PE改性瀝青在市政道路路面中的應用研究

段振洲

(中地海外中揚建設有限公司 長沙市 410015)

0 引言

隨著道路交通量的加大及車輛重載超載頻發，原有的道路路面不斷出現車轍、水損害等病害，這樣對于路面的使用質量和耐久性提出了更高的挑戰[1]。瀝青或瀝青混合料具有良好的性能是保證瀝青路面長久耐用的前提，為了提高瀝青及混合料的使用質量，通常是向瀝青中加入一些高分子聚合物改性劑或者是在混合料中加入添加劑，以獲得良好的性能質量[2]。瀝青改性技術源于上世紀的歐美國家，到目前已經發展了很多種改性瀝青，但是能夠普遍應用于路面建設的改性瀝青種類較少。常用的瀝青改性劑可分為人工合成和天然改性劑，如人工復合而成的抗車轍劑、增強劑，以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、丁苯橡膠(SBR)和聚乙烯(PE)等聚合物改性劑均屬于人工合成類改性劑，而天然改性劑主要有巖瀝青和湖瀝青等[3-4]。

結合某市政道路項目，對市政道路的路面材料選擇展開研究?？紤]該路段會有重載車輛通行需求，且根據當地夏季溫度高、冬季溫度低的氣候特點，路面需具備良好的高低溫性能，路面瀝青材料應選擇高粘彈成分，并具有抗壓變形好和彈性恢復性好的改性瀝青材料[5]。選取了SBS、PE和湖瀝青等三種瀝青改性劑，對三種不同改性瀝青混合料的路用性能進行對比分析，最終得到一種能夠用于上面層的改性瀝青，同時為周邊其他新建道路路面材料的選擇提供參考。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料性能

基質瀝青采用秦皇島70#A級道路石油瀝青，其技術性能見表1。SBS改性劑采用巴陵石化公司生產的YH-791型改性劑，其為白色線型粒柱狀，嵌段比S/B為30/70，其用量為4%。PE改性劑具有很好的柔韌性，制備的改性瀝青具有高溫性能強、耐久性好的特點，選擇烏魯木齊某公司生產的PE改性劑，外觀為黑色柱形顆粒，密度為0.908g/cm3，在110℃時呈熔融狀態，其摻量為8%。湖瀝青產自南美洲東北部的特立尼達島，其本身是一種天然瀝青，其成分約含有55%的瀝青、35%的礦物質及10%的有機物及其它成分。與普通瀝青相比，其組成成分中瀝青質的含量很高，為普通瀝青的10倍，蠟含量很低。研究表明，湖瀝青與基質瀝青的最佳摻配比例為30∶70，因此采用30%的湖瀝青進行研究[6]。

表1 70#A級石油瀝青技術指標

粗集料采用玄武巖碎石，集料規格分別為10～15mm、5～10mm、3～5mm，細集料采用石灰巖機制砂，填料采用石灰巖礦粉，各檔集料的技術指標見表2～表4。

表2 玄武巖粗集料技術性質

表3 石灰巖細集料物理力學性能

表4 石灰巖礦粉物理力學性能

1.2 改性瀝青性能

對三種改性瀝青進行25℃針入度、軟化點和135℃粘度試驗，試驗結果見表5所示。

表5 改性瀝青性能試驗結果

從表5可知，單看針入度指標，湖瀝青改性瀝青的針入度最小，PE改性瀝青次之，說明湖瀝青的感溫性能最好，粘度較大；從軟化點和135℃粘度上看，PE改性瀝青與湖瀝青改性瀝青的軟化點大小相當，但后者135℃粘度較大，SBS改性瀝青均為最小，說明PE改性瀝青與湖瀝青改性瀝青具有較好的高溫性能。可以看出不同的改性劑，其改性機理及瀝青性能也會差異較大，其中SBS是一種聚乙烯類熱塑性彈性體，與瀝青能夠很好地融合在一起，并形成空間鉸鏈結構，改善瀝青的高溫及耐久性；聚乙烯PE加入瀝青后會產生溶脹反應并形成網絡空間形態，增加了瀝青的粘度和延展性，對于高溫抗車轍性具有很大的改善作用[7-8]；而湖瀝青加入基質瀝青后會增加瀝青膜的厚度，降低瀝青的老化速度，改善瀝青的抗氧化和抗變形能力。瀝青性能的好壞最終還是反映在瀝青混合料的路用性能方面，為進一步探討三種不同改性瀝青性能的優劣，將繼續開展混合料路用性能的研究。

1.3 混合料配合比設計

采用AC-13C作為三種改性瀝青混合料的礦料級配，其合成級配見表6。以預估油石比對三種改性瀝青混合料分別進行馬歇爾試驗，確定了SBS改性瀝青、PE改性瀝青、湖瀝青改性瀝青三種瀝青混合料的最佳油石比分別為5.0%、5.2%、5.3%。馬歇爾試驗結果見表7所示。

表6 礦料級配設計表

表7 三種改性瀝青混合料馬歇爾試驗結果

2 瀝青混合料性能對比分析

2.1 高溫穩定性

瀝青路面常常出現車轍和擁包等剪切破壞的原因在于其高溫穩定性不足，因此，瀝青混合料必須具有較強的高溫穩定性，才能保證路面具有較高的強度和抵抗車輛荷載變形的能力。采用可模擬車輪行走并產生變形的車轍試驗來對比評價三種不同改性瀝青混合料的高溫穩定性，室內成型長與寬均為300mm、高50mm的車轍板，試驗溫度選擇60℃，試驗結果見表8所示。

表8 車轍試驗結果

從表8結果看出，60℃溫度條件下三種改性瀝青混合料對應的車轍深度大小為湖瀝青改性瀝青

2.2 低溫性能

瀝青混合料會隨著溫度的降低發生一定的收縮變形，因此，瀝青混合料需要具備良好的低溫性能以抵抗因低溫應力而產生的縮裂。國內對于瀝青混合料低溫性能的評價方法較多，評價指標也各異，目前主要采用低溫小梁彎曲試驗對制備的瀝青混合料棱柱體試件(250mm×35mm×30mm)進行加載，并通過試驗得到的最大荷載和跨中撓度換算為抗拉強度、彎拉應變和勁度模量等指標，從而評價瀝青混合料在低溫-10℃條件下的低溫性能，其結果見表9所示。

表9 低溫小梁彎曲試驗結果

從抗拉強度指標看，PE改性瀝青混合料強度最大，SBS改性瀝青次之，湖瀝青改性瀝青最小，說明PE改性瀝青與礦料的粘結力更強；三種瀝青混合料的最大彎拉應變大小為PE改性瀝青>SBS改性瀝青>湖瀝青改性瀝青，其中PE改性瀝青混合料的彎拉應變相對SBS改性瀝青提高8.1%，說明PE改性瀝青混合料在低溫條件下具有更好的低溫抗變形和應力松弛能力；從彎曲勁度模量可看出PE改性瀝青與SBS改性瀝青的混合料勁度模量大小相當，湖瀝青改性瀝青最大。由此看出PE改性瀝青的低溫性能最佳，湖瀝青改性瀝青的低溫性能最差，可能存在兩種原因：一是由于湖瀝青改性瀝青粘度較大，流動性低，低溫時變得脆硬，導致湖瀝青改性瀝青與礦料的粘結力降低，這與低溫時湖瀝青改性瀝青混合料的抗拉強度較小相吻合；二是由于湖瀝青中含有較高的瀝青質成分，會使瀝青的膠體結構類型發生變化，可能會由溶膠結構轉變為溶-凝膠型，最終導致在低溫加載時容易出現試件脆裂情況。

2.3 水穩定性

瀝青混合料水穩定性不足主要表現在混合料在浸水環境下產生的損傷，以及在低溫凍融環境中產生的損傷，在雨季來臨時雨水會通過路面裂縫滲透到結構內部，在行車荷載反復作用下，礦料表面的瀝青會逐漸剝離，結構強度降低，承載能力下降。良好的水穩定性能夠保證瀝青路面的整體穩定性，因此，道路路面必須具有較強的抗水損害能力。采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗表征改性瀝青混合料的水穩定性，試驗結果見表10。

表10 水穩定性試驗結果

從表10結果可發現，SBS改性瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比值均最小，與SBS改性瀝青混合料相比，湖瀝青改性瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比分別提高了3.4%、4.1%，PE改性瀝青混合料分別提高了3.6%和4.9%?？梢钥闯鋈N改性瀝青混合料中PE改性瀝青混合料的水穩定性最佳，湖瀝青改性瀝青次之，SBS改性瀝青最差。

3 結論

以某市政道路項目為依托，對比探討了三種不同改性瀝青混合料的各項性能，可以得出以下結論：

(1)通過室內車轍試驗結果發現，湖瀝青改性瀝青的高溫穩定性最佳，PE改性瀝青稍弱，SBS改性瀝青最差。

(2)通過浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗結果表明，相對于SBS改性瀝青，PE改性瀝青混合料具有更好的水穩定性，湖瀝青次之。

(3)通過低溫彎曲試驗結果發現，相對SBS改性瀝青和湖瀝青，PE改性瀝青混合料在低溫抗變形和應力松弛能力方面具有絕對的優勢。

(4)綜合對比分析各方面性能，最終確定將PE改性瀝青應用于該市政道路路面建設。