瀝青混合料的路用性能分析

高中鶴，靖喜波

(黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司)

瀝青混凝土路面作為高等級(jí)公路重要的路面結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用越來越廣泛，其行車舒適、施工期短、養(yǎng)護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)受到公路工程建設(shè)者的認(rèn)同，但隨著交通量日益加大，超載現(xiàn)象隨處可見，瀝青混凝土路面早期破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，車轍、各種裂縫、坑槽、啃邊、沉陷、擁包、搓板、脫皮、彈簧翻漿、拱起、表面裂紋、孔洞等病害時(shí)有發(fā)生。特別是我省特定的氣候環(huán)境，由于冬天氣溫可達(dá)到零下25℃以下，夏天溫度又可達(dá)到25℃以上，對(duì)瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性都有很高要求，改善瀝青混合料的路用性能，增強(qiáng)路面使用壽命是目前需要攻關(guān)重要項(xiàng)目。

在瀝青混合料的組成材料中，瀝青作為瀝青混合料的粘結(jié)劑，決定著瀝青混合料的性能屬性。從瀝青的材料組成分析，其主要成分為高分子碳?xì)浠衔?，可溶于二硫化碳。從分子結(jié)構(gòu)來看，它由瀝青質(zhì)、樹脂、芳香分、飽和分構(gòu)成。在常溫下瀝青質(zhì)是一種溫感性的脆性固體，是瀝青強(qiáng)度和彈性的來源;樹脂表現(xiàn)為溫感性的粘性的半固態(tài)或固態(tài)，可與瀝青油性成分相容且有良好的粘附能力，從而可使瀝青質(zhì)均勻分散在瀝青中，它是瀝青粘性性質(zhì)的來源之一;芳香與飽和族和稱為瀝青油性成分，芳香分起到分散溶解瀝青質(zhì)及樹脂并將其粘結(jié)在一起的作用;飽和分沒有強(qiáng)度，主要控制瀝青的溫感性及老化性能，是瀝青柔性的來源。這幾種成分對(duì)瀝青的性能至關(guān)重要:瀝青將隨時(shí)間而老化，次序?yàn)轱柡妥濉枷阕濉獦渲獮r青質(zhì)，老化的結(jié)果是瀝青質(zhì)含量越來越高，油性成分越來越低，瀝青則因?yàn)槭ツ哿Χ絹碓酱啵瑥亩纬衫匣茐?。因此，瀝青是一種隨時(shí)間而老化硬化的典型的粘彈性材料，嚴(yán)格講，無論液態(tài)瀝青還是固態(tài)瀝青，從其力學(xué)性能看，都是一種粘彈性體，既具有彈性體的力學(xué)性質(zhì)，也具有粘性體的力學(xué)性質(zhì)。其材料性能與應(yīng)力、溫度、時(shí)間、荷載頻率及溫度頻率等有關(guān)。在溫度低于瀝青的低溫脆化溫度的情況下，瀝青表現(xiàn)為彈性體的力學(xué)性質(zhì);在溫度高于瀝青的脆化溫度時(shí)，瀝青表現(xiàn)為粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)。基于瀝青的材料特性，瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，其在低溫時(shí)較小變形范圍內(nèi)接近線彈性體，在高溫時(shí)較大變形活動(dòng)范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘塑性體，而在通常溫度的過渡范圍內(nèi)一般為粘彈性體。所有的瀝青混合料均為非彈性體，且在其實(shí)際工作范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為粘彈性題。粘彈性瀝青混合料的力學(xué)特征主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:材料的力學(xué)特性與加載速度有關(guān)，隨著加載速度的增加，材料的強(qiáng)度與剛度均會(huì)增大;材料的力學(xué)特性對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度的升高，材料的物理特征表現(xiàn)為變軟，強(qiáng)度和剛度變小;材料具有十分明顯的蠕變與應(yīng)力松弛現(xiàn)象。瀝青混合料在低溫工作時(shí)必須解決裂縫的問題，在高溫工作時(shí)必須解決軟化變形的問題。而控制高溫變形的材料參數(shù)是彈性模量、粘度、相位角或者蠕變強(qiáng)度，控制低溫開裂的材料參數(shù)是屈服強(qiáng)度和斷裂韌性。瀝青混合料需要“增彈”、“增強(qiáng)”及“增韌”才能夠更好的滿足道路的使用要求，而讓瀝青路面達(dá)到使用要求，最有效的途徑就是使用改性瀝青混合料。

瀝青路面因其行車平穩(wěn)舒適、噪聲低、易于養(yǎng)護(hù)和維修方便等優(yōu)良的使用性能，在高等級(jí)公路中得到廣泛應(yīng)用。然而普通瀝青混凝土是一種典型的流變性材料，其性能的發(fā)揮受時(shí)間、溫度的影響較大。在高溫時(shí)期，其勁度變小，在行車荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生塑性變形，久而久之，塑性變形累積形成車轍;在寒冷時(shí)期，其勁度增大、脆性增強(qiáng)而柔性降低，變形能力減弱，當(dāng)溫度應(yīng)力或溫度疲勞應(yīng)力累積超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂縫，在行車荷載反復(fù)作用下裂縫逐漸擴(kuò)展，路表水滲入后會(huì)導(dǎo)致路面迅速損壞。為改善普通瀝青的高溫、低溫性能，提高瀝青路面的使用性能和使用壽命，對(duì)瀝青進(jìn)行改性已成為一種必然的趨勢。改性瀝青的路用性能優(yōu)于普通瀝青，并可顯著改善瀝青路面的使用性能，然而改性瀝青的機(jī)理迄今尚未完全明確，一方面是由于對(duì)瀝青本身的結(jié)構(gòu)組成認(rèn)識(shí)不足，加入聚合物改性劑之后形成的微觀多相結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜;另一方面由于常規(guī)的瀝青試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)不能全部適用于改性瀝青。

改性瀝青屬于高分子材料的共混改性，目前針對(duì)高分子材料的共混改性，主要有以下兩種理論。界面理論認(rèn)為:改性效果除與相容性有關(guān)外，還取決于材料本身的性質(zhì)及改性劑-瀝青兩相界面的性質(zhì)，界面性質(zhì)又取決于兩相界面上局部擴(kuò)散的深度及兩相的相互作用能。只有具備適當(dāng)?shù)南嗳菪约傲己玫慕缑嫘再|(zhì)才能得到性質(zhì)優(yōu)良的改性材料。用界面理論來解釋聚合物復(fù)合材料的機(jī)理都基于界面層有效的應(yīng)力傳遞這樣一個(gè)設(shè)想。應(yīng)力傳遞主要通過以下幾種途徑。

溶解度理論，現(xiàn)實(shí)中兩種材料在共混時(shí)能夠完全相溶的情況極少，然而在生產(chǎn)實(shí)踐中通過對(duì)兩種材料的合理選擇，輔之以適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝可以得到微觀多相、宏觀均勻分布的穩(wěn)定體系。兩種材料共混，由于大分子間的相互擴(kuò)散而使分子鏈段位移，形成過渡層，因而使體系穩(wěn)定。

改性瀝青作為一種共混改性材料，其性能必然與基質(zhì)瀝青的性質(zhì)密切相關(guān)。因此，分析改性瀝青的機(jī)理首先需要從基質(zhì)瀝青的結(jié)構(gòu)入手。關(guān)于瀝青的結(jié)構(gòu)，目前有兩種理論——膠體理論和高分子溶液理論。

現(xiàn)代膠體理論認(rèn)為，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)以固態(tài)微粒的瀝青為分散相，液態(tài)的芳香分、飽和分為分散介質(zhì)，半固態(tài)的膠質(zhì)起著膠溶劑的作用。若干瀝青質(zhì)微粒聚集在一起，吸附極性的膠質(zhì)，形成“膠團(tuán)”，膠溶于分散介質(zhì)中，形成穩(wěn)定的膠體。由于瀝青質(zhì)分子量高，極性很強(qiáng)，所以不能直接膠溶于分子量低、極性弱的芳香分、飽和分組成的分散介質(zhì)中，尤其是飽和分的膠凝作用會(huì)阻礙瀝青質(zhì)的膠溶，而極性較強(qiáng)的膠質(zhì)則在二者中間起到了過渡的作用。因此在瀝青的膠體結(jié)構(gòu)中從瀝青質(zhì)到膠質(zhì)、乃至芳香分、飽和分，極性逐步遞減。從這種意義上來講，各組分的含量必須相匹配才能形成穩(wěn)定的膠體。根據(jù)瀝青中各組分的化學(xué)組成和相對(duì)含量的不同，膠體結(jié)構(gòu)可分為3種類型—溶膠結(jié)構(gòu)、溶-凝膠結(jié)構(gòu)和凝膠結(jié)構(gòu)。該理論認(rèn)為，瀝青是一種以高分子量的瀝青質(zhì)為溶質(zhì)，以低分子量的軟瀝青質(zhì)為溶劑的一種高分子溶液。溶液的穩(wěn)定性決定于瀝青質(zhì)的含量、瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)之間溶解度參數(shù)的差異。改性瀝青的生產(chǎn)過程中，通常在高溫下將聚合物機(jī)械破碎為微米級(jí)的顆粒，高度分散在瀝青中，導(dǎo)致體系總表面能顯著增加。生產(chǎn)過程中對(duì)體系所做的功使其能量增加，以表面能的形式存在于體系中。聚合物破碎程度越高，粒子表面能越高，根據(jù)能量最低原理，體系有自發(fā)地降低表面能的趨勢。

改性瀝青混合料不僅有良好的路用性能，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)性能，改性瀝青混合料瀝青路面的推廣必將提高道路工程質(zhì)量，提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。