离子型聚合物改性沥青混合料性能分析

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西西安710043)

沥青混合料本身具有损伤自愈合能力，Bazin等[1]认为在高温、荷载间歇期以及损伤过程中，沥青混合料都会发生自愈合行为。目前，已有多项关于沥青混合料自愈合现象的研究，且对影响沥青混合料自愈合的因素进行了详细的研究[2-4]。此外，为进一步增强沥青混合料的自愈合能力，道路研究者采用多种方式促进沥青材料的损伤自愈合现象[5]。有代表性的研究包括：①电磁感应加热促进沥青混合料愈合[6,7]；②微波加热提高沥青混合料的自愈合能力[8]；③通过在沥青中加入含有粘结剂或再生剂的微胶囊，沥青产生微裂缝后，微胶囊破裂并释放粘结剂或再生剂修复微裂缝[9-11]。上述方法可以统称为外援型自愈合方法，但这些方法只能被动提升沥青材料的愈合能力，难以从根本上提升沥青自身的自愈合能力。

此外，还有一种促进材料自愈合能力的方法，称为本征型自愈合方法。例如在聚合物体系内引入双硫键、酰腙键、Dieal-Alder可逆反应等[12]可实现聚合物的自愈合。在本征型自愈合材料中，离子型共聚物材料发挥了重要的作用[13]，其自愈合的主要原理为通过在聚合物主链上引入离子基团，通过离子基团之间的价键连接实现可逆修复。对于此类自愈合材料，美国杜邦公司最早开展研究，代表性的材料为离子型聚合物乙烯—甲基丙烯酸甲酯(EMAA)，EMAA在分子结构上比乙烯—丙烯酸甲酯(EMA)在侧链上多了个甲基，是一种较为新型的离子型聚合物。Kalista等[14,15]对不同离子含量的EMAA进行了射击穿刺试验，结果表明，EMAA能通过表面相互扩散而愈合，并重塑聚合物的力学强度，且EMAA的自愈合可在低温下进行。此外，EMAA还具备非常优秀的增容能力，王如寅[16]等同时研究了EMAA对聚合物材料聚氯乙烯(PVC)/聚丙烯(PP)的增容性能，研究表明EMAA比传统的EVA和LDPE的增容能力强很多，相信EMAA同时能改善诸如SBS、SBR等沥青改性剂的相容性，从而提高改性沥青的各项力学性能。

本文受到高分子聚合物自愈合性能的启发，选用EMAA与SBS制作改性沥青，研究EMAA/SBS改性沥青混合料的路用性能及自愈性能，以期为实际沥青路面中的应用提供一定的借鉴意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

以壳牌A-70#道路石油沥青作为基质沥青，技术性能指标见表1所示；粗集料为陕西金浩石料厂生产的玄武岩碎石，细集料为石泉县池河镇顶鑫石料厂提供的石灰岩，规格为0～2.36 mm，矿粉为石灰岩磨制而成，集料及矿粉的技术指标见表2所示。线型SBS改性剂，具有良好的拉伸强度、耐磨性及屈挠性能；EMAA为白色晶状固体，美国杜邦公司生产。

表1 基质沥青的技术指标Tab.1 Physical properties of base asphalt

表2 集料与矿粉技术指标Tab.2 Physical properties of aggregate and filler

1.2 改性沥青的制备

本文需制备两种不同的改性沥青，包括：SBS改性沥青和EMAA/SBS改性沥青，本文对EMAA/SBS改性沥青制备方法进行介绍，SBS改性沥青可参照下述方法。

① 首先，将基质沥青加热至熔融状态，按4 %的比例加入SBS，利用机械搅拌机以3 000 rad/min对其搅拌20 min，随后按照不同比例加入EMAA材料，搅拌40 min。

② 搅拌完成后，将搅拌均匀的沥青进行剪切处理，开始时的转速为3 000 rad/min，逐步增至7 000 rad/min，整个剪切过程持续45 min。整个制备过程保持温度为165～175 ℃，最后将沥青放在150～160 ℃温度下发育2 h，完成改性沥青的制备。

1.3 EMAA掺量的确定

分别对EMAA掺量为0 %、2 %、3 %、4 %、5 %及6 %的EMAA/SBS改性沥青进行常规性能试验，结果见表3所示。

表3 改性沥青技术指标Tab.3 Technology index of modified asphalt

从表3中结果观察到：①随着EMAA的加入，软化点、当量软化点及运功粘度均有增加，可知EMAA能提升SBS改性沥青的高温稳定性。由于EMAA的加入，一方面可促进SBS改性沥青的稳定性与相容性，另一方面，EMAA上的甲基支链能够提升沥青的粘度，从而提升改性沥青的高温稳定性。

② 随着EMAA掺量的增加，沥青延度先增大后减小，当EMAA掺量超过4 %后，延度下降至小于SBS改性沥青延度。

③ 从表3中看出，当EMAA掺量超过4 %后，高温指标增长速度明显变慢；延度指标有下降，但仍能满足规范要求。考虑到经济性，本文仅对4 %EMAA掺量的改性沥青进行研究。为了使本文写作方便，做以下简化：“基质沥青+4 %SBS”简化为SBS改性沥青；“基质沥青+4 %SBS+4 %EMAA”简化为EMAA/SBS改性沥青。

1.4 混合料级配

本文沥青混合料类型是连续密级配AC-13，级配范围如表4所示。最佳油石比的确定采用马歇尔试验方法，选择4.0 %、4.5 %、5.0 %、5.5 %、6.0 %五个油石比，根据规范要求测定试样的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度及流值等指标，并根据上述试验结果确定基质沥青、SBS改性沥青和EMAA/SBS改性沥青的最佳油石比为4.9 %、4.9 %、5.0 %。

表4 试验中沥青混和料级配Tab.4 Testing gradation of asphalt mixture

2 沥青混合料路用性能及自愈性能

2.1 高温稳定性

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17](JTG E20-2011)制备试件后进行车辙试验。3种沥青混合料的车辙试验结果见表5所示。

表5 沥青混合料车辙试验结果Tab.5 Wheel tracking test results of asphalt mixtures

由表5中看出，两种改性沥青混合料的动稳定度明显高于基质沥青混合料动稳定度；EMAA/SBS改性沥青混合料的动稳定度分别为SBS改性沥青混合料和基质沥青混合料的1.28倍和2.66倍；EMAA/SBS改性沥青混合料的总变形量比基质沥青混合料下降了13.5 %，比SBS改性沥青混合料下降了6.2 %，这表明EMAA加入后显著提高了混合料的高温性能。这是因为EMAA分子结构中的甲基支链和烷基侧链形成的树枝状结构能够提升沥青的粘度；此外，EMAA可促进SBS与沥青的相容性能，增强SBS改性沥青的黏聚力，改善改性混合料的高温性能。

2.2 水稳定性

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]，进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。为保证试验结果的准确性，每种沥青均进行3次平行试验。表6、表7分别为3种沥青混合料的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果。

表6 沥青混合料浸水马歇尔试验结果Tab.6 Immersion Marshall test results of asphalt mixtures

表7 沥青混合料冻融劈裂试验结果Tab.7 Freeze-thaw split test results of asphalt mixtures

由表6中可以看出，EMAA/SBS改性沥青混合料的浸水0.5 h马歇尔稳定度较基质沥青、SBS改性沥青混合料增加2.10 kN和0.67 kN；浸水48 h马歇尔稳定度较基质沥青、SBS改性沥青混合料增加2.7 kN和0.73 kN；残留稳定度为基质沥青、SBS改性沥青混合料的1.10倍和1.02倍。

由表7可以看出，经过冻融循环后，沥青混合料的劈裂强度均出现降低。EMAA/SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)要高于基质沥青、SBS改性沥青混合料的TSR，说明EMAA的加入能够改善SBS沥青混合料的水稳定性。综合表6和表7中的试验结果可以看出，EMAA/SBS改性沥青混合料的水稳定性最好，且完全满足规范中的使用要求。

2.3 低温抗裂性

本文利用小梁弯曲试验获得的抗弯拉强度及最大破坏应变值，评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表8所示。

表8 沥青混合料小梁弯曲试验结果Tab.8 Beam bending test results of asphalt mixtures

从表8结果观察到：两种改性沥青混合料的低温性能明显高于基质沥青混合料的低温性能；但相比于SBS改性沥青混合料，EMAA/SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度和最大破坏弯拉应变均有所下降。原因可能是，EMAA的加入使得沥青材料的柔性降低，低温性能稍稍变差，但仍能满足规范中低温性能要求。

2.4 抗疲劳性能

沥青混合料的抗疲劳性能是指混合料在反复荷载作用下抵抗疲劳破坏的能力。本文通过中点小梁弯曲试验对沥青混合料疲劳性能进行试验，为保证试验结果的准确性，每种沥青均进行三次平行试验。

本文小梁弯曲试验中试验参数的选择分别为：①荷载控制采用应力控制方式，以正弦波形荷载进行疲劳试验，加载频率为10Hz，试验温度为15 ℃；②小梁试验选择以0.1 分级应力水平，试验中采用了0.5，0.6和0.7三个等级；③选用回归方程lgNf=A-nlgσt分析沥青混合料的抗疲劳性能，其中A为疲劳曲线截距，n为疲劳曲线的斜率。

由表9试验结果可知：①对于3种沥青混合料而言，随着应力比的增大，沥青混合料的疲劳寿命均逐渐减小。分析其原因为连续荷载的提高导致试件变形增大，达到极限变形程度所需荷载循环次数减少，导致混合料的疲劳寿命降低。此外，试验结果表明荷载对于沥青混合料疲劳寿命有显著影响，荷载越大，试件裂纹扩展越快，疲劳寿命越短。②在相同应力比下，3种沥青混合料的抗疲劳性能大小为EMAA/SBS改性沥青混合料>SBS改性沥青混合料>基质沥青混合料。

表9 沥青混合料疲劳试验结果Tab.9 Fatigue test results of modified asphalt mixtures

由表10试验结果同样可以看出：EMAA/SBS沥青混合料的疲劳曲线截距为4.26，为三种沥青混合料中最大值；n值为0.99，为三种沥青混合料的最小值。因此可以看出，EMAA的加入改善了SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能。

表10 沥青混合料疲劳方程Tab.10 Fatigue regression equation of asphalt mixtures

2.5 自愈性能

本文借助MTS仪器通过中点弯曲试验对三种沥青混合料进行愈合能力研究，即疲劳—愈合—再疲劳试验，荷载采用应力控制、正弦波形荷载方式，加载频率为10 Hz，试验温度为15 ℃。具体试验方法为：①参照2.4节中应力比为0.5时，沥青混合料的疲劳寿命次数Nf的20 %作为首次疲劳控制点，即首次疲劳次数，即为N1；②首次疲劳试验结束后，将上述试件在室温下放置24h作为愈合间歇期，使沥青混合料进行自愈合；③经过愈合间歇期后，将上述试件在相同的试验条件下进行第二次疲劳试验，直至试件破坏，并将加载次数记作N2。

将两次疲劳试验的总加载次数记作Nsum，即N1与N2之和。此外，每组均进行三次平行试验，取其平均值。本文中沥青混合料的愈合能力通过愈合率P进行量化分析，计算公式如式1所示。

P=(Nsum-Nf)/Nf,

(1)

式中，Nf为常规疲劳试验下，沥青混合料疲劳寿命均值；Nsum为沥青混合料愈合间歇期前后疲劳加载总次数。按照上述试验方案进行沥青混合料自愈合试验，得到如下表11、图1所示的自愈合试验结果。

表11 沥青混合料自愈合疲劳试验结果Tab.11 self-healing Fatigue test results of asphalt mixtures

图1 沥青混合料愈合能力试验结果对比图Fig.1 Self-healing property of asphalt mixtures

由表11、图1可发现，经过愈合间歇期后，沥青混合料试件的疲劳寿命均增大；在相同条件下，EMAA/SBS改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的愈合能力均优于基质沥青。具体表现为：经过疲劳间歇期后，基质沥青、SBS改性沥青、EMAA/SBS改性沥青混合料试件疲劳加载次数较未经过愈合间歇期分别增加1756次、4556次、6101次，愈合率P分别为10.8 %、14.6 %、17.0 %。上述结果表明，EMAA加入后能够增强SBS改性沥青混合料的自愈合能力，延长沥青混合料的疲劳寿命。

3 结论及进一步研究计划

① 三种沥青混合料的高温性能、水稳定性和疲劳性能的优劣顺序为：EMAA/SBS改性沥青混合料 > SBS改性沥青混合料 > 基质沥青混合料。这说明EMAA的加入可提升沥青混合料的高温性能、耐久性和自愈性能，并且可更好的发挥SBS改性沥青的改性效果。尽管EMAA/SBS改性沥青的低温抗裂性能较SBS改性沥青有所下降，但仍能满足规范中改性沥青混合料的低温性能要求。

② EMAA的加入，在很大程度上提升了沥青结合料的损伤自愈合能力，这体现在经过愈合间歇期后，沥青混合料试件的疲劳寿命均增大，表明沥青混合料的部分性能得到恢复；在相同条件下，EMAA/SBS沥青混合料的愈合率要优于基质沥青。

③ 下一步的研究应集中在EMAA/SBS改性沥青的自愈合机理，建议采用相场模型，并借助COMSOL有限元分析软件，对沥青胶结料的损伤和愈合过程进行模拟分析；其次，影响沥青混合料自愈合效率的参数是需要考虑的，例如愈合时间和愈合温度等，可在将来的研究中进一步体现。