直投式改性剂对沥青及其混合料性能影响分析

白昭毅，徐文远，吴宇轩

（东北林业大学土木与交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

随着道路交通量增大、车辆超载现象日益增加，高温车辙病害常出现。针对沥青道路在服役过程中出现的问题，道路工作者主要提出了两种解决方案：一是对沥青进行改性来提高路面在实际中的使用效果；二是在混合料拌合时直接将改性剂投入，依靠高温和集料拌合过程中的剪切力将改性剂均匀地分散到混合料中，加入沥青拌合即可制备沥青混合料，改性剂在拌合过程中完成改性，这种工艺称为直投工艺，也称“干法改性”。但是湿法改性沥青存在高温剪切过程中性能衰减和需要专门生产等问题，例如实际工程常使用的SBS改性沥青，易发生离析，导致工程的质量难以保证[1-3]；而干法工艺能避免上述问题，可有效减少改性剂加工、储存等诸多繁琐的环节，有效降低资源和能源成本。

由于直投式改性剂的诸多优点，各种不同的直投改性剂被研发。上世纪，国外便开发了系列可用于干法工艺的改性剂，例如德国的Duroflex改性剂产品[4]、法国研发直投式RP改性剂[5]和日本用于排水路面的TPS直投改性剂等。此外在国内也进行了相关的研究和应用。奚龙飞[6]、杨益民等[7]研究发现，直投改性剂在拌合过程中会与沥青产生一定的混合，提高沥青的高温稳定性。徐宁对干法直投的SBS-T改性剂进行研究，实验研究表明，SBS-T改性剂可以充分发挥改性性能，基本实现与SBS改性剂改性效果相当[8]。干法直投工艺可以在大幅度地提高沥青路面高温抵抗变形能力的同时，无需添加额外设备，且改性剂存储简单，这种材料的研发为国内外普遍存在的车辙病害的预防和治理提供了一种思路。我国对于这种工艺的研究和在道路中的应用较晚，针对改性剂对沥青混合料的改性机理研究较少，且在实际中的应用效果差异性较大，造成其实际推广应用受到了一定的限制。

本文以ZM直投式改性剂为研究对象，将其直接掺入沥青中，利用DSR、BBR等试验评价改性沥青的流变性能，分析ZM改性剂对沥青性能的影响，并采用车辙试验、冻融劈裂试验和沥青混合料弯曲蠕变试验等对ZM改性沥青混合料的路用性能进行测试，为直投式改性剂的应用提供理论及现实依据。

1 试验部分

1.1 试验材料

1.1.1 基质沥青与SBS改性沥青

本研究选用辽宁盘锦90#基质沥青，其基本性能指标见表1。SBS改性沥青为实验室制备，SBS掺量为4.5%（外掺法）。

表1 90#基质沥青的基本性能指标Table 1 90# Base asphalt basic performance indicators

表2 ZM改性剂的基本信息Table 2 Basic information of ZM modifier

1.1.2 改性剂

ZM改性剂是一种固体颗粒状的高分子聚合物改性剂，成分以聚合物和树脂为主。因其可有效提高沥青混合料的高温性能，在国内的道路建设中得到普遍应用。

1.2 ZM改性沥青及混合料制备方法

1.2.1 改性沥青制备流程

改性沥青的制备采用高速剪切法，其制备工艺如图1所示。

图1 ZM改性沥青制备流程Fig. 1 ZM modified asphalt preparation process

1.2.2 ZM改性沥青混合料制备流程

ZM改性沥青混合料为干法制备，混合料的制备流程如图2所示。

图2 ZM改性沥青混合料制备流程Fig. 2 ZM modified asphalt mixture preparation process

1.3 试验方法

1.3.1 三大指标试验

试验包括针入度试验、软化点试验、5℃延度试验。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）[9]中的测试方法进行。

1.3.2 动态剪切流变试验（DSR）

温度扫描试验（TS）仪器为动态剪切流变仪。采用应变控制模式[10]，扫描温度为30～90 ℃，加载应变为1%，加载频率为10rad/s，平行板选择25mm，间距1mm[9]。

多应力蠕变恢复试验（MSCR）在动态剪切流变仪上进行，试验温度为58、64、70、76 ℃，采用直径为25mm、间隔为1mm的平行板进行试验[11]。

1.3.3 沥青弯曲梁蠕变劲度试验

根据美国公路战略研究计划（SHRP）评价沥青低温性能的手段，利用弯曲梁流变仪测试低温性能,采用−12℃和−18℃作为试验设置温度。根据60s时的劲度模量、蠕变速率对沥青的低温性能进行评价[12]。

1.3.4 路用性能试验

选用AC-16级配进行试验，ZM改性剂的掺量分别为0.3%、0.4%和0.5%（相对于沥青和集料的总质量），采用干法直投工艺，最佳沥青用量为4.7%。采用车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及弯曲蠕变试验评价沥青混合料的路用性能。

2 结果与讨论

2.1 三大指标试验

通过三大指标试验得到沥青的常规性能试验结果，如图3所示。

图3 沥青常规性能试验结果Fig. 3 Asphalt routine performance test results

ZM改性沥青的针入度低于基质沥青和SBS改性沥青，软化点结果高于基质沥青和SBS改性沥青，在ZM改性剂3%掺量的沥青软化点数值相比基质沥青提高了16%，针入度由83降底至63，改性效果随着改性剂掺量的提高更为显著，ZM改性剂7%的掺量下，沥青软化点提高到80℃，针入度降低至46。整体来看，ZM改性剂的加入会使沥青在高温下具有更好的抵抗永久变形能力。

2.2 温度扫描试验

沥青温度扫描的结果主要有复合剪切模量（G*）、相位角（δ）和车辙因子（G*/sinδ）。温度扫描试验结果如图4～图6所示。

图4 沥青车辙因子随温度的变化曲线Fig. 4 Curve of rutting factor as a function of temperature

由图4、图5可知，沥青复合剪切模量和车辙因子的大小表现为：基质沥青＜SBS改性沥青＜90号基质+3%ZM＜90号基质+5%ZM＜90号基质+7%ZM。相同温度下，复合剪切模量越大，高温性能越好，所以由试验数据可得SBS改性剂和ZM改性剂对于基质沥青的高温性能均有所提高，且ZM改性剂对于复合剪切模量的提升更为显著。在64℃的条件下，3%的改性剂掺量沥青的G*相较于基质沥青提高为95%， 5%的改性剂掺量时G*相较于基质沥青提高为127%；随着改性剂掺量提高，G*在不断地提高，对于基质沥青高温性能的改善效果更为显著。

图5 沥青复合剪切模量随温度的变化曲线Fig. 5 Curve of composite shear modulus versus temperature

车辙因子是用以评价沥青高温抗车辙性能的指标，表示沥青的抵抗高温塑性变形能力[13]。由图4可见车辙因子（G*/sinδ）随温度升高而降低，说明沥青的抗车辙能力随温度的升高而变差，表明升高温度使沥青的弹性成分降低而黏性成分增加，在相同的温度下改性沥青的车辙因子远大于基质沥青。从试验结果上看，在64℃基质沥青和ZM改性沥青均满足G*/sinδ大于1.00kPa的要求，但ZM改性沥青的车辙因子高于基质沥青，说明ZM改性沥青相比具有更强的抗永久变形能力；当试验温度升高到70℃时，三种掺量下的ZM改性沥青的G*/sinδ均达到1.00kPa的要求，而基质沥青为0.54kPa，未达到标准，说明ZM改性沥青体系形成了更加稳定的结构，ZM改性剂降低了沥青的温度敏感性，沥青可适应更高的环境温度。

图6中的各种沥青相位角随着温度的升高而不断变化，这表明随着温度的变化，沥青中的黏弹比例在发生变化，相位角升高，弹性占比减小，黏性占比增大，沥青的高温稳定性下降，反之则结果相反；ZM改性剂掺入到基质沥青后，使沥青相位角降低，在相同温度下使沥青表现出更多的弹性成分，从而增强了沥青在高温环境下抵抗变形的能力。

图6 沥青相位角随温度的变化曲线Fig. 6 Curve of asphalt phase angle versus temperature

2.3 多应力蠕变恢复试验

为了更好地评价改性沥青的高温性能，基于DSR进行MSCR试验，试验通过记录沥青在力作用下的延迟弹性恢复变形和不可恢复变形来评价沥青在高温下的抵抗永久变形及变形恢复的能力[14]。多应力蠕变恢复试验结果如图7和图8所示。

图7 不可恢复蠕变柔量JnrFig. 7 Unrecoverable creep flexibility Jnr

图8 蠕变恢复率RFig. 8 Creep recovery rate R

由图7可知，在两个应力条件下基质沥青具有最高的Jnr值，而ZM改性沥青均低于基质沥青，ZM改性沥青的Jnr在同一温度情况下随着掺量的提高不断降低，图中ZM改性沥青的Jnr关于温度折线的斜率和基质相比明显减缓，在5%掺量时和SBS改性沥青的斜率相当，这表明ZM改性剂的掺入可以降低沥青的温度敏感性，这是由于改性剂中聚合物的加入所形成的网状结构，起到一定对沥青的阻隔作用，降低了沥青的温度敏感性。沥青材料在0.1kPa时的不可恢复蠕变值小于3.2kPa时的值，说明由轻型交通引起的不可恢复蠕变很小，同时说明了实际中控制车辆载重的必要性。在加入改性剂后，沥青材料的不可恢复蠕变值迅速下降，在0.1kPa、58℃时，7%掺量的ZM改性沥青的不可恢复蠕变量相比基质沥青降低了90%。改性剂的加入提高了沥青材料的弹性恢复能力和抵抗变形能力。

图8中为沥青的蠕变恢复率，蠕变恢复率越大表明沥青的弹性恢复能力越好，抵抗变形的能力越强[15]。在每个试验温度条件下，基质沥青的变形恢复率均小于10%，表明沥青几乎为黏稠的状态，高温弹性恢复能力差，加入改性剂后，轻质组分降低，R值显著提高，在0.1kPa、58℃的情况下，3%掺量ZM改性沥青的R值由基质沥青4%提高为20%，5%掺量下的R值提高到60%，这表明沥青弹性增强，高温性能提高，这种改善效果随改性剂掺量的增加而明显提高。

2.4 沥青弯曲梁蠕变劲度试验

试验结果取60s的劲度模量S和蠕变速率m进行评价，蠕变速率反映沥青劲度随时间的应力松弛能力和敏感性，其值越大表明沥青的低温抗开裂性能越强；劲度模量是指沥青的抗开裂能力，其值越小说明沥青的低温性能越好[16]。BBR试验结果如图9所示。

图9 BBR试验结果Fig. 9 Bending beam rheometer test results

所有掺量下的沥青在−18℃下的劲度模量S较-12℃大幅度增大，而蠕变速率m显著降低，表明在低温度下更容易发生低温变形，增大了开裂风险；在掺入改性剂后，沥青m值均符合规范，S值在-18℃时，7%的掺量时略大于300MPa。在同一温度下，随着掺量的增加，S值在缓缓变大，m值在缓缓降低，应力松弛能力减弱，ZM改性剂掺量变化对m值和S值产生的波动幅度较小，说明对沥青产生的影响较小。

2.5 沥青混合料路用性能

2.5.1 高温稳定性

为降低路面车辙病害的发生概率，沥青混合料应具有良好的抗车辙变形能力。车辙试验结果如图10所示。

图10 车辙试验结果Fig. 10 Rutting test results

由于改性剂首先通过与集料干拌软化，继续加入沥青拌合，改性剂部分与沥青相融，使沥青性能得到改善，既提高了沥青软化点，又降低了对温度的敏感性，所以与基质沥青混合料相比的掺入改性剂的沥青混合料的动稳定度提高数倍，在ZM 0.3%掺量下动稳定度相对基质沥青提高133%，车辙深度相对于基质沥青混合料下降39.1%。此外，从结果上看，0.3%掺量的ZM改性沥青混合料已与SBS改性沥青混合料具备相近的性能，而高掺量的情况下ZM改性沥青混合料的高温稳定性要优于SBS改性沥青混合料。

2.5.2 水稳定性

本研究采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对混合料的水稳定性进行评价。沥青混合料水稳定性试验结果如图11和图12所示。

图11 浸水马歇尔试验结果Fig. 11 Immersion Marshall test results

图12 冻融劈裂试验结果Fig. 12 Freeze-thaw splitting test results

试验结果得出，基质沥青混合料的冻融前后劈裂强度与劈裂强度比最小，ZM改性沥青混合料冻融前后的劈裂强度相较于基质沥青混合料均有不同程度的增加，冻融劈裂强度比（TSR）增加了13%左右，由原来的77.5%增加到了90%左右；掺入改性剂的改性沥青混合料的残留稳定度（MS_0）均提升至90%左右，改性沥青混合料的水稳定度均有一定幅度的提升。冻融劈裂试验与浸水马歇尔试验说明，ZM改性剂的加入可提高路面抵抗水损害的能力。

2.5.3 低温抗裂性

沥青混合料弯曲蠕变试验结果如图13所示。

图13 沥青混合料弯曲蠕变试验结果Fig. 13 Bending creep test results of asphalt mixtures

通过试验测得试件破坏时的最大弯拉应变和弯曲劲度模量。通常情况下，混合料的劲度模量越小，最大弯拉应变越大，应力累积越慢，材料的低温性能越好。在直投改性剂ZM的掺入后，沥青混合料的最大弯拉应变相比基质沥青混合料有小幅度的增大，弯曲劲度模量也有一定幅度的降低。综合来看，改性剂对沥青混合料的低温抗裂性能有一定的改善。

3 结论

（1）ZM改性剂的掺入提高了沥青的软化点，显著降低了针入度，使沥青在高温下具有良好的抵抗永久变形能力。

（2）ZM改性剂的掺入降低了沥青相位角，使沥青弹性成分增加，提高了高温抵抗变形的能力，在64℃的温度下3%掺量ZM改性沥青的G*相比基质沥青提高了95%，G*/sinδ提高了96%。此外，改善沥青的蠕变恢复性能，在0.1kPa、58℃时，5%掺量的ZM改性沥青的不可恢复蠕变量相比基质沥青降低了69.1%，蠕变恢复率由基质沥青的4%提高至60%。

（3）采用直投式生产的ZM改性沥青混合料高温稳定度性显著提高，在ZM 0.3%的掺量下，动稳定度相较于90#基质沥青混合料提高133%，车辙深度也下降39.1%左右；由于改性剂增加了沥青与集料之间的黏附作用，混合料的水稳定性也得到提高，与基质沥青混合料相比，冻融劈裂强度增加了13%，马歇尔残留稳定度提升至90%左右。