直投式改性劑對瀝青及其混合料性能影響分析

白昭毅，徐文遠，吳宇軒

（東北林業大學土木與交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著道路交通量增大、車輛超載現象日益增加，高溫車轍病害常出現。針對瀝青道路在服役過程中出現的問題，道路工作者主要提出了兩種解決方案：一是對瀝青進行改性來提高路面在實際中的使用效果；二是在混合料拌合時直接將改性劑投入，依靠高溫和集料拌合過程中的剪切力將改性劑均勻地分散到混合料中，加入瀝青拌合即可制備瀝青混合料，改性劑在拌合過程中完成改性，這種工藝稱為直投工藝，也稱“干法改性”。但是濕法改性瀝青存在高溫剪切過程中性能衰減和需要專門生產等問題，例如實際工程常使用的SBS改性瀝青，易發生離析，導致工程的質量難以保證[1-3]；而干法工藝能避免上述問題，可有效減少改性劑加工、儲存等諸多繁瑣的環節，有效降低資源和能源成本。

由于直投式改性劑的諸多優點，各種不同的直投改性劑被研發。上世紀，國外便開發了系列可用于干法工藝的改性劑，例如德國的Duroflex改性劑產品[4]、法國研發直投式RP改性劑[5]和日本用于排水路面的TPS直投改性劑等。此外在國內也進行了相關的研究和應用。奚龍飛[6]、楊益民等[7]研究發現，直投改性劑在拌合過程中會與瀝青產生一定的混合，提高瀝青的高溫穩定性。徐寧對干法直投的SBS-T改性劑進行研究，實驗研究表明，SBS-T改性劑可以充分發揮改性性能，基本實現與SBS改性劑改性效果相當[8]。干法直投工藝可以在大幅度地提高瀝青路面高溫抵抗變形能力的同時，無需添加額外設備，且改性劑存儲簡單，這種材料的研發為國內外普遍存在的車轍病害的預防和治理提供了一種思路。我國對于這種工藝的研究和在道路中的應用較晚，針對改性劑對瀝青混合料的改性機理研究較少，且在實際中的應用效果差異性較大，造成其實際推廣應用受到了一定的限制。

本文以ZM直投式改性劑為研究對象，將其直接摻入瀝青中，利用DSR、BBR等試驗評價改性瀝青的流變性能，分析ZM改性劑對瀝青性能的影響，并采用車轍試驗、凍融劈裂試驗和瀝青混合料彎曲蠕變試驗等對ZM改性瀝青混合料的路用性能進行測試，為直投式改性劑的應用提供理論及現實依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.1.1 基質瀝青與SBS改性瀝青

本研究選用遼寧盤錦90#基質瀝青，其基本性能指標見表1。SBS改性瀝青為實驗室制備，SBS摻量為4.5%（外摻法）。

表1 90#基質瀝青的基本性能指標Table 1 90# Base asphalt basic performance indicators

表2 ZM改性劑的基本信息Table 2 Basic information of ZM modifier

1.1.2 改性劑

ZM改性劑是一種固體顆粒狀的高分子聚合物改性劑，成分以聚合物和樹脂為主。因其可有效提高瀝青混合料的高溫性能，在國內的道路建設中得到普遍應用。

1.2 ZM改性瀝青及混合料制備方法

1.2.1 改性瀝青制備流程

改性瀝青的制備采用高速剪切法，其制備工藝如圖1所示。

圖1 ZM改性瀝青制備流程Fig. 1 ZM modified asphalt preparation process

1.2.2 ZM改性瀝青混合料制備流程

ZM改性瀝青混合料為干法制備，混合料的制備流程如圖2所示。

圖2 ZM改性瀝青混合料制備流程Fig. 2 ZM modified asphalt mixture preparation process

1.3 試驗方法

1.3.1 三大指標試驗

試驗包括針入度試驗、軟化點試驗、5℃延度試驗。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）[9]中的測試方法進行。

1.3.2 動態剪切流變試驗（DSR）

溫度掃描試驗（TS）儀器為動態剪切流變儀。采用應變控制模式[10]，掃描溫度為30～90 ℃，加載應變為1%，加載頻率為10rad/s，平行板選擇25mm，間距1mm[9]。

多應力蠕變恢復試驗（MSCR）在動態剪切流變儀上進行，試驗溫度為58、64、70、76 ℃，采用直徑為25mm、間隔為1mm的平行板進行試驗[11]。

1.3.3 瀝青彎曲梁蠕變勁度試驗

根據美國公路戰略研究計劃（SHRP）評價瀝青低溫性能的手段，利用彎曲梁流變儀測試低溫性能,采用?12℃和?18℃作為試驗設置溫度。根據60s時的勁度模量、蠕變速率對瀝青的低溫性能進行評價[12]。

1.3.4 路用性能試驗

選用AC-16級配進行試驗，ZM改性劑的摻量分別為0.3%、0.4%和0.5%（相對于瀝青和集料的總質量），采用干法直投工藝，最佳瀝青用量為4.7%。采用車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及彎曲蠕變試驗評價瀝青混合料的路用性能。

2 結果與討論

2.1 三大指標試驗

通過三大指標試驗得到瀝青的常規性能試驗結果，如圖3所示。

圖3 瀝青常規性能試驗結果Fig. 3 Asphalt routine performance test results

ZM改性瀝青的針入度低于基質瀝青和SBS改性瀝青，軟化點結果高于基質瀝青和SBS改性瀝青，在ZM改性劑3%摻量的瀝青軟化點數值相比基質瀝青提高了16%，針入度由83降底至63，改性效果隨著改性劑摻量的提高更為顯著，ZM改性劑7%的摻量下，瀝青軟化點提高到80℃，針入度降低至46。整體來看，ZM改性劑的加入會使瀝青在高溫下具有更好的抵抗永久變形能力。

2.2 溫度掃描試驗

瀝青溫度掃描的結果主要有復合剪切模量（G*）、相位角（δ）和車轍因子（G*/sinδ）。溫度掃描試驗結果如圖4～圖6所示。

圖4 瀝青車轍因子隨溫度的變化曲線Fig. 4 Curve of rutting factor as a function of temperature

由圖4、圖5可知，瀝青復合剪切模量和車轍因子的大小表現為：基質瀝青＜SBS改性瀝青＜90號基質+3%ZM＜90號基質+5%ZM＜90號基質+7%ZM。相同溫度下，復合剪切模量越大，高溫性能越好，所以由試驗數據可得SBS改性劑和ZM改性劑對于基質瀝青的高溫性能均有所提高，且ZM改性劑對于復合剪切模量的提升更為顯著。在64℃的條件下，3%的改性劑摻量瀝青的G*相較于基質瀝青提高為95%， 5%的改性劑摻量時G*相較于基質瀝青提高為127%；隨著改性劑摻量提高，G*在不斷地提高，對于基質瀝青高溫性能的改善效果更為顯著。

圖5 瀝青復合剪切模量隨溫度的變化曲線Fig. 5 Curve of composite shear modulus versus temperature

車轍因子是用以評價瀝青高溫抗車轍性能的指標，表示瀝青的抵抗高溫塑性變形能力[13]。由圖4可見車轍因子（G*/sinδ）隨溫度升高而降低，說明瀝青的抗車轍能力隨溫度的升高而變差，表明升高溫度使瀝青的彈性成分降低而黏性成分增加，在相同的溫度下改性瀝青的車轍因子遠大于基質瀝青。從試驗結果上看，在64℃基質瀝青和ZM改性瀝青均滿足G*/sinδ大于1.00kPa的要求，但ZM改性瀝青的車轍因子高于基質瀝青，說明ZM改性瀝青相比具有更強的抗永久變形能力；當試驗溫度升高到70℃時，三種摻量下的ZM改性瀝青的G*/sinδ均達到1.00kPa的要求，而基質瀝青為0.54kPa，未達到標準，說明ZM改性瀝青體系形成了更加穩定的結構，ZM改性劑降低了瀝青的溫度敏感性，瀝青可適應更高的環境溫度。

圖6中的各種瀝青相位角隨著溫度的升高而不斷變化，這表明隨著溫度的變化，瀝青中的黏彈比例在發生變化，相位角升高，彈性占比減小，黏性占比增大，瀝青的高溫穩定性下降，反之則結果相反；ZM改性劑摻入到基質瀝青后，使瀝青相位角降低，在相同溫度下使瀝青表現出更多的彈性成分，從而增強了瀝青在高溫環境下抵抗變形的能力。

圖6 瀝青相位角隨溫度的變化曲線Fig. 6 Curve of asphalt phase angle versus temperature

2.3 多應力蠕變恢復試驗

為了更好地評價改性瀝青的高溫性能，基于DSR進行MSCR試驗，試驗通過記錄瀝青在力作用下的延遲彈性恢復變形和不可恢復變形來評價瀝青在高溫下的抵抗永久變形及變形恢復的能力[14]。多應力蠕變恢復試驗結果如圖7和圖8所示。

圖7 不可恢復蠕變柔量JnrFig. 7 Unrecoverable creep flexibility Jnr

圖8 蠕變恢復率RFig. 8 Creep recovery rate R

由圖7可知，在兩個應力條件下基質瀝青具有最高的Jnr值，而ZM改性瀝青均低于基質瀝青，ZM改性瀝青的Jnr在同一溫度情況下隨著摻量的提高不斷降低，圖中ZM改性瀝青的Jnr關于溫度折線的斜率和基質相比明顯減緩，在5%摻量時和SBS改性瀝青的斜率相當，這表明ZM改性劑的摻入可以降低瀝青的溫度敏感性，這是由于改性劑中聚合物的加入所形成的網狀結構，起到一定對瀝青的阻隔作用，降低了瀝青的溫度敏感性。瀝青材料在0.1kPa時的不可恢復蠕變值小于3.2kPa時的值，說明由輕型交通引起的不可恢復蠕變很小，同時說明了實際中控制車輛載重的必要性。在加入改性劑后，瀝青材料的不可恢復蠕變值迅速下降，在0.1kPa、58℃時，7%摻量的ZM改性瀝青的不可恢復蠕變量相比基質瀝青降低了90%。改性劑的加入提高了瀝青材料的彈性恢復能力和抵抗變形能力。

圖8中為瀝青的蠕變恢復率，蠕變恢復率越大表明瀝青的彈性恢復能力越好，抵抗變形的能力越強[15]。在每個試驗溫度條件下，基質瀝青的變形恢復率均小于10%，表明瀝青幾乎為黏稠的狀態，高溫彈性恢復能力差，加入改性劑后，輕質組分降低，R值顯著提高，在0.1kPa、58℃的情況下，3%摻量ZM改性瀝青的R值由基質瀝青4%提高為20%，5%摻量下的R值提高到60%，這表明瀝青彈性增強，高溫性能提高，這種改善效果隨改性劑摻量的增加而明顯提高。

2.4 瀝青彎曲梁蠕變勁度試驗

試驗結果取60s的勁度模量S和蠕變速率m進行評價，蠕變速率反映瀝青勁度隨時間的應力松弛能力和敏感性，其值越大表明瀝青的低溫抗開裂性能越強；勁度模量是指瀝青的抗開裂能力，其值越小說明瀝青的低溫性能越好[16]。BBR試驗結果如圖9所示。

圖9 BBR試驗結果Fig. 9 Bending beam rheometer test results

所有摻量下的瀝青在?18℃下的勁度模量S較-12℃大幅度增大，而蠕變速率m顯著降低，表明在低溫度下更容易發生低溫變形，增大了開裂風險；在摻入改性劑后，瀝青m值均符合規范，S值在-18℃時，7%的摻量時略大于300MPa。在同一溫度下，隨著摻量的增加，S值在緩緩變大，m值在緩緩降低，應力松弛能力減弱，ZM改性劑摻量變化對m值和S值產生的波動幅度較小，說明對瀝青產生的影響較小。

2.5 瀝青混合料路用性能

2.5.1 高溫穩定性

為降低路面車轍病害的發生概率，瀝青混合料應具有良好的抗車轍變形能力。車轍試驗結果如圖10所示。

圖10 車轍試驗結果Fig. 10 Rutting test results

由于改性劑首先通過與集料干拌軟化，繼續加入瀝青拌合，改性劑部分與瀝青相融，使瀝青性能得到改善，既提高了瀝青軟化點，又降低了對溫度的敏感性，所以與基質瀝青混合料相比的摻入改性劑的瀝青混合料的動穩定度提高數倍，在ZM 0.3%摻量下動穩定度相對基質瀝青提高133%，車轍深度相對于基質瀝青混合料下降39.1%。此外，從結果上看，0.3%摻量的ZM改性瀝青混合料已與SBS改性瀝青混合料具備相近的性能，而高摻量的情況下ZM改性瀝青混合料的高溫穩定性要優于SBS改性瀝青混合料。

2.5.2 水穩定性

本研究采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對混合料的水穩定性進行評價。瀝青混合料水穩定性試驗結果如圖11和圖12所示。

圖11 浸水馬歇爾試驗結果Fig. 11 Immersion Marshall test results

圖12 凍融劈裂試驗結果Fig. 12 Freeze-thaw splitting test results

試驗結果得出，基質瀝青混合料的凍融前后劈裂強度與劈裂強度比最小，ZM改性瀝青混合料凍融前后的劈裂強度相較于基質瀝青混合料均有不同程度的增加，凍融劈裂強度比（TSR）增加了13%左右，由原來的77.5%增加到了90%左右；摻入改性劑的改性瀝青混合料的殘留穩定度（MS_0）均提升至90%左右，改性瀝青混合料的水穩定度均有一定幅度的提升。凍融劈裂試驗與浸水馬歇爾試驗說明，ZM改性劑的加入可提高路面抵抗水損害的能力。

2.5.3 低溫抗裂性

瀝青混合料彎曲蠕變試驗結果如圖13所示。

圖13 瀝青混合料彎曲蠕變試驗結果Fig. 13 Bending creep test results of asphalt mixtures

通過試驗測得試件破壞時的最大彎拉應變和彎曲勁度模量。通常情況下，混合料的勁度模量越小，最大彎拉應變越大，應力累積越慢，材料的低溫性能越好。在直投改性劑ZM的摻入后，瀝青混合料的最大彎拉應變相比基質瀝青混合料有小幅度的增大，彎曲勁度模量也有一定幅度的降低。綜合來看，改性劑對瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的改善。

3 結論

（1）ZM改性劑的摻入提高了瀝青的軟化點，顯著降低了針入度，使瀝青在高溫下具有良好的抵抗永久變形能力。

（2）ZM改性劑的摻入降低了瀝青相位角，使瀝青彈性成分增加，提高了高溫抵抗變形的能力，在64℃的溫度下3%摻量ZM改性瀝青的G*相比基質瀝青提高了95%，G*/sinδ提高了96%。此外，改善瀝青的蠕變恢復性能，在0.1kPa、58℃時，5%摻量的ZM改性瀝青的不可恢復蠕變量相比基質瀝青降低了69.1%，蠕變恢復率由基質瀝青的4%提高至60%。

（3）采用直投式生產的ZM改性瀝青混合料高溫穩定度性顯著提高，在ZM 0.3%的摻量下，動穩定度相較于90#基質瀝青混合料提高133%，車轍深度也下降39.1%左右；由于改性劑增加了瀝青與集料之間的黏附作用，混合料的水穩定性也得到提高，與基質瀝青混合料相比，凍融劈裂強度增加了13%，馬歇爾殘留穩定度提升至90%左右。