增模改性剂路用性能试验研究

刘 介 平

(山西省公路局吕梁分局，山西 吕梁 033000)

0 引言

随着社会发展，交通流量迅猛增加，重车、大车较多，尤其在高速公路的长陡坡路段，车速相对较慢，普通沥青混凝土路面抗车辙能力较差，无法满足我国当前交通压力大、重载及超载现象，所以许多高速公路都过早的出现车辙。车辙严重影响行车安全和舒适度，并直接影响路面使用寿命，给交通安全带来许多隐患：1)车辙使路面平整度降低，严重影响行车安全性及舒适度。2)车辙处沥青混凝土面层厚度减薄，容易产生裂缝，导致雨水渗入基层，影响或降低路面整体强度。3)车辙处雨天积水和冬季聚冰容易导致过往车辆出现滑移，车辆变换车道时行驶稳定性差，影响行车安全[1]。沥青混合料具有粘弹性，在高温下其动态剪切模量会大幅降低，在同样应力作用下，应变会随之增大，如果长时间处于高温环境，沥青路面在车辆荷载的反复作用下就会产生破坏变形[2]，这就是产生车辙的根本原因。

1 国内外研究现状

国内外相关研究表明，沥青混合料的高温稳定性与模量成正比。美国NCAT试验路的结论也表明沥青混合料模量越高抗车辙能力也就越强。南非沥青协会(SABITA)通过铺筑试验段，经过观测得出结论高模量沥青路面能赋予道路更长的使用寿命，比利用传统的碎石基层和磨耗层具有更高的路用性能。华南理工大学在沥青路面车辙病害研究中发现沥青路面的模量越高车辙越小。综合以上国内外研究成果得出结论，提高沥青混合料的模量是解决车辙病害的有效方法，提高沥青路面的模量已经成为延长沥青路面使用寿命的发展方向。

20世纪80年代，由法国最早提出高模量沥青混合料的概念，高模量沥青混凝土相对于普通的沥青混凝土具有更高的模量、更优越的高温稳定性和抗疲劳性能，可以作为沥青道路的基层和中下面层。目前提高沥青混合料的模量主要有三种途径：1)采用低标号硬质沥青来制备高模量沥青混凝土；2)用高模量改性沥青制备高模量沥青混凝土；3)在普通沥青混合料搅拌时加入高模量添加剂，以此来制备高模量沥青混凝土。第三种方法由于工艺简单而受到追捧。

本文以一种自主研发、提高沥青混合料模量的增模改性剂为研究对象，通过沥青混合料的动稳定度、低温弯曲破坏应变等指标研究分析其路用性能，从而验证、评价本产品的质量，为其大规模推广使用提供技术支持。

2 增模改性剂材料组成及作用机理

本文通过高分子相容性理论，在溶度参数相近的条件下，寻找与沥青组分分子链段水平上的“相容”材料，以及寻找能与试验物质可能生成氢键或者是类氢键的物质，依靠附加分子作用力达到目的。为达到设计的高模量标准，必须使用高分子聚合物及树脂组成的增模改性剂来提高沥青混凝土的模量。另外，根据对市面上符合要求的高模量改性剂的化学成分进行分析，其成分中不但有PE(还拌有适量的SBS)等聚合物，还配有分散剂、抗老化剂、增塑剂等多种能改善沥青混合料高温性能、低温性能、抗老化性能的化学成分。

通过大量相关试验研究，本文自主研发了一种增模改性剂，主要由高分子聚合物、岩沥青、橡胶粉和其他材料在特定的工艺条件下混炼而成的化合物，如图1所示。其材料组分及相应含量及主要技术指标分别如表1，表2所示。

表1 增模改性剂组分表

序号组成重量百分比/%1高分子聚合物60～802橡胶粉20～303岩沥青5～104树脂2～35功能助剂26防老剂RD0.2

表2 增模改性剂性能指标

本文研制的增模改性剂与市面上的传统沥青混合料改性添加剂相比，主要特点为熔点控制在120 ℃～130 ℃范围内，使其更容易与骨料结合。在骨料搅拌过程中加入，施工效率高。性能方面大大提高其沥青路面的动态模量和刚度，在提高沥青混合料的高温稳定性能的同时不损伤沥青混合料的低温性能，具有施工简便、节能环保等优点。

1)增强粘结力。

加入增模改性剂，在骨料搅拌过程中，部分改性剂融化后裹覆在石料表面，待加入沥青后，沥青膜与骨料表面的增模改性剂紧密粘结，增强了沥青与石料的粘结力，从而达到了增模改性剂的目的。

2)加筋作用。

在混合料运输过程中，部分溶解或溶胀于沥青中的增模改性剂，继续在沥青中渗透，与沥青充分融合，形成胶结作用。拌合中形成的微结晶区具有较强劲度，在施工过程中有些变成纤维状，在骨料内形成纤维加筋作用。

3)合金晶格歪扭强化。

高分子聚合物在常温状态下会呈结晶体状，使沥青在混合料中得到强化，从而达到提高软化点温度、增加粘度、提高混合料密度，这就是掺加增模改性剂沥青混合料常温下模量较大的原因。

4)嵌挤作用。

增模改性剂在施工过程中达到软化点软化，软化变形的增模改性剂颗粒在碾压过程中成型，起到了在集料骨架中的空隙填充具有高粘附性的细集料的作用，增加了沥青路面结构的骨架作用。

5)吸收沥青中的轻质油分。

增模改性剂属于高分子材料，通过吸收沥青中轻质油分来增加沥青粘度、提高沥青混凝土模量，达到提高沥青混合料的抗车辙能力。

3 高模量沥青混凝土路用性能试验研究

本文通过试验研究了添加增模改性剂的沥青混合料的路用性能，试验内容包括车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验等。

3.1 车辙试验

按照我国交通部颁布的《公路沥青路面施工技术规范》和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法进行车辙试验，根据试验结果，得出动稳定度随增模改性剂掺加量变化如图2所示。

1)与普通沥青混合料相比，掺加增模改性剂的沥青混合料的抗车辙能力提高较为明显，与未掺加增模改性剂的沥青混合料相比动稳定度提高了4倍～10倍。

2)沥青混合料的抗车辙能力随着增模改性剂掺加量的增加而提高，说明掺加增模改性剂可以提高沥青混合料的模量，增大其高温稳定性。

3)抗车辙能力主要取决于沥青混合料的流变特性，从车辙试验的变形破坏结果来看，不掺加增模改性剂的沥青混合料试件在轮载作用部位变形明显，而掺加增模改性剂的沥青混合料的轮载部位下凹较小，说明增模改性剂提高了沥青混合料的流变性能。

3.2 低温弯曲试验

低温开裂现象是沥青路面的主要病害之一，由于冻融循环，沥青路面产生温度收缩裂缝，裂缝的产生不但破坏了路面的整体性及连续性，而且会使路基受到水的侵蚀，导致道路承载能力下降，道路承载能力下降又会产生新的裂缝，如此恶性循环，随着裂缝越来越多，将严重影响道路的服务年限和质量。

我国“八五”国家攻关课题经过研究分析后，采用弯曲蠕变试验作为我国沥青混合料低温抗裂性能评价方法，但弯曲蠕变试验仅仅是定性的分析方法，无法预测沥青混合料的低温性能。所以目前评价沥青混合料的低温性能主要方法还是《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中提到的低温弯曲试验。

根据试验结果，本文得出破坏应变随增模改性剂掺加量变化如图3所示。

沥青混合料的最大弯拉破坏应变随增模改性剂掺加量的增加有小幅增长，但影响不大，说明增模改性剂并未对沥青混合料的低温稳定性造成太大影响。

3.3 浸水马歇尔试验

沥青路面的水稳定性是指沥青混合料的抗水损害的能力。本文采用T0709—2000沥青混合料马歇尔稳定度试验中的浸水马歇尔试验研究沥青混合料的水稳定性能。浸水马歇尔试验的评价指标为残留稳定度，残留稳定度越大混合料的水稳定性越好。

根据试验结果，本文得出残留稳定度随增模改性剂掺加量变化如图4所示。

浸水马歇尔试验结果表明残留稳定度随增模改性剂掺量增加而增大，提高了2%～11%，说明增模改性剂能有效提高沥青混合料的抗水损害性能。

4 结语

从车辙试验结果看，随着增模改性剂掺加量的增加，沥青混合料动稳定度明显提高，当掺加量为0.6%时，沥青混合料动稳定度相对于普通沥青混合料提高了约10倍，增模改性剂对沥青混合料的高温稳定性有着非常显著的提升效果。低温弯曲试验结果表明增模改性剂对沥青混合料的低温性能没有太大影响。浸水马歇尔试验结果表明随增模改性剂掺加量的增加，残留稳定度有2%～11%的增长，掺加增模改性剂的沥青混合料具有良好的抗水损害性能。

掺入本文自主研发的增模改性剂既不降低沥青混合料低温抗裂性能，又能提高沥青混合料的高温稳定性，并且本产品能够有效提高沥青混合料抗水损害能力。鉴于本产品的优点，本产品可用于重载交通下的路面结构中面层以及大长坡、爬坡路段等。