用系统自带的高低温箱进行保温，控温范围为-40～160℃，控温准确到0．5℃．

2 结果及分析

对5种沥青混合料进行路用性能试验，分析不同外加剂对沥青混合料模量的改善效果与其高温、低温性能的相关性．

2．1 动稳定度分析

沥青混合料的车辙试验数据如图1所示．

图1 5种沥青混合料的动稳定度Fig．1 Dynamic stability of 5types of asphalt mixtures

从图1看出，试验采用的3种外加剂对沥青混合料的动稳定度均有不同程度的提高，其中添加抗车辙剂与PR．M的三种混合料提高幅度较大，添加抗车辙剂的Ⅱ号混合料的动稳定度在几种混合料中最高，达到基质沥青混合料的8．42倍，单独添加橡维联的混合料动稳定度提高幅度在几种混合料中最小．高温与常温环境时抗车辙剂与PR．M对混合料的抗压回弹模量提高效果最好［14］．因此，几种外加剂对沥青混合料动稳定度的影响与其高温时抗压回弹模量提高效果基本一致，说明提高沥青混合料的回弹模量对于改善动稳定度有很好的相关性．

2．2 低温抗裂性分析

在-10℃的低温环境下，沥青处于硬脆性状态，沥青混合料的弹性效应明显提高，此时混合料的抗压回弹模量较高，不利于路面温缩应力的释放．在沥青混合料中添加了高模量剂后，混合料的抗压回弹模量提高，有利于高温下抵抗车辙变形，但同时也提高了其低温模量，这就造成了在解决高温车辙问题的时候忽略或降低了低温抗裂性能的矛盾现象，而能否解决这一矛盾对于该类外加剂如抗车辙剂或PR．M的应用是一个关键问题．

对5种沥青混合料分别进行低温弯曲试验，弯曲劲度模量及弯拉应变如图2～3所示．

图2 弯曲劲度模量Fig．2 Bending stiffness modulus

图3 弯拉应变Fig．3 Flexural tensile strain

从图2可以看出，掺加外加剂沥青混合料的低温劲度模量低于基质沥青混合料，这种结果与常温和高温时外加剂混合料抗压回弹模量明显高于基质沥青混合料的状况相反，说明添加外加剂能够很好的兼顾沥青混合料的高低温性能要求，是一种能够对沥青混合料高低温性均产生积极影响的技术措施．

从图2～3可看出，掺有外加剂沥青混合料的弯拉应变均比基质沥青混合料有所提高，其中添加有橡维联材料的Ⅳ、Ⅴ号混合料的提高幅度最大，展示了橡维联材料优良的低温柔韧性．同时双掺外加剂的Ⅴ号沥青混合料的弯拉应变水平最高，结合前述车辙试验结果认为，这种双掺外加剂沥青混合料能够同时保证高低温性能要求，表现出该混合料的优势．

2．3 水稳定性分析

对文中5种沥青混合料进行浸水马歇尔试验，其结果如图4所示．

图4 沥青混合料残留稳定度Fig．4 Residual stability of 5types of asphalt mixtures

从图4可看出，几种外加剂对沥青混合料的水稳定性均有不同程度的改善，其中效果最好的是PR．M，其残留稳定度达到了93．8%，比基质沥青混合料提高了7．6%，主要原因是部分溶于沥青的PR．M提高了沥青的黏性以及沥青与集料之间的粘附性，有利于沥青混合料水稳定性的改善．其余3种混合料的提高幅度在2．3%～5．0%之间．

抗车辙剂与PR．M在提高沥青混合料高温稳定性的同时，对水稳定性还有一定程度的改善，这一点对于抗车辙剂与PR．M材料在我国南方炎热多雨地区的应用有积极作用．橡维联混合料的水稳定性改善效果虽然比不上PR．M，但其残留稳定度仍处于一个较高的水平，尤其是对于同时添加抗车辙剂与橡维联的Ⅴ号沥青混合料，在兼顾高温、低温性能的同时，还能明显改善水稳定性．

相比于浸水马歇尔试验，冻融劈裂试验的试验条件更加苛刻，首先在真空条件下使水分进入沥青混合料的空隙中，然后在-18℃的环境下冷冻使空隙中的水分结冰体积膨胀，从而使沥青膜受压，之后在60℃水浴中冰融化造成的体积变化又会对沥青膜产生压力，这个冻融循环能显示出沥青路面在恶劣冻融环境中的水稳定性．沥青混合料的劈裂强度数据如图5所示．

图5 沥青混合料残留强度比Fig．5 Residual strength ratio of 5types of asphalt mixtures

从图5可以看出，几种混合料的残留强度比均满足规范要求，其中对水稳定性改善效果最好的是掺有抗车辙剂与PR．M的三种沥青混合料，残留强度比比基质沥青混合料提高了9%以上，优于橡维联混合料，超过规范对于改性沥青混合料的残留强度比要求．

2．4 黏弹性

采用单轴静载蠕变试验测试沥青混合料的黏弹性．在本文的0．2MPa应力水平下，预压应力为5%的加载应力，即为0．01MPa，预压应力较小且持续时间较短，从而使试件在试验开始时的初始永久变形较小，后期的蠕变变形较大，蠕变劲度模量偏小．沥青混合料在20℃、40℃和60℃下的蠕变曲线如图6（a）～（c）所示．

图6 20℃、40℃和60℃下5种沥青混合料的蠕变曲线Fig．6 Creep curve of 5types of asphalt mixtures at 20 ℃，40 ℃ and 60 ℃

由图6（a）～（c）可见，几种混合料在不同温度下的蠕变规律基本相同．在加载的瞬间，试件会产生较大的变形；随后在恒载的持续作用下，变形曲线逐渐缓和并趋于稳定，此时的变形包括弹性变形和粘塑性变形两部分；在卸载的瞬间，弹性变形随即恢复，黏弹性变形在卸载后的15min内逐渐恢复，残留的永久变形即为粘塑性变形．随着时间的增长，蠕变曲线在加载阶段的斜率是逐渐变小的，表明混合料结构变形在持续荷载作用下渐渐趋于稳定，对变形的抗力逐渐增大．在同一应力水平下，试验温度越高，沥青混合料的蠕变变形越大，蠕变劲度模量越小，但在恒应力阶段的蠕变变形增量是减小的，以基质沥青混合料为例，从应变稳定开始到卸载的瞬间，试件在20℃、40℃和60℃时的蠕变变形增量分别是0．553mm、0．284mm和0．072 mm，这与沥青混合料在不同温度下的黏弹性有关．在20℃时，沥青混合料的弹性效应比较明显，在加载时其变形的增大幅度也体现出明显的弹性抵抗作用，变形增量较大；在60℃时的蠕变变形增量则非常有限，近乎于水平线，说明混合料的弹性效应明显减弱，性质偏向于粘性，主要由矿料骨架的嵌挤力承担荷载，在加载后的很短时间内矿料颗粒发生位移并趋于稳定，稳定后试件的变形增量很微小．

对比图6中几种沥青混合料的蠕变变形量，在20℃时变形最小的为PR．M混合料，其次为抗车辙剂混合料，在40℃和60℃时抗车辙剂混合料小于PR．M混合料，这与文献［15］中动、静态模量的试验结果是一致的．在20℃时PR．M对沥青混合料模量的改善效果在几种外加剂中最佳，但在40℃与60℃时则是抗车辙剂的改善效果更佳，体现在本试验中则是蠕变变形的大小关系，回弹模量越高，蠕变变形越小．

3 结 论

1）沥青混合料的路用性能试验表明，高温抗压回弹模量最高的抗车辙剂混合料及PR．M混合料的动稳定度优于其他混合料；在低温时抗压回弹模量降低的橡维联混合料的低温抗裂性能优于其他混合料；沥青混合料的路用性能与抗压回弹模量关系密切．添加抗车辙剂与橡维联的沥青混合料可有效兼顾高、低温性能与水稳性能．

2）沥青混合料在不同温度下的蠕变规律基本相同，在加载瞬间试件会产生较大的变形，随后在恒载的持续作用下，变形曲线逐渐缓和并趋于稳定，蠕变变形随时间延长而逐渐增大，直至趋于稳定，混合料抵抗变形能力相应逐渐增大．

3）在相同的应力水平下，试验温度越高，沥青混合料的蠕变变形越大，劲度模量越小，而在单位时间内的蠕变变形增量则越来越小，沥青混合料的黏弹性随温度升高变化较大，常温时弹性效应较高温时明显，高温时粘性效应较常温时明显．

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