PE改性沥青在市政道路路面中的应用研究

2021-07-06段振洲

北方交通 2021年7期

段振洲

(中地海外中扬建设有限公司长沙市 410015)

0 引言

随着道路交通量的加大及车辆重载超载频发，原有的道路路面不断出现车辙、水损害等病害，这样对于路面的使用质量和耐久性提出了更高的挑战[1]。沥青或沥青混合料具有良好的性能是保证沥青路面长久耐用的前提，为了提高沥青及混合料的使用质量，通常是向沥青中加入一些高分子聚合物改性剂或者是在混合料中加入添加剂，以获得良好的性能质量[2]。沥青改性技术源于上世纪的欧美国家，到目前已经发展了很多种改性沥青，但是能够普遍应用于路面建设的改性沥青种类较少。常用的沥青改性剂可分为人工合成和天然改性剂，如人工复合而成的抗车辙剂、增强剂，以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、丁苯橡胶(SBR)和聚乙烯(PE)等聚合物改性剂均属于人工合成类改性剂，而天然改性剂主要有岩沥青和湖沥青等[3-4]。

结合某市政道路项目，对市政道路的路面材料选择展开研究。考虑该路段会有重载车辆通行需求，且根据当地夏季温度高、冬季温度低的气候特点，路面需具备良好的高低温性能，路面沥青材料应选择高粘弹成分，并具有抗压变形好和弹性恢复性好的改性沥青材料[5]。选取了SBS、PE和湖沥青等三种沥青改性剂，对三种不同改性沥青混合料的路用性能进行对比分析，最终得到一种能够用于上面层的改性沥青，同时为周边其他新建道路路面材料的选择提供参考。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料性能

基质沥青采用秦皇岛70#A级道路石油沥青，其技术性能见表1。SBS改性剂采用巴陵石化公司生产的YH-791型改性剂，其为白色线型粒柱状，嵌段比S/B为30/70，其用量为4%。PE改性剂具有很好的柔韧性，制备的改性沥青具有高温性能强、耐久性好的特点，选择乌鲁木齐某公司生产的PE改性剂，外观为黑色柱形颗粒，密度为0.908g/cm3，在110℃时呈熔融状态，其掺量为8%。湖沥青产自南美洲东北部的特立尼达岛，其本身是一种天然沥青，其成分约含有55%的沥青、35%的矿物质及10%的有机物及其它成分。与普通沥青相比，其组成成分中沥青质的含量很高，为普通沥青的10倍，蜡含量很低。研究表明，湖沥青与基质沥青的最佳掺配比例为30∶70，因此采用30%的湖沥青进行研究[6]。

表1 70#A级石油沥青技术指标

粗集料采用玄武岩碎石，集料规格分别为10～15mm、5～10mm、3～5mm，细集料采用石灰岩机制砂，填料采用石灰岩矿粉，各档集料的技术指标见表2～表4。

表2 玄武岩粗集料技术性质

表3 石灰岩细集料物理力学性能

表4 石灰岩矿粉物理力学性能

1.2 改性沥青性能

对三种改性沥青进行25℃针入度、软化点和135℃粘度试验，试验结果见表5所示。

表5 改性沥青性能试验结果

从表5可知，单看针入度指标，湖沥青改性沥青的针入度最小，PE改性沥青次之，说明湖沥青的感温性能最好，粘度较大；从软化点和135℃粘度上看，PE改性沥青与湖沥青改性沥青的软化点大小相当，但后者135℃粘度较大，SBS改性沥青均为最小，说明PE改性沥青与湖沥青改性沥青具有较好的高温性能。可以看出不同的改性剂，其改性机理及沥青性能也会差异较大，其中SBS是一种聚乙烯类热塑性弹性体，与沥青能够很好地融合在一起，并形成空间铰链结构，改善沥青的高温及耐久性；聚乙烯PE加入沥青后会产生溶胀反应并形成网络空间形态，增加了沥青的粘度和延展性，对于高温抗车辙性具有很大的改善作用[7-8]；而湖沥青加入基质沥青后会增加沥青膜的厚度，降低沥青的老化速度，改善沥青的抗氧化和抗变形能力。沥青性能的好坏最终还是反映在沥青混合料的路用性能方面，为进一步探讨三种不同改性沥青性能的优劣，将继续开展混合料路用性能的研究。

1.3 混合料配合比设计

采用AC-13C作为三种改性沥青混合料的矿料级配，其合成级配见表6。以预估油石比对三种改性沥青混合料分别进行马歇尔试验，确定了SBS改性沥青、PE改性沥青、湖沥青改性沥青三种沥青混合料的最佳油石比分别为5.0%、5.2%、5.3%。马歇尔试验结果见表7所示。

表6 矿料级配设计表

表7 三种改性沥青混合料马歇尔试验结果

2 沥青混合料性能对比分析

2.1 高温稳定性

沥青路面常常出现车辙和拥包等剪切破坏的原因在于其高温稳定性不足，因此，沥青混合料必须具有较强的高温稳定性，才能保证路面具有较高的强度和抵抗车辆荷载变形的能力。采用可模拟车轮行走并产生变形的车辙试验来对比评价三种不同改性沥青混合料的高温稳定性，室内成型长与宽均为300mm、高50mm的车辙板，试验温度选择60℃，试验结果见表8所示。

表8 车辙试验结果

从表8结果看出，60℃温度条件下三种改性沥青混合料对应的车辙深度大小为湖沥青改性沥青

2.2 低温性能

沥青混合料会随着温度的降低发生一定的收缩变形，因此，沥青混合料需要具备良好的低温性能以抵抗因低温应力而产生的缩裂。国内对于沥青混合料低温性能的评价方法较多，评价指标也各异，目前主要采用低温小梁弯曲试验对制备的沥青混合料棱柱体试件(250mm×35mm×30mm)进行加载，并通过试验得到的最大荷载和跨中挠度换算为抗拉强度、弯拉应变和劲度模量等指标，从而评价沥青混合料在低温-10℃条件下的低温性能，其结果见表9所示。

表9 低温小梁弯曲试验结果

从抗拉强度指标看，PE改性沥青混合料强度最大，SBS改性沥青次之，湖沥青改性沥青最小，说明PE改性沥青与矿料的粘结力更强；三种沥青混合料的最大弯拉应变大小为PE改性沥青>SBS改性沥青>湖沥青改性沥青，其中PE改性沥青混合料的弯拉应变相对SBS改性沥青提高8.1%，说明PE改性沥青混合料在低温条件下具有更好的低温抗变形和应力松弛能力；从弯曲劲度模量可看出PE改性沥青与SBS改性沥青的混合料劲度模量大小相当，湖沥青改性沥青最大。由此看出PE改性沥青的低温性能最佳，湖沥青改性沥青的低温性能最差，可能存在两种原因：一是由于湖沥青改性沥青粘度较大，流动性低，低温时变得脆硬，导致湖沥青改性沥青与矿料的粘结力降低，这与低温时湖沥青改性沥青混合料的抗拉强度较小相吻合；二是由于湖沥青中含有较高的沥青质成分，会使沥青的胶体结构类型发生变化，可能会由溶胶结构转变为溶-凝胶型，最终导致在低温加载时容易出现试件脆裂情况。

2.3 水稳定性

沥青混合料水稳定性不足主要表现在混合料在浸水环境下产生的损伤，以及在低温冻融环境中产生的损伤，在雨季来临时雨水会通过路面裂缝渗透到结构内部，在行车荷载反复作用下，矿料表面的沥青会逐渐剥离，结构强度降低，承载能力下降。良好的水稳定性能够保证沥青路面的整体稳定性，因此，道路路面必须具有较强的抗水损害能力。采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验表征改性沥青混合料的水稳定性，试验结果见表10。

表10 水稳定性试验结果

从表10结果可发现，SBS改性沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比值均最小，与SBS改性沥青混合料相比，湖沥青改性沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比分别提高了3.4%、4.1%，PE改性沥青混合料分别提高了3.6%和4.9%。可以看出三种改性沥青混合料中PE改性沥青混合料的水稳定性最佳，湖沥青改性沥青次之，SBS改性沥青最差。