不同類型聚合物改性瀝青混合料性能研究

陸李靈

（廣西路建工程集團有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

瀝青路面車轍隨著車輛荷載施加次數的增加而逐漸發展，表現為車輪路徑上的縱向凹陷和側面的小起伏，這是由瀝青混合料致密化和剪切變形共同作用引起的［1］。引起車轍病害的主要因素是交通荷載（尤其是重型卡車）及高溫環境。車轍病害會嚴重影響瀝青路面的行車安全，如瀝青面層的車轍凹陷遇雨天時會形成積水，導致路面的抗滑能力下降，影響路面的行車安全［2］；隨著車轍的加深，車轍凹陷處會影響行車的轉向，產生更大的安全隱患。隨著瀝青路面在長期服役過程中車轍深度的增加，瀝青混合料變硬，其溫度敏感性也隨之下降。針對以上問題，瀝青材料的研究者和研究機構多使用改性劑提升瀝青混合料的高溫性能，以減少瀝青路面因車轍而引起的病害［3］。聚合物改性瀝青因具有優異的高溫性能，成為解決瀝青路面車轍病害的方案之一，但聚合物改性瀝青并不能完全解決瀝青路面的車轍問題，還需要綜合考慮瀝青特性、級配類型及瀝青混合料的流變特性［4］。用于瀝青改性的聚合物可根據其加入瀝青后的物理化學反應分為2 類［5］：①塑性聚合物，形成剛性三維網絡并能抵抗永久變形的聚合物；②彈性聚合物，能誘導更高彈性和恢復能力的聚合物。由于瀝青是一種黏彈性材料，即加載荷載時，瀝青混合料會產生變形，但卸下荷載時，變形并不能完全恢復［6］。在重復荷載作用下，瀝青混合物中會殘留大量不可恢復的變形，從而產生永久殘余應變。聚合物改性瀝青具有減少車轍的效果，但不同的聚合物改性瀝青在重復荷載作用下具有不同的應變響應。因此，對不同類型聚合物改性瀝青混合料的性能開展研究具有重要意義。本文選用2 種聚合物作為研究對象，評價聚合物改性瀝青混合料的抗車轍性，分別為無定形聚烯烴聚合物（Amorphous Polyolefin，APO）和由低密度聚乙烯（LDPE）、乙酸乙酯（EVA）組合而成的特定聚合物。車轍試驗在2 種不同的試驗溫度（30℃和60℃）下進行。此外，開展動態模量和疲勞試驗，比較聚合物改性瀝青混合料與未改性瀝青混合料的性能。通過在不同溫度和頻率下測試四點彎曲的棱柱狀試樣，用于評估所研究的瀝青混合料的動態模量，形成每種混合料的主曲線。通過在20°C 和10 Hz 條件下測試瀝青混合料試樣，評估瀝青混合料疲勞壽命，并在單一應變水平（300 με）下對混合料疲勞壽命進行比較。研究的開展，可為聚合物改性瀝青的性能分析提供基礎數據，同時為工程實踐選用合適的聚合物改性劑提供參考。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

選用2種聚合物用于瀝青的改性，第一種為低分子量和低熔點的APO；第二種聚合物由低分子量和中等熔點的LDPE和EVA復合而成。聚合物是小顆粒物質，在常溫下為固體，因此它們方便儲存或可以直接添加到熱瀝青中。需要評估的不同類型的瀝青混合料包括無添加劑瀝青、添加無定形聚烯烴聚合物的改性瀝青、添加由LDPE和EVA復合的特定聚合物的改性瀝青。在聚合物摻量方面，兩種聚合物均設置3種摻量，分別為瀝青質量的3%、6%、9%。

瀝青選用90#A級瀝青，其相關技術指標見表1。

表1 90#A級瀝青技術指標

1.2 瀝青混合料馬歇爾體積指標

1.2.1 礦料

選用AC-20C 作為瀝青混合料級配類型，礦料分為粗集料、細集料、礦粉3類。粗、細集料均為石灰巖，礦粉為石灰巖磨制而成。礦料的技術指標見表2至表4。

表2 粗集料檢測技術指標

表3 細集料檢測技術指標

表4 礦粉檢測技術指標

1.2.2 馬歇爾體積指標

采用馬歇爾體積法設計瀝青混合料配合比，試驗過程參考我國規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程（附條文說明）》（JTG E20—2011）。為減少其他變量對瀝青混合料的影響，統一設定90#瀝青混合料及2 種聚合物改性瀝青混合料的油石比為4.1%，馬歇爾體積指標及力學指標試驗結果見表5。為便于操作，無定形聚烯烴聚合物以APO 指代，LDPE和EVA復合聚合物以LE指代。

表5 90#瀝青及兩種聚合物改性瀝青混合料馬歇爾體積指標試驗結果

1.3 試驗方法

1.3.1 車轍試驗

根據歐洲標準《Bituminous Mixtures-Test Methods For Hot Mix Asphalt - Part 22：Wheel Tracking》（EN 12697—22—2007）［7］（中文名稱為《瀝青混合料車轍試驗》）中的相關要求開展試驗，使用“小型裝置程序B”通過車輪跟蹤試驗評估混合物的抗車轍性。每種混合物至少開展2次試驗，并進行10 000次荷載循環測試。對該設備的車輪施加700 N的負載，其加載速度設置為26.5 次/min，相當于加載頻率為0.44 Hz。從車輪跟蹤試驗中獲得的主要參數是車輪在空氣中的跟蹤斜率（WTS）和10 000次循環時的車轍深度。選擇30 ℃和60 ℃作為車轍試驗的代表溫度。測試前，所有板坯放在烘箱中進行加熱處理，烘箱加熱溫度為車轍試驗所設定的溫度（30 ℃或60 ℃）。

1.3.2 動態模量和疲勞性能試驗

采用380 mm×50 mm×50 mm 尺寸的試樣開展四點彎曲試驗，以獲得瀝青混合料的動態模量。試驗前，在烘箱內按設置溫度對試樣進行保溫處理，然后分別在溫度為-5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、加載頻率為0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、4 Hz、6 Hz、8 Hz、10 Hz的條件下進行試驗，主要評估動態模量。動態模量試驗結束后，在10 Hz的頻率和20 ℃的測試溫度下對每個試樣進行疲勞性能測試。疲勞壽命定義為動態模量降低至50%時的循環次數。

2 試驗結果及分析

2.1 車轍試驗結果及分析

車轍試驗的結果用跟蹤斜率（WTS）和10 000 次循環時的車轍深度表示。根據EN 12697—22—2007，WTS計算為5 000 次加載循環和10 000 次加載循環后車轍深度之差的比值。表1 中的7 種瀝青混合料在2 種測試溫度（30 ℃和60 ℃）條件下至10 000 次循環時的車轍深度試驗結果和WTS試驗結果分別如圖1和圖2所示。

圖1 車轍深度試驗結果

圖2 WTS試驗結果

無定形聚烯烴聚合物和LDPE+EVA 聚合物的加入顯著降低了90#瀝青混合料的車轍深度和WTS。車輪試驗結果表明，改性劑降低了90#瀝青混合料在常溫（30 ℃）和高溫（60 ℃）條件下因車輪加載而產生的永久變形。比較無定形聚烯烴聚合物和LDPE+EVA聚合物發現，相同摻量下，無論是在30 ℃還是60 ℃，無定形聚合物改性瀝青混合料的車轍深度和WTS均低于LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料。因此，在抗車轍性能方面，無定形聚合物改性瀝青混合料優于LDPE+EVA 聚合物改性瀝青。綜上所述，聚合物的添加提高了90#瀝青混合料的長期變形抗力，并且無定形聚合物改性瀝青混合料優于90#瀝青混合料和于LDPE+EVA聚合物改性瀝青混合料。

2.2 動態模量試驗結果及分析

動態模量試驗結果采用Sigmoidal 函數［8］擬合，參考溫度為20℃。將2 種聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料的曲線繪制在同一坐標圖中，以便比較聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料動態模量變化曲線（如圖3 和圖4 所示）。瀝青混合料為典型的黏彈性材料，具有時溫等效特性，低頻荷載相當于高溫，高頻荷載相當于低溫。由圖3可知，將無定形聚烯烴聚合物摻入90#瀝青后，動態模量發生了很大的變化，具體為在低頻時，動態模量提升，在高頻時，動態模量降低，這種變化使主曲線的斜率明顯下降，因此無定形聚烯烴聚合物的加入降低了90#瀝青混合料的溫度敏感性，并且無定形聚烯烴聚合物摻量越高，該現象越明顯。但是，觀察無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料的動態模量主曲線發現，在低頻條件下無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料的主曲線具有明顯的區分性，而在高頻條件下，曲線區分性較小，表明無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料相較90#瀝青混合料在高溫下的性能提升程度更明顯，而低溫下的性能提升幅度并不明顯。同時，在10～100 Hz加載頻率范圍內，無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料的主線幾乎重疊，因此無定形聚烯烴聚合物并未改變90#瀝青在常溫下的黏彈特性。由圖4 可知，LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的動態模量響應與無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料在低頻下類似，提升了低頻下90#瀝青混合料的動態模量，并且LDPE+EVA 聚合物的摻量越高，動態模量提升越高。但是，在高頻條件下，LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的動態模量與90#瀝青混合料幾乎沒有差異，表明LDPE+EVA 聚合物提升了90#瀝青混合料的高溫性能，但其沒有提升低溫性能。綜上所述，無定形聚烯烴聚合物和LDPE+EVA 聚合物均能顯著提升90#瀝青混合料的高溫性能，無定形聚烯烴聚合物能提升90#瀝青混合料的低溫性能，但提升程度不及高溫性能，LDPE+EVA 聚合物對90#瀝青混合料的低溫性能的提升效果并不明顯；聚合物摻量越高，90#瀝青混合料的高溫性能提升效果越明顯。

圖3 90#瀝青與無定形聚烯烴聚合物改性瀝青動態模量

圖4 90#瀝青與LDPE+EVA聚合物改性瀝青動態模量

2.3 疲勞性能試驗結果及分析

通過四點彎曲疲勞試驗，獲得90#瀝青、無定形聚烯烴聚合物瀝青混合料、LDPE+EVA 聚合物瀝青混合料的疲勞性能。為比較抗疲勞性能，計算上述瀝青混合料在300 με 下的疲勞壽命（如圖5 所示）。從圖5 可知，2 種聚合物改性瀝青的抗疲勞性能區別較大。無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命相比90#瀝青提升幅度較大，其中3%、6%、9%摻量的無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命分別提升131%、397%、517%，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命相比90#瀝青提升幅度較小，但3%LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的疲勞壽命反而下降了6%。因此，無定形聚烯烴聚合物改性瀝青混合料具有較好的疲勞性能，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料的疲勞性能只有在6%摻量和9%摻量時才具有優勢。

3 結論

對90#瀝青及3%、6%、9%摻量的2 種聚合物改性（無定形聚烯烴聚合物、LDPE+EVA 聚合物）瀝青混合料開展室內車轍試驗、動態模量試驗及疲勞性能試驗，得出如下結論：①車轍試驗結果表明，無定形聚合物改性瀝青混合料優于LDPE+EVA 聚合物改性瀝青，并且2 種聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青混合料相比，車轍性能大幅度提升。②動態模量試驗結果表明，聚合物改性瀝青混合料在低頻下相比90#瀝青的動態模量提升幅度明顯，但在高頻下提升不明顯，LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料與90#瀝青相比，在高頻下的動態模量幾乎沒有差異。③疲勞性能試驗結果表明，定形聚合物改性瀝青混合料的疲勞性能優異，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料只有在摻量較高（6%、9%）時才具有優勢。綜上所述，聚合物改性瀝青混合料相比90#瀝青的高溫性能優勢更明顯，但低溫性能和疲勞性能與聚合物類型有關，無定形聚合物改性瀝青混合料低溫性能略優于90#瀝青，疲勞性能優勢明顯，而LDPE+EVA 聚合物改性瀝青混合料低溫性能與90#瀝青差異較小，疲勞性能優勢并不明顯。總體而言，無定形聚合物改性瀝青混合料在高溫性能、低溫性能、疲勞性能方面均優于LDPE+EVA聚合物改性瀝青混合料。