高模量外摻劑改性機理研究

黃育華 李善強 龔僥斌 李 浩

(廣東華路交通科技有限公司1) 廣州 510420) (廣州大學土木工程學院2) 廣州 510006) (贛州市城鄉規劃設計研究院3) 贛州 341000) (長安大學公路學院4) 西安 710064)

0 引 言

在南方高溫地區，車轍病害是導致瀝青路面早期破壞的主要原因之一，因其行車安全危害大、使用性能衰減快、養護維修耗費多等影響，一直備受關注.現有研究和實際工程主要是通過級配優化、瀝青改性、添加外摻劑[1]等方法來防治車轍病害.

董澤蛟等[2]開展了通過級配優化防治車轍病害的研究，表明其作用十分有限，且隨著交通量的大幅增長，該作用越來越弱，必須通過材料和結構一體化設計才能有效治理車轍病害.吳傳海[3]開展了南方高溫地區車轍病害的調查研究，表明即使上、中面層雙層改性后也出現高溫車轍破壞.張爭奇等[4]研究了添加外摻劑對混合料高溫性能改善效果，表明效果明顯.李明[5]針對高等級路面中出現的早期破壞提出了高模量外摻劑能大大提高瀝青混合料的高溫穩定性，減緩車轍結構性病害，延長路面結構的使用壽命的結論.

綜上所述，添加高模量外摻劑因具有不影響配合比、經濟效益顯著、施工方便、改善效果顯著等特點可成為目前南方高溫地區改善車轍病害的首選方案.而現有研究集中于添加在瀝青混合料后性能研究，而對外摻劑加入后瀝青膠結料的性能變化研究較少，也忽視了從細觀層面對加入外摻劑后瀝青混合料的分析.

因此，本文重點開展不同摻量高模量外摻劑對瀝青及瀝青混合料的改性機理研究，為高模量外摻劑在南方高溫地區的應用提供理論支撐和實踐指導.

1 試樣制備

高模量外摻劑本質是PE/EVA的干法改性應用，一般是以PE/EVA為主材進行針對性加工制備而成，通過瀝青改性、彈性恢復，以及集料表面的增黏、加筋、填充等多重作用極大提升瀝青混合料的高溫穩定性，并保證混合料水穩定性、低溫抗裂性處于較佳水平.采用韓國SK70#瀝青進行試驗，以對比研究不同摻量、溫度下添加高模量外摻劑后的瀝青膠漿的性能.試驗操作遵循文獻[6]進行,瀝青主要技術指標見表1.

表1 瀝青主要技術性質

高模量外摻劑為筑路王RK-300，基本指標見表2.

表2 筑路王RK-300基本指標

/mm/(g·m-3)RK-3001～60.92～0.98

在SK70#瀝青中加入筑路王RK-300高模量外摻劑用高速剪切機制備成樣.試樣制備過程如下.

步驟1將瀝青在130～140 ℃恒溫箱中融化成液體.

步驟2將RK-300高模量外摻劑緩慢加入130～140 ℃的瀝青中，邊加邊用高速剪切機攪拌，速度2 500～3 500 r/min，保持10～15 min.

步驟35 000～6 000 r/min快速攪拌40 min.

步驟4在150 ℃恒溫箱中保溫溶脹10～15 min，攪拌后成樣，放入環境箱養護待試驗.

2 瀝青膠結料試驗結果分析

2.1 不同摻量下瀝青膠結料DSR試驗

采用DSR測試瀝青膠結料的流變參數，通過復數剪切模量(G*)、相位角(δ)、車轍因子(G*/sinδ)評價瀝青膠結料的高溫性能.

開展RK-300高模量外摻劑摻量(質量分數)分別為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%的瀝青膠結料在溫度64，70，76，82，88 ℃下的G*，δ，G*/sinδ試驗研究，以分析高模量外摻劑摻量、溫度對瀝青膠結料高溫流變性能的影響.測試荷載為100 Pa，頻率為1.59 Hz(對應角速度為10 rad/s)；試樣直徑為25 mm、厚度為1 mm；試驗采用應變控制模式，應變值為12%.

1) 復數剪切模量和相位角分析 復數剪切模量G*是最大切應力和最大切應變的比率，表征材料受重復應力作用時抵抗變形的能力；相位角δ是峰值正應力與峰值切應變的時間滯后，表征材料彈性與黏性成分比例的指標.G*和δ試驗結果見圖1.

圖1 復數剪切模量G*和相位角δ隨摻量變化圖

由圖1a)可知，每種溫度下，G*隨高模量外摻劑RK-300摻量增大而增大；摻量大于0.3%，G*增速加快.高模量外摻劑的增加顯著提高了瀝青的高溫穩定性.高模量外摻劑的比表面積大，有利于吸收瀝青中的輕質組分而在兩者界面處形成結構瀝青，增加高模量外摻劑摻量，也就是增加了結構瀝青比例，增大了瀝青膠結料的稠度，膠結料體系內部的黏聚力增強，從而提高了其抵抗高溫變形的能力.

由圖1b)可知，同一溫度下瀝青膠結料在摻量較低時δ較大，具有較好的粘性性質；隨著摻量的增加，δ逐漸減小，此時瀝青膠結料的彈性性質起主要作用.適量的RK-300高模量外摻劑的摻入能有效降低相位角，即試樣由黏性狀態逐漸轉變為彈性狀態.

2) 車轍因子分析 美國SHRP戰略公路計劃[7]將流變參數G*/sinδ定義為車轍因子，表征瀝青在重復荷載作用下抵抗永久變形的能力，因此，本節采用車轍因子研究瀝青膠結料的高溫抗車轍性能.G*/sinδ值越大，表示瀝青膠結料的高溫抗車轍能力、抗疲勞開裂能力越強.瀝青膠結料的G*/sinδ隨高模量外摻劑摻量和測試溫度的變化見圖2.

圖2 瀝青膠結料G*/sin δ變化圖

由圖2a)可知，同一溫度下，G*/sinδ隨高模量外摻劑摻量的增加而增加，這與G*隨溫度升高而減小的原因一致，尤其當摻量大于0.3%，G*/sinδ增速加快.隨著溫度的升高，G*/sinδ隨高模量外摻劑摻量的變化趨勢變緩，88 ℃曲線斜率最小，64 ℃曲線斜率最大.較低溫度時，增大高模量外摻劑摻量能顯著提高瀝青膠結料的高溫抗車轍性能.

G*/sinδ隨溫度變化的速率可用來表征瀝青感溫性，速率越大，瀝青的感溫性就越差.由圖2b)可知，不同高模量外摻劑摻量瀝青膠結料的G*/sinδ均隨試驗溫度的升高逐漸減小，即瀝青膠結料的高溫抗車轍性能隨溫度升高而降低.隨著高模量外摻劑摻量的增大，瀝青膠結料的感溫性能變差，增加高模量外摻劑摻量可提高瀝青膠結料的高溫抗永久變形能力.

2.2 不同摻量下瀝青膠結料BBR試驗

采用BBR試驗評價瀝青膠漿在低溫條件下承受連續荷載作用而不破壞的能力.BBR試驗采用加載60 s時不同粉膠比瀝青膠漿的蠕變勁度模量(S)和蠕變速率(m)指標研究粉膠比摻量對瀝青膠漿低溫性能的影響，還定義了低溫系數λ=S/m.其中S值越大，瀝青越硬，低溫抗裂性越差；m越大，瀝青的韌性越好，應力松弛能力越好，在低溫環境中越不易開裂.

試驗測試溫度為-10 ℃，測試溫度精確至±0.1 ℃.采用瀝青樣品在加載60 s時測定的蠕變勁度模量(S)、蠕變速率(m)，以及低溫系數λ=S/m等指標研究不同高模量外摻劑摻量下瀝青膠結料的低溫流變性能.試驗結果見圖3～4.

圖3 不同摻量下BBR試驗結果

圖4 不同摻量下瀝青膠結料低溫系數

由圖3～4可知，隨著高模量外摻劑摻量的增加，蠕變勁度模量S和低溫系數λ逐漸增大，摻量大于0.4%時增速顯著；蠕變斜率m逐漸減小，在摻量大于0.4%下降明顯.表明高模量外摻劑的加入增大了瀝青的剛度，降低了柔韌性，導致瀝青膠漿變的硬、脆.隨著摻量增加，瀝青膠結料越硬，低溫抗裂性越差，開裂的風險逐漸升高，且在摻量大于0.4%低溫性能顯著降低.

因此，針對華南地區的氣候特點，為了保證添加高模量外摻劑后瀝青膠結料的低溫抗裂性良好，高模量外摻劑摻量應小于0.5%.

綜合圖1～2可知，不同溫度下瀝青膠結料的高溫性能隨高模量外摻劑摻量變化的規律是類似的，當高模量外摻劑摻量為0%～0.3%，瀝青膠結料高溫性平穩上升，兩者呈線性關系.當高模量外摻劑摻量大于0.3%時，其高溫性能上升明顯，因此為了保證瀝青膠結料的高溫穩定性，建議高模量外摻劑摻量應大于0.3%；綜合圖3～4可知，隨著高模量外摻劑摻量的增加，低溫抗裂性越差，在摻量大于0.4%低溫性能顯著降低，因此，為了保證瀝青膠結料具有一定的抗變形能力，高模量外摻劑摻量不能過大，應小于0.5%.

綜合以上分析結果，為了保證添加高模量外摻劑的瀝青膠結料高、低溫性能，建議高模量外摻劑摻量為0.4%.

3 瀝青混合料改性機理分析

RK300高模量改性劑在瀝青混合料中的作用機理如下.

1) RK300高模量改性劑的基材為加熱后具有高流動性的線型高分子量聚合物，結合超分散劑組分，在高溫下通過短時間拌和即可達到微米級均勻分散于瀝青膠漿中，見圖5.瀝青本身都是低相對分子質量有機化合物，受壓力和高溫作用后小分子鏈極易發生運動，使其本身的抗張強度和模量低，不耐壓力和高溫作用；改性劑中高分子量聚合物的引入在分散劑組分的作用下，可以與瀝青分子鏈形成高穩定性、高強度的網絡結構，限制瀝青小分子鏈的運動，提升瀝青的強度和模量，從而大幅提高瀝青混合料的模量和高溫性能.

2) RK300高模量改性劑含有極性接枝共聚物組分，具有分別可以和瀝青相容的主鏈，同時具有可以和集料結合的極性側鏈，從而能夠在集料表面和瀝青之間形成聚合物鏈接，增加瀝青與集料的粘結性.

圖5 RK高模量改性劑在瀝青混合料分布SEM圖像(拌和10 s)

4 混合料性能驗證

目前國際上公認高溫性能評價方法是與現場實際路用性能關聯性很高的漢堡車轍試驗[8-9].因此本節采用漢堡車轍儀對60 ℃下試件進行車轍試驗，混合料采用廣東地區常用的GAC-16，級配見表4.

表4 GAC-16瀝青混合料合成礦料級配組成

(mm)/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07598.378.854.733.623.615.512.38.97.15.595～10065～8547～6828～4618～3515～2912～238～186～134～8

試件成型采用配套的線性揉搓漢堡成型機，試件尺寸為400 mm×300 mm×50 mm，空隙率為(4±0.5)%.通過在47 mm寬的鋼輪上施加705 N(0.7 MPa)的力完成對試件的加載，然后鋼輪在板塊試件上做往復運動.試件加載直至鋼輪達到20 000次的往復運動次數或者直到產生20 mm的變形為止.試驗結果見圖6.

圖6 不同摻量60 ℃下漢堡和浸水漢堡車轍試驗結果

由圖6a)可知，60 ℃試驗溫度下，添加高模量外摻劑后，車轍深度顯著降低，經歷20 000個往返后，車轍深度排序為：0.5%<0.4%<0.3%<0.0%.通過比較15 000～20 000次往返后車轍深度可以發現，摻量為0.3%與其他兩種摻量車轍深度相差1.0 mm；而摻量為0.4%和0.5%時，兩種摻量下車轍深度相差很小，僅相差0.25 mm，并不足以判斷最佳摻量.

由圖6b)知，浸水試驗條件加快車轍深度的產生，經歷10 000個往返后，車轍深度排序為：0.5%<0.4%<0.3%<0.0%.發展規律同60 ℃空氣浴條件，但三種摻量下車轍深度相差1.0 mm，此時可以明顯區分不同摻量下在水-溫耦合作用下車轍深度.因此僅靠60 ℃漢堡車轍試驗評價添加高模量外摻劑的混合料的抗車轍性能具有一定局限性，建議適當采取更苛刻的試驗條件儀準確區別添加高模量外摻劑的瀝青混合料高溫性能.

因此綜合上節瀝青膠結料推薦摻量范圍可以判斷0.4%的高模量外摻劑摻量為該級配的最佳摻量.

5 結 論

1) 隨著高模量外摻劑摻量的增加，復數模量G*和車轍因子G*/sinδ隨之增大，相位角δ逐漸減小；蠕變勁度模量S和低溫系數λ逐漸增大，蠕變斜率m逐漸減小.

2) 為了保證瀝青膠結料的高、低溫穩定性，建議高模量外摻劑摻量應為0.4%.

3) 外摻劑中高相對分子質量聚合物在分散劑組分的作用下，可以與瀝青分子鏈形成高穩定性、高強度的網絡結構，提升瀝青的強度和模量，且能夠在集料表面和瀝青之間形成聚合物鏈接，增加瀝青與集料的黏結性，從而大幅提高瀝青混合料的模量和高溫性能.

4) 60 ℃漢堡車轍試驗表明添加高模量外摻劑后，車轍深度顯著降低.綜合各因素考慮判斷0.4%的高模量外摻劑摻量為該級配的最佳摻量.