改性聚合物及其改性沥青及沥青混合料性能研究

2019-04-10马德崇

山西交通科技 2019年1期

马德崇

（山西省交通科学研究院新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西太原 030006）

0 引言

随着我国经济和交通事业的快速发展，由于传统沥青混合料高温抗车辙和低温抗裂性差所导致的沥青路面早期损坏现象，已严重影响到我国道路建设的健康发展[1-3]，尤其在早晚温差大、气候变化范围较大的地区，温缩开裂十分普遍和严峻。为提高沥青路面综合性能，在基质沥青中添加外加剂对沥青改性已成为改善其服役水平的重要手段[4-6]。然而，通过添加外加剂片面追求较高的高温、低温或水稳性能都将导致严重的负面影响。片面追求过高的高温性能（动稳定度），一方面会导致沥青混合料过硬，另一面将损失混合料的低温性能[7]，在夏季高温下更容易造成车辙，冬季易出现裂缝。

近年来，人们通过聚合物、纤维、橡胶粉、硫磺等多种添加剂材料来提高沥青混合料的抗车辙性能[8-13]。聚合物材料对沥青混合料的抗车辙性能有较好的影响。它们已用于改性沥青胶浆，作为沥青改性剂改善沥青混合料的性能，以提高沥青路面的性能，延长沥青路面的使用寿命[14-17]。近来，各种研究表明，聚合物的加入可降低路面的损害率，并提高其性能[18-21]。为兼顾混合料的高、低温性能，并通过对试验参数的控制，实现了改性聚合物的性能可控，在提高沥青混合料高温性能的同时，兼顾混合料的低温抗裂性能，提高沥青混合料的高温抗车辙能力和低温抗裂能力，改善了混合料的综合性能。

1 试验部分

1.1 原材料

a）基质沥青沥青由中国石油天然气总公司提供，软化点45.5 ℃，25 ℃针入度为88（0.1 mm）。

b）改性聚合物自制（灰黑色颗粒；软化点120～160 ℃；粒径2～4 cm）。

c）集料采用石灰岩。

1.2 改性沥青制备

称取一定量的基质沥青放入小容器中，然后加热至流动状态，在4 000 rpm 下，按沥青质量份（0 wt%、1.5 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%）的改性聚合物与沥青剪切混合均匀，保持170 ℃左右剪切30 min 左右，形成均一的连续相，备用。

1.3 试验过程与参数

流变仪的控制模式为应变式，数值为0.06%，温度控制范围为40 ℃～70 ℃，升温速率为3 ℃/min，荷载频率为10 rad/s。沥青混合料配合比采用马歇尔试验设计方法，混合料类型采用AC-20 型沥青混合料，根据马歇尔试验结果，确定了AC-20 的最佳油石比为4.5%。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》分别进行沥青黏度试验、车辙试验和弯曲试验等，评价改性沥青及沥青混合料的性能。

2 结果与讨论

2.1 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

图1 为再生聚乙烯和改性聚乙烯的傅里叶变换红外光谱图，从图中可知，相对于聚乙烯，改性聚乙烯在1 868 cm-1、1 790 cm-1、和1 715 cm-1有新的特征吸收峰出现。其中，1 868 cm-1和1 790 cm-1分别属于羰基对称和不对称伸缩产生的峰，而1 715 cm-1的峰属于改性剂MAH 中羧基所产生的峰[22]。由于测试前已经除去来MAH 改性单体，新的特征峰表明改性单体MAH 确实已经接枝到聚乙烯上。

图1 再生聚乙烯和改性聚乙烯的红外光谱图

2.2 改性聚合物改性沥青性能

采用内掺法添加到重交通90 号道路石油沥青中，相互混合制备改性聚合物- 沥青胶结料。研究改性聚合物掺量对沥青三大指标的影响规律，试验结果如表1。

表1 不同掺量改性聚合物的沥青胶结料三大指标试验结果

从表1可以看出，改性聚合物的掺加明显地提高了90 号道路石油沥青的软化点，并随掺量的增加而增大；改性聚合物的加入对基质沥青的15 ℃延度有削弱作用，使延度随掺量的增加而减小；另外，基质沥青掺加改性聚合物后，25 ℃时的针入度也随着掺量的增加而减小。通过上述掺加改性聚合物沥青胶结料的三大指标试验结果的变化规律，可以看出，随着改性聚合物的加入，基质沥青有变硬的趋势，表明改性聚合物能改善沥青胶结料的高温稳定性。

2.3 改性聚合物对沥青黏度的影响

图2为不同温度下基质沥青与沥青改性后的黏度变化曲线，改性聚合物改性沥青的黏度随着温度的升高而减少，改性聚合物改性沥青的黏度显著高于基质沥青，并且随着改性聚合物掺量的增加而增大。在整个测试范围内，改性聚合物掺量为7%的黏度远远高于其他掺量的黏度。表明改性聚合物的增黏作用可以显著提高沥青的黏度，较高掺量下的改性聚合物将导致较高的黏度。

图2 不同温度下基质沥青与沥青改性后的黏度变化曲线

2.4 拌和温度的影响

图3为不同掺量的改性聚合物沥青胶结料下的表观黏度变化曲线。图3 的试验结果表明，改性聚合物的加入对沥青胶结料的表观黏度产生了显著影响，从图3的变化曲线可以看出，沥青胶结料的表观黏度随着改性聚合物掺量的增加而增大，即加入改性聚合物后沥青胶结料的黏度变大，所以其相应拌和温度和施工温度需适当地升高。

图3 不同掺量的改性聚合物沥青胶结料下的表观黏度

在恒定的混合时间下，研究了不同拌和温度对沥青混合料动稳定度和破坏应变性能的影响。主要研究了改性聚合物掺量为4‰（占混合料总质量）时对混合料性能的影响。不同拌和温度下的动稳定度和破坏应变结果如图4所示。

由图4a可知，随着拌和温度的增加，动稳定度增加，后增加缓慢。由图4b 可以看出，随着拌和温度的增加，破坏应变呈现直线形式的增加。表明增加温度更有利于改性聚合物与混合料的均匀拌和，从而提高沥青胶结料的硬度和黏度。因此，拌和温度控制对于改性聚合物改性沥青混合料生产过程中是非常重要的。考虑到高温拌和过程中沥青的老化，以及低温拌和过程中改性聚合物在混合料中的均匀分散性，结合拌和机械的性能和施工经验，确定试验采用的拌和温度为180 ℃。

图4 不同混合温度下的动稳定度和破坏应变结果

2.5 拌和时间的影响

通过保持如前所述的最佳拌和温度，尝试了150 s、180 s、210 s 和240 s 的不同湿拌和时间（在添加最佳沥青含量拌和在一起之后）。图5显示了动稳定度和破坏应变特性随湿拌和时间变化的试验结果。试验结果表明，随着湿拌和时间的增加，DS 增大（图4a），破坏应变增大（图4b）。同样，考虑到节能和沥青老化，最佳湿拌时间为180 s。

2.6 不同混合料类型的影响

为了进一步研究改性聚合物对不同类型沥青混合料性能影响。选择了4 种不同级配类型的混合料AC-13，AC-16、AC-20 和AC-25 进行性能测试，考察了在不同混合料下分别掺与不掺辙裂剂后性能指标的变化规律，如图6所示。结果表明，改性聚合物的加入显著地提高了沥青混合料的动稳定度，提高幅度随着改性聚合物掺量的增加而增大，改性聚合物能够显著地提高沥青混合料的高温稳定性性能。同时相比普通沥青混合料的弯拉破坏应变，掺加改性聚合物后的性能有所提高，随着改性聚合物掺量的增加而增大，表明掺加改性聚合物沥青混合料的极限破坏应变相比普通沥青混合料的极限破坏应变有所提高。

而且随骨料粒径的增加，动稳定度和破坏应变随之增加。表明，改性聚合物在不同的类型沥青混合料下都具有良好的高温抗车辙性能和低温抗裂性能。