基于動態蠕變試驗的復合改性瀝青混合料高溫性能研究

王鑫　周杰昕　胡天一　王凱　張勇博

摘 要：為了研究PB改性劑對瀝青混合料高溫抗車轍性能的影響，本文對常見的瀝青混合料進行動態蠕變試驗來評價瀝青混合料高溫性能。試驗結果表明，PB改性劑可以有效地提高瀝青混合料的抗永久變形能力，減緩蠕變變形的發展速度，從而提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

關鍵詞：復合改性瀝青混合料 動態蠕變 高溫性能

中圖分類號：U4141 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（c）-0103-02

近20年來，我國的公路事業迅速發展，瀝青路面的早期破壞甚至是結構性破壞，最突出的便是車轍病害。另一方面，廢舊塑料垃圾勢必加劇環境污染和生態破壞。已有研究表明，將廢塑料作為改性劑加入瀝青混合料中，能夠大幅度增強其高溫抗車轍性能和抵抗永久變形能力，但低溫抗裂性能出現一定程度的下降。玄武巖纖維作為一種新型纖維，與其他纖維相比，具有力學性能優異、工作溫度范圍大、化學穩定性好等突出優勢，已被許多學者證明它的加入可以很好地提高瀝青混合料低溫抗裂性和抗疲勞性能。因此，利用廢舊塑料和玄武巖纖維的特點改善瀝青路面性能，對我國道路工程的發展具有十分重要的意義，同時也能在一定程度上緩解廢舊塑料的污染問題。

我國同濟大學交通運輸道路與鐵道工程系的魏密[1]于2003年用旋轉壓實機（SGC）去成型試件，然后選擇先進的材料系統（MTS）對試件進行單軸靜載蠕變試驗，在試驗過程中得出在荷載作用下的瀝青混合料變形一時間的蠕變變形曲線。王隨原[2]于2006年分別對基質、SBS改性這兩種類型瀝青混合料進行了單軸靜載蠕變試驗，從該試驗結果得出，蠕變試驗的蠕變柔量曲線可以用Burgers模型更好地去模擬，而且對于SBS改性瀝青混合料具有較好熱穩定性的原因，可以運用粘彈性這一理論得到很好的解釋。部分學者[3-5]通過對比試驗得出：諸如動穩定度、單軸蠕變試驗的勁度模量、車轍試驗的相對變形以及SHRP高溫性能的評價方法其基本變化規律基本是相同的。

1 原材料性能與馬歇爾試驗

1.1 原材料性能

本文采用70#道路石油瀝青，粗集料為鎮江石灰巖，礦粉為磨細的鎮江石灰巖，各項均滿足規范要求。由于原有城市公交專用車道路面上面層采用SBS改性瀝青混合料，因此，本研究對使用基質瀝青的瀝青混合料直接改性與SBS改性瀝青混合料進行對比分析。復合增強型路用改性劑PB主要是用于改善瀝青混合料各項路用性能的綜合改性劑，它對于瀝青混合料的高溫穩定性提升效果顯著。PB改性劑表面呈無色透明內部呈棕色金屬光澤的扁平狀固體顆粒，由廢舊PE高分子聚合物和玄武巖纖維以一定工藝復合制成，可在常溫或低溫下保存，具體長度規格可根據需要自行設置。由于PB中含有玄武巖纖維成分，且根據大量前期研究成果，短切6mm玄武巖纖維對瀝青混合料性能改善效果更為顯著，因此本研究將PB改性劑切割為長6mm的顆粒。根據前期研究表明PB改性劑在瀝青混合料中的摻量為0.6%。

1.2 馬歇爾試驗結果分析

在最佳油石比下對3種瀝青混合料的進行馬歇爾試驗。由馬歇爾試驗結果分析，瀝青混合料在加入復合增強型改性劑后，最佳油石比均有所上升，相比于普通瀝青混合料其穩定度出現明顯增大的現象，甚至超過SBS改性瀝青混合料，流值有一定程度的降低。

2 動態蠕變試驗

2.1 試件制備

根據試驗方法和加載系統的要求，試驗所用的試件為圓柱形瀝青混合料試件。首先采用旋轉壓實法成型尺寸為φ150mm×170mm的試件，使用基質瀝青的混合料試件需靜置24h以上，使用改性瀝青或摻加改性劑的混合料試件需靜置48h以上。對達到靜置時間要求的試件進行空隙率測量，在滿足規范要求的情況下利用鉆芯機對旋轉壓實試件進行鉆芯，然后對所鉆芯樣進行兩端切割，最終得到的試件尺寸為φ100mm×150mm。

2.2 試驗過程

本文動態蠕變試驗參照NHRP-29中方法執行，試驗設備采用澳大利亞IPC公司生產的Universal Testing Machine（UTM-25）。由于瀝青路面高溫永久變形主要發生在夏季高溫時期，因此本文選取40℃、50℃和60℃三個試驗溫度，其試驗結果如下。

（1）基質瀝青AC-20C在40℃下的流變次數為7494次，累計永久應變為20388με，蠕變速率為2.72με·次-1；在50℃下的流變次數為1218次，累計永久應變為20049με，蠕變速率為16.46με·次-1；在60℃下的流變次數為344次，累計永久應變為26653με，蠕變速率為77.48με·次-1。

（2）基質瀝青AC-20C+0.6%PB在40℃下的流變次數為9992次，累計永久應變為13583με，蠕變速率為1.36με·次-1；在50℃下的流變次數為2267次，累計永久應變為31543με，蠕變速率為13.91με·次-1；在60℃下的流變次數為661次，累計永久應變為22670με，蠕變速率為34.30με·次-1。

（3）SBS+AC-20C在40℃下的流變次數為9669次，累計永久應變為21567με，蠕變速率為2.23με·次-1；在50℃下的流變次數為1737次，累計永久應變為25793με，蠕變速率為14.85με·次-1；在60℃下的流變次數為552次，累計永久應變為22478με，蠕變速率為40.72με·次-1。

對3種瀝青混合料3種溫度下累計永久應變的變化情況進行分析。在同一溫度下，不同混合料累計永久應變變化沒有明顯的變化規律；同一種瀝青混合料，累計永久應變隨著溫度的升高也并沒有一定的規律性。同時，在美國的NCHRP報告中也提出累計永久應變作為評價瀝青混合料高溫下的變形性能指標是不合理的。

對3種瀝青混合料3種溫度下流變次數的變化情況進行分析。同一種溫度條件下，AC-20C級配瀝青混合料流變次數變化情況：基質瀝青AC

對3種瀝青混合料3種溫度下蠕變速率的變化情況進行分析。隨著溫度的升高，3種混合料的蠕變速率均逐漸增加，這主要是由于溫度升高后瀝青膠結料的粘度降低，導致混合料內部摩阻力減小，從而使混合料整體強度降低。對比同一溫度下，摻加PB改性劑和使用SBS改性瀝青的混合料蠕變速率均有所降低，且摻加PB改性劑的降幅更明顯，說明PB改性劑可以較好地減緩蠕變變形的發展速度。

3 結論

（1）在AC-20C級配中摻加PB改性劑可以大幅度提高瀝青混合料的馬歇爾穩定度，甚至超過SBS改性瀝青混合料。這是由于PB改性劑中的玄武巖纖維分散在瀝青混合料中，形成空間網狀結構，起到加筋、橋接和限制高溫下礦料變形的作用。

（2）摻加PB改性劑的瀝青混合料的流變次數大幅度提高，且蠕變速率降低更明顯，也優于SBS改性瀝青混合料，因此PB改性劑可以有效地提高瀝青混合料的抗永久變形能力，減緩蠕變變形的發展速度。

參考文獻

[1] 魏密，周進川.旋轉壓實試件的高溫蠕變特性研究[J].重慶交通學院學報，2004（5）：55-58.

[2] 王隨原，周進川.SBS改性瀝青混合料蠕變性能試驗研究[J].公路交通科技，2006（12）：10-13.

[3] 吳耀東，魏建明.采用蠕變試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性[J].北方交通，2006（11）：12-14.

[4] 張愛軍，王寶新，武昊翔，等.城市道路公交車專用道瀝青路面車轍病害分析與防治[J].市政技術，2015，33（1）：24-26，29.

[5] 葉凌云.快速公交（BRT）專用道瀝青路面早期損害分析[J].城市道橋與洪，2012（5）：64-66，8.