交联聚乙烯改性沥青混合料高温性能研究*

卜宇翔 叶群山

(长沙理工大学交通运输工程学院 长沙 410114 )

我国南方大部分地区属于亚热带季风气候，夏季高温多雨；加之高速公路上的车辆重载、超载现象严重。因此，沥青路面会受到高温、雨水及车辆荷载等多种因素的耦合作用，一方面使沥青路面“软化”现象严重，抗车辙性能不足，其塑性变形会在车辆荷载作用下逐渐累积，沥青路面平整度降低[1]；另一方面，雨水会在高温环境中迅速汽化，极易进入沥青与集料的粘附表面，致使沥青膜脱落，最终表现为路面病害，严重损害了沥青路面的路用性能和使用寿命[2]。

为提高沥青路面的高温稳定性，主要有两种途径，一是优化沥青混合料级配，通过改变混合料级配的空隙率，促使沥青混合料路用性能得以改善[3]；二是改善沥青路面材料，通过采用各种新型的改性剂与添加剂对基质沥青进行改性，从而增强沥青混合料的高温稳定性[4-5]。聚乙烯(PE)常用为道路沥青的改性剂，由于聚乙烯大分子链能够吸附沥青中的轻质油分，有效阻滞沥青分子的流动，对沥青高温稳定性有较大的提升，但与沥青的相容性较差，其优良的性质不能传递给沥青，改性效果不佳。

交联聚乙烯(XLPE)是通过物理或化学方法将线性的聚乙烯分子通过共价键交联成三维空间网状结构的一种改性聚乙烯[6-9]。与传统的聚乙烯相比，具有良好的耐热性能、高强度机械性能和稳定的化学性能等优点。因此，交联聚乙烯用作沥青改性剂，不但将其优越的高温性能传递给沥青，而且以改性剂为核心的胶团能够均匀稳定存在，显著改善了沥青的流变性能和力学性能，其改性沥青混合料路用性能也随之增强，从而减少沥青路面病害的发生。

1 沥青混合料材料组成

1.1 沥青

本研究中XLPE改性沥青自行制备，其改性剂为埃及石化(54503)XLPE料，XLPE 的掺量为3%，5%，7%，并进行了相关试验，得出不同掺量的XLPE改性沥青的性能。其主要技术指标见表1。

表1 不同掺量XLPE改性沥青技术指标检测结果

为更好研究交联聚乙烯改性沥青的高温稳定性，选取了3个对比组：70号基质沥青、SBS改性沥青和5%PE改性沥青。其主要技术性能见表2。

表2 对比组沥青技术指标检测结果

1.2 集料

试验选取质地优良的粗集料、细集料和填料，其主要技术特性符合规范要求，并通过筛分试验，获得合理的AC-13级配。级配组成见表3。

表3 AC-13级配组成

2 沥青混合料试验

2.1 马歇尔试验

为确定沥青混合料的最佳油石比，对6组沥青混合料进行了马歇尔试验，通过测定试件的毛体积相对密度、流值、稳定度等相关指标，得到基质、5%PE、SBS、3%XLPE、5%XLPE和7%XLPE改性沥青混合料的最佳油石比分别为5.2%，5.3%，5.3%，5.3%，5.2%，5.3%。

2.2 单轴重复蠕变试验

实验采用MTS材料试验机，旋转压实法成型试件，试件尺寸为直径×壁厚=100 mm×100 mm；试验温度设置3个水平，分别为40，50，60 ℃；加载应力取标准轴载，即0.7 MPa；加载波形采用半正弦波，加载时间0.1 s，间歇时间0.9 s，以1 s为一个加载循环，加载5 000次循环。

3 试验结果及分析

3.1 单轴重复蠕变曲线分析

通过单轴重复试验得到各组沥青混合料在不同温度下蠕变曲线，如图1所示。

图1 各沥青混合料不同温度单轴重复蠕变曲线

由图1可见，在不同温度下各组沥青混合料单轴重复蠕变曲线变化趋势基本相同，均经历了迁移期、稳定期、破坏期3个阶段。其中随着荷载作用次数的增加，基质沥青混合料试件变形量及变形速率均最大，而其他5种沥青混合料的变形相对较小，这表明改性剂的掺入改善了沥青混合料的高温性能，改性剂吸收沥青中轻质组分并形成了稳定的胶团，有效地阻止了沥青分子的高温流动，同时也增强了沥青中弹性成分，使其在高温条件下变形恢复能力增强，永久变形的累积速率变缓。

在5组改性沥青混合料中，SBS改性沥青混合料变形量最小，这是因为SBS与沥青形成了空间网络结构，由于结构之间存在强烈吸附作用，有效限制了沥青质点的位移及其胶体流动能力，使沥青的的内聚力和柔韧性得到提升。对于3组不同掺量的XLPE沥青混合料而言， XLPE的掺量是影响沥青混合料高温性能的关键，随着XLPE掺量的增加，呈现出先增强后减弱的总体趋势，当XLPE掺量为5%时，XLPE改性剂分子长链全部得以舒展，吸收了沥青芳香烃等轻质组分，形成了稳定三维空间结构，将XLPE优越的高温性能传递给沥青，改善了沥青的流变性能和力学性能，故由此制备的沥青混合料具有较好的高温性能。

3.2 蠕变劲度模量分析

不同温度下各沥青混合料迁移期和稳定期的蠕变劲度模量见图2。

图2 各沥青混合料不同温度蠕变劲度模量变化图

由图2可见，同一温度下，各沥青混合料的蠕变劲度模量随荷载作用次数增加而逐渐降低，这是因为沥青混合料在循环荷载作用下，产生了疲劳现象，沥青混合料弹性恢复能力降低，蠕变劲度模量减小；对于同一种沥青混合料而言，试验温度越高，沥青混合料的蠕变劲度模量也就越小，这是由于温度升高，沥青的“软化”效应显著，荷载作用下其塑性变形量增大，并逐渐累积，致使蠕变劲度模量也随之降低，6组沥青混合料中，改性沥青混合料的蠕变劲度模量高于基质沥青，即便温度升高，其模量降低速率也明显低于基质沥青，这证明改性沥青混合料高温稳定性优于基质沥青。

对于5组改性沥青混合料而言，采用SBS和5%XLPE改性后沥青混合料总体性能较好，在荷载作用初始阶段，其蠕变劲度模量较SBS改性沥青混合料大；荷载作用次数超过1 000次时，SBS改性沥青混合料模量较大，2种沥青混合料各具优点。XLPE的掺量不断增加时，沥青混合料的蠕变劲度模量也随之变化，当掺量为5%时，其模量最大，此时XLPE改性沥青混合料的高温性能最优。

3.3 流变次数及永久变形量分析

不同温度下，各沥青混合料的流变次数和永久变形量见图3。

图3 各沥青混合料不同温度下流变次数和永久变形量

由图3可见，各沥青混合料的流变次数随温度升高呈降低趋势，这是由于温度升高，作为胶结料的沥青会逐渐软化，对集料表面产生润滑作用，减弱了集料之间的嵌挤力，导致了沥青混合料的内摩擦力降低，沥青混合料的整体强度也随之下降，应力控制模式下，荷载峰值一定，加速其破坏进程。

由流变次数可知，基质沥青混合料高温性能最差，SBS改性沥青混合料最好，而5%掺量的XLPE改性沥青混合料的性能仅次于SBS。流变次数所对应的永久变形量，随着温度升高，各沥青混合料所呈现变化趋势不同，未体现一定的变化规律。

4 结论

1) XLPE吸收了沥青中芳香烃等轻质组分，形成了稳定三维空间结构，有效地阻止沥青分子高温流动，减弱了沥青的高温“软化”效应，保持了对集料的粘聚力，促使沥青混合料荷载作用下永久变形的累积速率变缓。

2) XLPE将优越的高温性能传递给沥青，同时增加了沥青中弹性成分，变形恢复能力增强，沥青混合料的蠕变劲度模量也得以提高。

3) XLPE掺入沥青中，显著增加了沥青混合料流变次数，但对永久变形量影响未体现一定的规律。

4) XLPE掺量是影响沥青混合料高温性能的关键因素，当XLPE掺量为5%时，其混合料高温稳定性最优。

[1] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

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