瀝青混合料低溫抗裂性能提升方法綜述

劉益豐 沈菊男 丁 燦

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

在各種路面病害中，低溫開(kāi)裂是一種比較突出的路面病害形式。低溫開(kāi)裂是由于在溫度降低時(shí)，瀝青路面中將會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而在低溫下瀝青路面的應(yīng)力松弛較差，當(dāng)溫度收縮應(yīng)力超過(guò)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，又不能通過(guò)應(yīng)力松弛將溫度收縮應(yīng)力釋放掉時(shí)，將在路面上產(chǎn)生裂縫[1]。裂縫產(chǎn)生后，隨著車(chē)輛荷載或地基沉降等因素的作用，裂縫將會(huì)不斷地?cái)U(kuò)展，最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的破壞，降低路面的使用壽命，增加維護(hù)費(fèi)用的同時(shí)也影響行車(chē)安全性和舒適性。為了避免路面結(jié)構(gòu)在低溫下產(chǎn)生開(kāi)裂，在路面設(shè)計(jì)時(shí)就需要做好對(duì)路面低溫開(kāi)裂的預(yù)防，對(duì)材料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)定，并進(jìn)行低溫抗裂性能試驗(yàn)[2]。目前常用的提升瀝青混合料低溫性能的方法主要是通過(guò)摻加纖維材料、納米材料、生物材料等，對(duì)瀝青或?qū)旌狭线M(jìn)行改性，提升瀝青混合料的低溫性能。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行的試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)材料、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)效果等進(jìn)行比較，為未來(lái)深入研究提供參考。

2 對(duì)瀝青的改性

瀝青的性能在一定程度上影響著瀝青混合料的性能，為了使瀝青路面獲得更好的低溫抗裂性能，可對(duì)瀝青進(jìn)行改性。常見(jiàn)的對(duì)瀝青進(jìn)行改性的材料有納米材料、增塑劑以及采用生物瀝青來(lái)進(jìn)行協(xié)同改性等。納米材料因?yàn)楸缺砻娣e較大，具有較高的表面活化能，也具有良好的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，能夠與瀝青有效地結(jié)合，從微觀(guān)尺度上改善瀝青的各項(xiàng)性能。近年來(lái)，已經(jīng)有越來(lái)越多的研究者通過(guò)添加納米材料來(lái)改善瀝青的性能[3-5]。增塑劑作為塑料橡膠制品的助劑，可以改善聚合物的柔韌性、拉伸性及抗沖擊性，提升低溫抗裂性能，并且具有價(jià)格低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)人體或環(huán)境造成危害。生物瀝青是由生物油升級(jí)和處理后制得的一種具有可再生、環(huán)境友好等特點(diǎn)的瀝青[6]，可替代部分石油基瀝青。它們都可作為改性材料，提升瀝青的低溫性能。

陳淵召等[7]在瀝青中摻加納米氧化鋅，制備級(jí)配為AC-13的瀝青混合料，比較納米氧化鋅摻量為0%，1%，4%，7%的瀝青混合料的低溫性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著納米氧化鋅摻量的增加，彎曲勁度模量表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，最大彎拉應(yīng)變表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，如圖1所示。這與改性瀝青三大指標(biāo)所反映出的結(jié)果相一致。3種摻量的納米氧化鋅均能改善其改性瀝青混合料的低溫性能，從性能提高幅度的角度看，納米氧化鋅的最佳摻量是4%，此時(shí)的彎拉應(yīng)變?yōu)? 367.2 με。

江鋒[8]研究了用納米SiC對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，進(jìn)而對(duì)瀝青混合料低溫性能產(chǎn)生的影響。選用的納米SiC摻量為0，2%，4%，6%，8%，10%，在基質(zhì)瀝青中以160 ℃剪切60 min，制備成納米SiC改性瀝青。對(duì)各組改性瀝青進(jìn)行延度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著納米SiC摻量的增加，延度呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。由于納米SiC是一種無(wú)機(jī)剛性的納米粒子，在受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的形變。因此在納米SiC含量較高時(shí)，納米SiC與瀝青會(huì)發(fā)生脫黏現(xiàn)象，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而在瀝青中出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，這也是改性瀝青延度隨納米SiC摻量的增加出現(xiàn)先增大后減小現(xiàn)象的主要原因。接著用6種納米SiC摻量的瀝青制備級(jí)配為AC-20的瀝青混合料，進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨納米SiC摻量的增大，抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在摻量為4%時(shí)獲得最大值，此時(shí)的彎拉應(yīng)變?yōu)? 740.4 με，如圖2所示。這主要是因?yàn)榧{米SiC能夠與瀝青產(chǎn)生良好的界面效應(yīng)，從而提高瀝青黏度，降低其溫度敏感性，表現(xiàn)為抗彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變的提高。

季坤等[9]分析了生物瀝青(Bio)和特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)對(duì)基質(zhì)瀝青與瀝青混合料的協(xié)同改性作用，并研究了級(jí)配為AC-16的瀝青混合料的低溫性能。研究發(fā)現(xiàn)，摻加TLA可顯著減小復(fù)合改性瀝青的蠕變?nèi)崃亢歪樔攵龋瑫r(shí)增大復(fù)合改性瀝青的抗車(chē)轍因子和軟化點(diǎn)。摻加Bio可顯著增大瀝青的蠕變斜率和5 ℃延度，降低蠕變勁度模量，改善瀝青的低溫流變性能。通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在基質(zhì)瀝青中添加40%Bio和30%TLA后制備成復(fù)合改性瀝青混合料，-10 ℃下的彎曲應(yīng)變達(dá)到了4 171.5 με，具有優(yōu)異的低溫抗裂性能。將Bio與TLA復(fù)配，不僅實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料較好的低溫性能，也同樣具備較好的高溫性能與水穩(wěn)定性。

傅珍等[10]采用環(huán)保型增塑劑環(huán)己烷二甲酸二異丁酯(DIBCH)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，研究改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。這種增塑劑可以改善聚合物的熱變形能力及低溫柔韌性能，且具有成本低、相容性好等特點(diǎn)，是一種綠色清潔、成本低廉。DIBCH改性劑的摻量選擇為0,1.5%,2%,2.5%,3%，試驗(yàn)結(jié)果表明，最大彎拉應(yīng)變隨增塑劑摻量增大而逐漸提高，當(dāng)將DIBCH摻量提高到3%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變較基質(zhì)瀝青提高了42.5%，且此時(shí)抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，在原基礎(chǔ)上提高了16.5%。改性瀝青混合料彎曲勁度模量隨增塑劑摻量的增大出現(xiàn)不同程度的降低，這說(shuō)明通過(guò)DIBCH改性后，瀝青混合料較基質(zhì)瀝青混合料其低溫抗裂性能有所提升。

研究表明，對(duì)瀝青采用不同的改性方法均可提升瀝青混合料的低溫抗裂性能。納米材料通過(guò)高速剪切后均勻的分散在瀝青中，可以從微觀(guān)層面提升瀝青的低溫性能，進(jìn)而提升瀝青混合料在低溫下的抗開(kāi)裂能力。常用的納米改性材料有納米氧化鋅、納米碳化硅、納米碳酸鈣和納米二氧化鈦等，它們都對(duì)瀝青的性能起到一定的提升作用。不同的納米材料一般都具有一個(gè)最佳摻量，使得瀝青和瀝青混合料具有最佳的低溫抗裂能力。根據(jù)已有的研究成果，納米氧化鋅和納米碳化硅的最佳摻量一般均為4%。納米材料的成本相對(duì)較高，若在道路工程中廣泛采用納米改性瀝青，將大幅提高工程造價(jià)。增塑劑在改善瀝青及瀝青混合料柔韌性的同時(shí)，具備綠色環(huán)保、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，其最佳摻量一般為3%，此時(shí)瀝青混合料通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)表現(xiàn)出的彎拉應(yīng)變值與納米改性材料制成的瀝青混合料相當(dāng)，達(dá)到3 000 με，而用生物瀝青進(jìn)行調(diào)和后的改性瀝青其值可以達(dá)到4 000 με，遠(yuǎn)高于通過(guò)納米材料和增塑劑進(jìn)行改性的瀝青混合料。

根據(jù)已有的研究成果，為了使瀝青混合料獲得更好的低溫抗裂性能，可從以下方面針對(duì)瀝青進(jìn)行改性：

1)使用納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性，納米材料的摻量可選為4%。納米材料可從微觀(guān)層面通過(guò)表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)充分與瀝青結(jié)合，增強(qiáng)低溫性能，降低瀝青混合料在低溫條件下開(kāi)裂的可能性；

2)使用增塑劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性，增塑劑的摻量可選為3%。由于增塑劑易與瀝青相混相容，因此其提升瀝青混合料低溫性能的效果更容易得到保證。同時(shí)增塑劑還具有綠色清潔和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；

3)使用生物瀝青和基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)配，復(fù)配比例可選為1∶1。生物瀝青的成分可以改善瀝青的蠕變勁度模量和低溫流變性能，從而提高瀝青混合料的低溫柔韌性和抗裂性；

4)在采用生物瀝青和基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)配的同時(shí)，加入納米材料或增塑劑進(jìn)行進(jìn)一步的改性。

但已有的研究成果還不足以解決以下問(wèn)題：由于納米材料和增塑劑的種類(lèi)眾多，不同的納米材料和增塑劑是否可以通過(guò)協(xié)同改性進(jìn)一步提升瀝青和混合料的低溫性能，以及在提升低溫性能的同時(shí)，是否會(huì)損失其高溫性能；生物瀝青的原材料選取、制備過(guò)程、復(fù)配工藝和復(fù)配比例等尚不夠明確和完善。這些疑問(wèn)還有待更深入的研究。

3 對(duì)瀝青混合料的改性

除了針對(duì)瀝青進(jìn)行改性外，直接提升瀝青混合料在低溫下的柔韌性也是延緩路面出現(xiàn)裂縫的方法之一[11]，而加入不同種類(lèi)和摻量的纖維可以不同程度地增強(qiáng)瀝青混合料的低溫變形能力，這是一種通過(guò)對(duì)混合料進(jìn)行改性的辦法。由于添加纖維可以增大瀝青混合料吸附的瀝青量，纖維通常與集料一同拌合，使其均勻分散在集料中，起到一定的加筋的作用，增強(qiáng)韌性，從而提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。近年來(lái)，有關(guān)學(xué)者研究了在不同級(jí)配的瀝青混合料中摻加聚酯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等對(duì)其低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青混合料的最大粒徑越小時(shí)，纖維對(duì)混合料的改性效果越明顯，通過(guò)-10 ℃下的低溫小梁彎曲試驗(yàn)測(cè)得的彎拉應(yīng)變最大值通常均大于3 000 με。

陳奕琛等[12]研究了不同摻量的聚酯纖維對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響。通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)，研究聚酯纖維摻量為0，0.25%，0.35%，0.45%時(shí)的最大彎拉應(yīng)變和勁度模量的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變也隨之增加。當(dāng)聚酯纖維摻量為0.45%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度均達(dá)到最大，而當(dāng)摻量為0.35%時(shí)，勁度模量最小，這說(shuō)明當(dāng)采用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，可能得出不同的纖維最佳摻量。

顧倩儷等[13]在SMA-13,SUP-20,SUP-25三種級(jí)配的瀝青混合料中摻入玄武巖纖維，通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)判定瀝青混合料的低溫抗裂性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能有明顯提升效果，并且由于礦料級(jí)配的不同，纖維對(duì)瀝青混合料的低溫性能的提升效果也有所不同。隨著最大粒徑的降低，其抗彎拉強(qiáng)度逐漸增大，如圖3所示。其中SMA-13級(jí)配瀝青混合料的提升效果最好，并得出了以破壞應(yīng)變或勁度模量作為評(píng)價(jià)低溫性能的指標(biāo)時(shí)結(jié)果相一致的結(jié)論。

王鋒[14]通過(guò)對(duì)摻加玻璃纖維的AC-13級(jí)配瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，研究玻璃纖維對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響，所選取的玻璃纖維長(zhǎng)度為12 mm，摻量為0,0.1%,0.2%,0.3%。試驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃纖維對(duì)瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度無(wú)明顯影響，而隨著玻璃纖維摻量的增加，最大彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并在摻量為0.2%時(shí)達(dá)到最大，與不摻加時(shí)相比提升了21%，如圖4所示。當(dāng)摻量較小時(shí)玻璃纖維在瀝青混合料中的分散性較好，能夠與瀝青形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到加筋、增韌阻裂的作用，從而提高瀝青混合料的低溫抗裂性。當(dāng)摻量過(guò)大時(shí)，玻璃纖維的分散性差，在瀝青混合料中出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而削弱了混合料低溫時(shí)抵抗開(kāi)裂的能力。

研究表明，摻加不同的纖維如聚酯纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維等，都可以增加集料吸附的瀝青數(shù)量，增加瀝青包裹集料的厚度，提高柔韌性，增強(qiáng)低溫下的抗彎拉強(qiáng)度。由于不同類(lèi)型的纖維其本身的強(qiáng)度、韌性以及吸油性均有所不同，因此不同類(lèi)型纖維的最佳摻量也有所差異，該值與纖維的種類(lèi)以及評(píng)價(jià)方法有關(guān)，根據(jù)已有研究成果，纖維的最佳摻量通常為以下值：木質(zhì)素纖維為0.5%，聚酯纖維為0.4%，玄武巖纖維為0.4%，玻璃纖維為0.2%。同一摻量下的同種纖維對(duì)不同級(jí)配的瀝青混合料也會(huì)起到不同的低溫增強(qiáng)效果，當(dāng)級(jí)配中最大粒徑越小時(shí)，集料的比表面積越小，所需要的瀝青越多，瀝青膜的厚度越大，具有更好的彈性和韌性，纖維提高瀝青混合料的低溫抗裂能力也越大。

根據(jù)已有的研究成果，為了使瀝青混合料獲得更好的低溫抗裂性能，可從以下方面針對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性：

1)使用纖維對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性，摻量根據(jù)纖維種類(lèi)進(jìn)行選擇。在集料拌合過(guò)程中投入纖維一同攪拌，使纖維均勻地分散在集料中，再投入瀝青，可增加瀝青的用量，并使瀝青充分、均勻地包裹集料和纖維，提升瀝青混合料在低溫下抗開(kāi)裂性能；

2)使用最大粒徑較小的級(jí)配，如SMA-10或SMA-13等。在相同情況下，集料的粒徑越小，比表面積越大，所需要的用來(lái)包裹集料的瀝青也越多，瀝青膜的厚度越大，勁度模量降低，具備更強(qiáng)的低溫韌性。

但已有的研究成果還缺乏針對(duì)同一級(jí)配采用不同纖維時(shí)的改性效果的研究，沒(méi)有形成系統(tǒng)的同級(jí)配比較，從而得出不同纖維提升瀝青混合料低溫性能的能力強(qiáng)弱，而用不同級(jí)配的瀝青混合料來(lái)相互比較纖維對(duì)其低溫抗裂能力的影響是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹３顺Ｓ玫睦w維材料外，是否還有其他性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的纖維材料也值得進(jìn)一步探尋。

4 結(jié)語(yǔ)

瀝青混合料的低溫性能一直是各位學(xué)者研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。不論是北方還是南方地區(qū)，都需要考慮瀝青混合料的低溫性能，避免在冬季寒冷季節(jié)因溫度應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂，影響路面結(jié)構(gòu)的正常使用。改善瀝青混合料低溫性能的方式有很多種，如采用納米材料、增塑劑、生物材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性，以及采用纖維材料對(duì)混合料進(jìn)行改性等。但已有研究都還存在一些尚不完善的地方，如不同改性材料和改性方式是否可以協(xié)同改性，在提升瀝青混合料低溫性能的同時(shí)，是否會(huì)對(duì)其他性能造成損害等，都還有待通過(guò)更多的試驗(yàn)研究來(lái)得出結(jié)論。在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮改性效果、難易程度、綠色節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)選出一種適于大范圍推廣使用的瀝青混合料低溫抗裂性能改性方式，將是未來(lái)需要繼續(xù)深入研究的方向。