不同类型聚合物改性沥青混合料性能研究

陆李灵

（广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001）

0 引言

沥青路面车辙随着车辆荷载施加次数的增加而逐渐发展，表现为车轮路径上的纵向凹陷和侧面的小起伏，这是由沥青混合料致密化和剪切变形共同作用引起的［1］。引起车辙病害的主要因素是交通荷载（尤其是重型卡车）及高温环境。车辙病害会严重影响沥青路面的行车安全，如沥青面层的车辙凹陷遇雨天时会形成积水，导致路面的抗滑能力下降，影响路面的行车安全［2］；随着车辙的加深，车辙凹陷处会影响行车的转向，产生更大的安全隐患。随着沥青路面在长期服役过程中车辙深度的增加，沥青混合料变硬，其温度敏感性也随之下降。针对以上问题，沥青材料的研究者和研究机构多使用改性剂提升沥青混合料的高温性能，以减少沥青路面因车辙而引起的病害［3］。聚合物改性沥青因具有优异的高温性能，成为解决沥青路面车辙病害的方案之一，但聚合物改性沥青并不能完全解决沥青路面的车辙问题，还需要综合考虑沥青特性、级配类型及沥青混合料的流变特性［4］。用于沥青改性的聚合物可根据其加入沥青后的物理化学反应分为2 类［5］：①塑性聚合物，形成刚性三维网络并能抵抗永久变形的聚合物；②弹性聚合物，能诱导更高弹性和恢复能力的聚合物。由于沥青是一种黏弹性材料，即加载荷载时，沥青混合料会产生变形，但卸下荷载时，变形并不能完全恢复［6］。在重复荷载作用下，沥青混合物中会残留大量不可恢复的变形，从而产生永久残余应变。聚合物改性沥青具有减少车辙的效果，但不同的聚合物改性沥青在重复荷载作用下具有不同的应变响应。因此，对不同类型聚合物改性沥青混合料的性能开展研究具有重要意义。本文选用2 种聚合物作为研究对象，评价聚合物改性沥青混合料的抗车辙性，分别为无定形聚烯烃聚合物（Amorphous Polyolefin，APO）和由低密度聚乙烯（LDPE）、乙酸乙酯（EVA）组合而成的特定聚合物。车辙试验在2 种不同的试验温度（30℃和60℃）下进行。此外，开展动态模量和疲劳试验，比较聚合物改性沥青混合料与未改性沥青混合料的性能。通过在不同温度和频率下测试四点弯曲的棱柱状试样，用于评估所研究的沥青混合料的动态模量，形成每种混合料的主曲线。通过在20°C 和10 Hz 条件下测试沥青混合料试样，评估沥青混合料疲劳寿命，并在单一应变水平（300 με）下对混合料疲劳寿命进行比较。研究的开展，可为聚合物改性沥青的性能分析提供基础数据，同时为工程实践选用合适的聚合物改性剂提供参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

选用2种聚合物用于沥青的改性，第一种为低分子量和低熔点的APO；第二种聚合物由低分子量和中等熔点的LDPE和EVA复合而成。聚合物是小颗粒物质，在常温下为固体，因此它们方便储存或可以直接添加到热沥青中。需要评估的不同类型的沥青混合料包括无添加剂沥青、添加无定形聚烯烃聚合物的改性沥青、添加由LDPE和EVA复合的特定聚合物的改性沥青。在聚合物掺量方面，两种聚合物均设置3种掺量，分别为沥青质量的3%、6%、9%。

沥青选用90#A级沥青，其相关技术指标见表1。

表1 90#A级沥青技术指标

1.2 沥青混合料马歇尔体积指标

1.2.1 矿料

选用AC-20C 作为沥青混合料级配类型，矿料分为粗集料、细集料、矿粉3类。粗、细集料均为石灰岩，矿粉为石灰岩磨制而成。矿料的技术指标见表2至表4。

表2 粗集料检测技术指标

表3 细集料检测技术指标

表4 矿粉检测技术指标

1.2.2 马歇尔体积指标

采用马歇尔体积法设计沥青混合料配合比，试验过程参考我国规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程（附条文说明）》（JTG E20—2011）。为减少其他变量对沥青混合料的影响，统一设定90#沥青混合料及2 种聚合物改性沥青混合料的油石比为4.1%，马歇尔体积指标及力学指标试验结果见表5。为便于操作，无定形聚烯烃聚合物以APO 指代，LDPE和EVA复合聚合物以LE指代。

表5 90#沥青及两种聚合物改性沥青混合料马歇尔体积指标试验结果

1.3 试验方法

1.3.1 车辙试验

根据欧洲标准《Bituminous Mixtures-Test Methods For Hot Mix Asphalt - Part 22：Wheel Tracking》（EN 12697—22—2007）［7］（中文名称为《沥青混合料车辙试验》）中的相关要求开展试验，使用“小型装置程序B”通过车轮跟踪试验评估混合物的抗车辙性。每种混合物至少开展2次试验，并进行10 000次荷载循环测试。对该设备的车轮施加700 N的负载，其加载速度设置为26.5 次/min，相当于加载频率为0.44 Hz。从车轮跟踪试验中获得的主要参数是车轮在空气中的跟踪斜率（WTS）和10 000次循环时的车辙深度。选择30 ℃和60 ℃作为车辙试验的代表温度。测试前，所有板坯放在烘箱中进行加热处理，烘箱加热温度为车辙试验所设定的温度（30 ℃或60 ℃）。

1.3.2 动态模量和疲劳性能试验

采用380 mm×50 mm×50 mm 尺寸的试样开展四点弯曲试验，以获得沥青混合料的动态模量。试验前，在烘箱内按设置温度对试样进行保温处理，然后分别在温度为-5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、加载频率为0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、4 Hz、6 Hz、8 Hz、10 Hz的条件下进行试验，主要评估动态模量。动态模量试验结束后，在10 Hz的频率和20 ℃的测试温度下对每个试样进行疲劳性能测试。疲劳寿命定义为动态模量降低至50%时的循环次数。

2 试验结果及分析

2.1 车辙试验结果及分析

车辙试验的结果用跟踪斜率（WTS）和10 000 次循环时的车辙深度表示。根据EN 12697—22—2007，WTS计算为5 000 次加载循环和10 000 次加载循环后车辙深度之差的比值。表1 中的7 种沥青混合料在2 种测试温度（30 ℃和60 ℃）条件下至10 000 次循环时的车辙深度试验结果和WTS试验结果分别如图1和图2所示。

图1 车辙深度试验结果

图2 WTS试验结果

无定形聚烯烃聚合物和LDPE+EVA 聚合物的加入显著降低了90#沥青混合料的车辙深度和WTS。车轮试验结果表明，改性剂降低了90#沥青混合料在常温（30 ℃）和高温（60 ℃）条件下因车轮加载而产生的永久变形。比较无定形聚烯烃聚合物和LDPE+EVA聚合物发现，相同掺量下，无论是在30 ℃还是60 ℃，无定形聚合物改性沥青混合料的车辙深度和WTS均低于LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料。因此，在抗车辙性能方面，无定形聚合物改性沥青混合料优于LDPE+EVA 聚合物改性沥青。综上所述，聚合物的添加提高了90#沥青混合料的长期变形抗力，并且无定形聚合物改性沥青混合料优于90#沥青混合料和于LDPE+EVA聚合物改性沥青混合料。

2.2 动态模量试验结果及分析

动态模量试验结果采用Sigmoidal 函数［8］拟合，参考温度为20℃。将2 种聚合物改性沥青混合料与90#沥青混合料的曲线绘制在同一坐标图中，以便比较聚合物改性沥青混合料与90#沥青混合料动态模量变化曲线（如图3 和图4 所示）。沥青混合料为典型的黏弹性材料，具有时温等效特性，低频荷载相当于高温，高频荷载相当于低温。由图3可知，将无定形聚烯烃聚合物掺入90#沥青后，动态模量发生了很大的变化，具体为在低频时，动态模量提升，在高频时，动态模量降低，这种变化使主曲线的斜率明显下降，因此无定形聚烯烃聚合物的加入降低了90#沥青混合料的温度敏感性，并且无定形聚烯烃聚合物掺量越高，该现象越明显。但是，观察无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料的动态模量主曲线发现，在低频条件下无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料与90#沥青混合料的主曲线具有明显的区分性，而在高频条件下，曲线区分性较小，表明无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料相较90#沥青混合料在高温下的性能提升程度更明显，而低温下的性能提升幅度并不明显。同时，在10～100 Hz加载频率范围内，无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料与90#沥青混合料的主线几乎重叠，因此无定形聚烯烃聚合物并未改变90#沥青在常温下的黏弹特性。由图4 可知，LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料的动态模量响应与无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料在低频下类似，提升了低频下90#沥青混合料的动态模量，并且LDPE+EVA 聚合物的掺量越高，动态模量提升越高。但是，在高频条件下，LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料的动态模量与90#沥青混合料几乎没有差异，表明LDPE+EVA 聚合物提升了90#沥青混合料的高温性能，但其没有提升低温性能。综上所述，无定形聚烯烃聚合物和LDPE+EVA 聚合物均能显著提升90#沥青混合料的高温性能，无定形聚烯烃聚合物能提升90#沥青混合料的低温性能，但提升程度不及高温性能，LDPE+EVA 聚合物对90#沥青混合料的低温性能的提升效果并不明显；聚合物掺量越高，90#沥青混合料的高温性能提升效果越明显。

图3 90#沥青与无定形聚烯烃聚合物改性沥青动态模量

图4 90#沥青与LDPE+EVA聚合物改性沥青动态模量

2.3 疲劳性能试验结果及分析

通过四点弯曲疲劳试验，获得90#沥青、无定形聚烯烃聚合物沥青混合料、LDPE+EVA 聚合物沥青混合料的疲劳性能。为比较抗疲劳性能，计算上述沥青混合料在300 με 下的疲劳寿命（如图5 所示）。从图5 可知，2 种聚合物改性沥青的抗疲劳性能区别较大。无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料的疲劳寿命相比90#沥青提升幅度较大，其中3%、6%、9%掺量的无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料的疲劳寿命分别提升131%、397%、517%，而LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料的疲劳寿命相比90#沥青提升幅度较小，但3%LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料的疲劳寿命反而下降了6%。因此，无定形聚烯烃聚合物改性沥青混合料具有较好的疲劳性能，而LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料的疲劳性能只有在6%掺量和9%掺量时才具有优势。

3 结论

对90#沥青及3%、6%、9%掺量的2 种聚合物改性（无定形聚烯烃聚合物、LDPE+EVA 聚合物）沥青混合料开展室内车辙试验、动态模量试验及疲劳性能试验，得出如下结论：①车辙试验结果表明，无定形聚合物改性沥青混合料优于LDPE+EVA 聚合物改性沥青，并且2 种聚合物改性沥青混合料与90#沥青混合料相比，车辙性能大幅度提升。②动态模量试验结果表明，聚合物改性沥青混合料在低频下相比90#沥青的动态模量提升幅度明显，但在高频下提升不明显，LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料与90#沥青相比，在高频下的动态模量几乎没有差异。③疲劳性能试验结果表明，定形聚合物改性沥青混合料的疲劳性能优异，而LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料只有在掺量较高（6%、9%）时才具有优势。综上所述，聚合物改性沥青混合料相比90#沥青的高温性能优势更明显，但低温性能和疲劳性能与聚合物类型有关，无定形聚合物改性沥青混合料低温性能略优于90#沥青，疲劳性能优势明显，而LDPE+EVA 聚合物改性沥青混合料低温性能与90#沥青差异较小，疲劳性能优势并不明显。总体而言，无定形聚合物改性沥青混合料在高温性能、低温性能、疲劳性能方面均优于LDPE+EVA聚合物改性沥青混合料。