基于SuperPave級配設計的納米/POE改性瀝青混合料路用性能分析

楊道彪 栗威

摘要：文章采用SuperPave設計方法對納米/POE復合改性瀝青進行礦料級配設計和路用性能驗證。結果顯示：利用旋轉壓實成型溫度與60 ℃單軸貫入確定最佳壓實溫度范圍為150～155 ℃，采用黏溫曲線確定最佳拌和、壓實溫度范圍分別為163～170 ℃和155～160 ℃，最終確定SuperPave-20最佳拌合和壓實溫度分別為167 ℃和157 ℃；依據礦料間隙率、初始壓實度指標篩選合適的礦料級配，最佳瀝青用量為4%；納米/POE改性瀝青混合料具備良好的高溫抗車轍能力和抗水損害能力，且低溫抗裂性能也有所改善，動穩定度值提高約175%，凍融劈裂強度比提高約27.3%；納米TiO2改善了基質瀝青與POE的接觸面積，提高瀝青結構內部的網絡交聯狀態，既體現了POE的高黏、高彈特性，又避免了POE融合瀝青后降低其低溫柔性。

關鍵詞：瀝青路面、納米/POE改性瀝青、SuperPave設計方法、路用性能

中圖分類號：U416.217? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0040-04

0 引言

截至2022年底，我國高速公路總里程已突破16.1萬km，瀝青路面作為主要的路面結構形式，占據了整個高等級路面結構的95%以上，涉及改善路用性能的新材料、新技術一直是關鍵的研究方向。

瀝青材料經歷了從單一改性到多元化復合改性、從宏觀物理手段的簡單融合階段到納米復合化學改性融合階段的發展。諸多研究人員對納米復合改性瀝青開展研究，取得不少成果。李永琴等［1］對納米TiO2/CaCO3改性瀝青混合料進行黏彈性能分析，建立了黏度與溫度的函數關系模型。蘇曼曼［2］開展納米ZnO、TiO2、SBS、基質瀝青復合改性研究，指出納米ZnO、TiO2材料能夠顯著改善SBS改性瀝青的高溫性能。鎖利軍等［3］研究納米TiO2改性瀝青混合料的路用性能，提出納米TiO2改性瀝青的最佳摻量為5%。關翔［4］研究指出納米ZnO/SBR改善了高溫性能、水穩定性能和抗疲勞性能，但對低溫性能有所劣化。白祥宇等［5］研究納米OMMT/ZnO改善SBS＼SBR改性瀝青熱貯存穩定性問題，指出納米OMMT/ZnO能提高其熱儲存穩定性和抗老化性能。

由上述可知，目前研究成果多偏向納米復合材料改性及路用性能驗證分析，仍欠缺對納米改性瀝青的高黏、高彈特性分析。本文采用SuperPave設計方法，對納米/POE材料、催化劑、基質瀝青進行復合改性研究，并利用常規路用性能試驗進行驗證，希望能為實體工程推廣應用提供良好的技術指導。

1 原材料及改性瀝青制備

1.1 原材料選擇

研究選擇石灰巖材質的集料，粗集料規格為10～20 mm和5～10 mm；細集料石灰巖制備機制砂；瀝青為殼牌A級70#基質瀝青；納米材料為宣城晶瑞新材料有限公司生產的VK-SP30S TiO2，檢測結果見表1～表4。

1.2 納米/POE改性瀝青制備

聚烯烴彈性體POE具備良好的耐高溫、耐老化性能，一般用于增韌改性劑。參考工業塑料產品前端的雙螺桿擠出造粒工藝，對VK-SP30S與POE進行共混雙螺桿擠出造粒，詳細制備工藝如下。

（1）將VK-SP30S與POE進行物理混合，二者比例為3∶5；調試雙螺桿擠出機的加熱段溫度為140～155 ℃，轉速為200 r/min，按照標準工藝進行納米/POE改性劑制備，成品單個質量約為0.02 g，灰分含量約為3.8%，密度約為0.96 g/cm3，熔融溫度為130 ℃。

（2）選取適量基質瀝青（3～5 kg）加熱至150℃，保持熔融流淌狀態（禁止高溫老化），將納米/POE改性劑均勻緩慢地加入容器，并持續攪拌直至完全熔融（約10～15 min），添加量為瀝青質量的5%。

（3）采用高速剪切機對基質瀝青進行分散、剪切，加工溫度為160～165 ℃，剪切速率為7 500～8 000 r/min，剪切時間為35～40 min，整個制備過程保證溫度均勻、剪切均勻，防止老化。

2 納米/POE改性瀝青混合料SuperPave配合比設計

目前，眾多相關研究成果表明馬歇爾配合比設計方法的相關參數難以保證良好的路用性能，本文采用SuperPave方法對納米/POE復合改性瀝青混合料進行配合比設計。

2.1 拌合與壓實溫度優化

SuperPave設計方法采用CONTROLS 78-PV20R02型旋轉壓實儀成型試件（拌合溫度為170 ℃），通過調整壓實溫度（130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃）成型試件，采用60 ℃標準單軸貫入試驗進行剪切強度測試，結果如圖1所示：隨著壓實溫度的提高，抗剪強度呈先增加后下降的趨勢變化，抗剪強度存在最大值。因為納米/POE改性瀝青屬于非牛頓流體材料，溫度升高有利于改善瀝青膠結料的黏度，促進混合料內部進一步密實，不僅壓實度得到改善，剪切強度也顯著增加；但當壓實溫度進一步提高，瀝青膠結料的黏度急劇下降，礦料之間的黏結作用隨之降低。瀝青混合料的抗剪強度與瀝青黏度密切相關，依據試驗數據進行回歸分析，納米/POE復合改性瀝青混合料的最佳壓實溫度范圍為150～155 ℃。

JTG F40—2004技術規范規定采用黏溫曲線確定瀝青混合料的拌合、壓實溫度［6］。納米/POE改性瀝青的黏度—溫度曲線如圖2所示：隨著溫度的增加，瀝青黏度值呈加速下降趨勢，依據拌和、壓實黏度范圍（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s，納米/POE改性瀝青混合料的拌和、壓實溫度范圍為163～170℃和155～160 ℃。

綜上所述，以SuperPave設計方法確定納米/POE復合改性瀝青混合料的拌和溫度為167℃、壓實溫度為157 ℃。

2.2 礦料級配設計

納米/POE改性瀝青具備了良好的高溫性能和黏附性能，有利于改善路面結構的抗車轍性能和水穩定性能，SuperPave-20一般用于中面層，通過調整單粒級用量擬合粗、中、細3種級配（如圖3所示）。

根據3種級配初步估算瀝青用量，拌合溫度為167 ℃，壓實溫度為157 ℃，設計壓實次數N為125次，結合實測的空隙率和礦料間隙率等參數，對3種級配在空隙率4%下的體積特性和壓實特性進行分析，結果見表5。級配Ⅰ細集料偏多，礦料間隙率小于13%，未滿足設計要求；級配Ⅲ瀝青用量為4.3%，初始壓實度為84.2%，說明瀝青含量偏大，集料之間瀝青油膜厚導致壓實度偏低。因此，選擇級配Ⅱ作為設計級配。

2.3 瀝青含量確定

依據實際工程經驗選取瀝青用量為4.0%，不同瀝青用量間隔0.5%，依次為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，旋轉壓實次數為125次，結果見表6。隨著瀝青含量的增加，空隙率呈逐漸減少趨勢，在4.5%時，空隙率值僅為3.6%；礦料間隙率呈先增加后下降的趨勢變化，均滿足技術要求；依據不同體積參數與瀝青含量之間關系，空隙率4%對應瀝青含量為4.0%。

通過對納米/POE改性瀝青混合料SuperPave設計方法分析，確定的最佳拌合與壓實溫度均能良好滿足成型試件要求，最佳瀝青含量低于馬歇爾試驗方法，壓實度高于傳統設計方法（與AC-20C相比）［6］。

3 納米/POE改性瀝青混合料路用性能分析

3.1 高溫抗車轍性能

車轍病害嚴重影響了路面的使用壽命，納米/POE改性瀝青具有溫度敏感性低、高溫黏度大的特性，利用60 ℃車轍試驗驗證其性能，以基質瀝青、SBS改性瀝青作為對比組，結果見圖4、圖5。

（1）納米/POE改性瀝青的車轍總深度最小、基質瀝青最大、SBS改性瀝青居中。車轍深度間接反映了瀝青路面高溫抵抗荷載作用的能力，納米/POE改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力顯著高于SBS改性瀝青和基質瀝青，車轍總深度分別降低了約14.6%和105.6%。

（2）納米/POE改性瀝青的動穩定度值最大，表明其具備良好的高溫抗車轍能力，體現了納米TiO2與POE材料的有效特性，納米材料的比表面積達到280 m2/g，能夠顯著增加與基質瀝青的接觸面積，進一步降低POE材料融入瀝青的難度，提高納米/POE改性瀝青的高溫性能。

3.2 低溫抗裂性能

瀝青路面的低溫破壞源于環境溫度驟降或溫度疲勞作用，尤其在寒冷地區，低溫破壞現象也是研究的關鍵點之一。采用小梁彎曲試驗，試件尺寸30 mm× 35 mm×250 mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，結果見圖6、圖7。

（1）納米/POE改性瀝青的低溫彎拉應變明顯高于基質瀝青和SBS改性瀝青，表征相同環境條件下試件產生破壞需要較大能量，納米/POE改性瀝青膠結料在結構中產生的勁度模量顯著增加，抗彎拉收縮應變能力變強。因為POE材料為聚乙烯彈塑性體，分子量較窄，具有良好的結構穩定性，與基質瀝青融合后能顯著提高低溫抗拉伸能力。盡管POE在低溫環境下呈現一定的脆性，但與納米二氧化硅、基質瀝青融合后，仍能改善其低溫性能，彎拉應變值提高約為9.8%（與SBS相比）。

（2）納米/POE材料對低溫抗裂性能的改善效果低于高溫性能，這與POE材料的特性密切相關。對于彎曲勁度模量指標，納米/POE改性瀝青的變化幅度較小，3種瀝青的彎曲勁度模量值相差約為124 MPa，說明采用單一的低溫性能評價指標不能很好地辨析材料之間的特性。

3.3 抗水損害性能

選擇浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價納米/POE改性瀝青混合料的水穩定性能，依據JTG E20—2011試驗規程中的相關要求進行試驗［7］，結果如圖8所示：3種瀝青混合料的殘留穩定度、凍融劈裂強度比存在較大差異，納米/POE改性瀝青的殘留穩定度值和凍融劈裂強度比（TSR）值均在90%以上，基質瀝青TSR值低于75%，說明納米/POE能夠較好改善基質瀝青的抗水損害性能，SuperPave方法對礦料粒級控制更為精確，避免了傳統設計方法關鍵篩孔浮動較大的缺陷。相關研究表明，瀝青混合料內部空隙是導致外部水分進入結構內部的關鍵因素，當水分子結冰膨脹產生壓力，勢必對瀝青膠漿的黏結性能產生劣化效果。納米/POE改性瀝青混合料內部結構之間孔隙均勻穩定，納米材料選擇為親油性，進一步提高了POE與瀝青之間的融合效果，也增加與集料之間的黏附作用。與基質瀝青相比，納米/POE改性瀝青的殘留穩定度、TSR分別提高了約14.5%和27.3%。

4 結論

綜上研究及試驗結果，可以得出以下結論：①結合納米/POE改性瀝青的特性，采用SuperPave方法進行配合比設計，確定最佳拌和溫度為167 ℃、壓實溫度為157 ℃；4%空隙率對應最佳瀝青用量為4.0%，與普通馬歇爾設計方法相比，降低了最佳瀝青用量。②納米/POE材料能顯著改善基質瀝青的路用性能，納米/POE改性瀝青混合料具備良好的高溫抗車轍能力和抗水損害能力，低溫抗裂性能也有所改善，動穩定度值提高約175%，凍融劈裂強度比提高約27.3%。③納米材料能夠改善基質瀝青與POE的接觸面積，改善瀝青內部交聯狀態，既體現了POE材料的高黏、高彈特性，又避免了POE融合瀝青后降低其低溫柔性。④納米/POE改性瀝青混合料的抗疲勞性能仍需要進一步研究驗證。

5 參考文獻

［1］李永琴，張平，高學凱，等.多溫度下復合納米TiO2/CaCO3改性瀝青混合料的黏彈特性分析［J］.新型建筑材料，2021，48（6）：101-105.

［2］蘇曼曼，張洪亮，呂建偉，等.極端高溫下納米復合改性瀝青及其混合料高溫性能試驗研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2018，37（3）：27-33.

［3］鎖利軍.納米SiO2改性瀝青混合料的制備及性能研究［J］.功能材料，2022，53（5）：5199-5204.

［4］關翔.納米ZnO/SBR改性瀝青混合料性能研究［J］. 公路交通技術，2021，37（3）：28-33.

［5］白翔宇，呂娜.OMMT/ZnO納米復合SBS、SBR聚合物改性瀝青與混合料性能研究［J］.公路，2021，66（10）：308-314.

［6］JTG F40—2004，瀝青路面施工技術規范［S］.

［7］JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.