APAO/EVA復合改性瀝青的常規(guī)和流變性能研究

中圖分類號：U416.03 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.008

文章編號：1673-4874（2025）04-0027-05

0 引言

在交通繁忙、超載、極端環(huán)境的條件下，瀝青路面經(jīng)常會出現(xiàn)開裂、車轍等病害，因此應用改性瀝青提升瀝青路面性能，延長其使用壽命是我國路面工程師的一項重大任務1。聚合物改性瀝青是解決瀝青路面低溫性能和高溫性能不足的主要措施之一。聚合物基本上分為兩類，一類是彈性體，另一類是熱塑性彈性體[2]。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）是一種在道路建設中已經(jīng)使用了20年的聚合物，也是較為常見的瀝青改性劑。許多研究人員對EVA改性瀝青的性能進行了研究，其與瀝青相容性好，特別是在高溫和低溫下的流變性能較優(yōu)3。此外，EVA有較強的經(jīng)濟性，其可從廢塑料中回收，制造成本較低。但是，EVA改性瀝青的缺點也很明顯，主要問題是在高溫下容易與瀝青分離。AmeriM等4比較了 3% 摻量的EVA改性瀝青瀝青和 1% 摻量的EVA改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)瀝青中EVA摻量越大，瀝青在長久儲存后的分離程度越大。此外，EVA改性瀝青的彈性恢復率較低，容易引起路面車轍5。為了克服這些缺點，一些研究人員在EVA改性瀝青中加入了SBS、PE等其他添加劑，以改善EVA改性瀝青彈性恢復率不足的問題[6-7]。新型復合改性瀝青已成為改性瀝青的新趨勢，在本研究中，選用APAO與EVA復合制備改性瀝青。APAO是一種低分子量無定形塑性體材料，微觀結構不規(guī)則，這種材料具有結晶聚合物所不具備的許多特性，如易加工、可回收利用，可以節(jié)約資源，對環(huán)境保護有好處8。APAO作為一種熱塑性橡膠改性劑，不僅可以提高瀝青在高溫下的抗變形能力，還可以降低瀝青的溫度敏感性，提高瀝青混合料在低溫下的抗裂能力[9。因此，本研究使用APAO和EVA添加到 70^? 瀝青中來評估復合改性瀝青改性效果，通過流變性能試驗，研究APAO與EVA在不同溫度下的流變性能。在這些研究的基礎上，希望能找到APAO/EVA的最佳配合比，這對APAO/EVA復合改性瀝青的研究是有益的。

1試驗材料和方法

1.1試驗材料

本文選擇 70^?A 級瀝青作為基質瀝青，采用APAO和EVA兩種聚合物對 70^? 瀝青進行改性。 70^?A 級瀝青的基本性能如表1所示。EVA和APAO分別采購自東莞市樟木頭恒泰塑膠原料經(jīng)營部和上海長祁國際貿易有限公司，兩種聚合物改性劑的基本性能如表2和表3所示。

表1 70^? 瀝青基本性能指標表

表2EVA基本性能指標表

表3APPO基本性能指標表

1.2復合改性瀝青的制備工藝

本研究采用高速剪切法制備復合改性瀝青結合料。

將 70^? 瀝青在 170±5^°C 溫度下預處理成流動狀；在 170± 5^°C 溫度下，以3000rpm的轉速高速剪切 30min ，將APAO（0，1.5%， .3% 和 4.5% 瀝青質量）和EVA （0，1.5% 、3% 和 4.5% 瀝青質量）同時添加到 70^? 瀝青中；將混合物以低速（500rpm，機械攪拌）攪拌 .5min ，以去除混合物中的氣泡。

1.3 試驗方法

在制備聚合物復合改性瀝青后，進行了各種流變學和常規(guī)試驗。試驗流程如圖1所示。

圖1試驗流程圖

1.3.1常規(guī)試驗

開展三大指標（針入度、軟化點、延度）試驗和彈性恢復試驗。其中，針入度試驗溫度為25 C ，軟化點采用水浴的方式，延度試驗溫度為5℃，彈性恢復試驗溫度為25℃，相關的試驗過程參考規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20一2011）。

1.3.2流變試驗

使用動態(tài)剪切流變儀（DSR）對聚合物復合改性瀝青的流變性能進行評估，旋轉 25mm 平板，瀝青試樣間隙為1mm 。流變試驗分為溫度掃描和頻率掃描，溫度掃描的試驗溫度范圍為 30‰ ，采用應變控制，應變大小為 10% ，頻率為 $1 . 5 H z 。$ 頻率掃描的頻率范圍為 0.1～ 100rad/s，試驗溫度為60 C 。流變試驗所測試的參數(shù)為復數(shù)模量 G^* 和相位角 δ 。瀝青結合料為黏彈性材料，對于純黏性材料，相位角為 90^° ；對于純彈性材料，相位角為0^° 。因此，相位角 δ 可表征瀝青結合料彈性成分與黏性成分的構成，而復數(shù)模量 G^* 表征瀝青的綜合強度。

2試驗結果與分析

2.1常規(guī)試驗結果及分析

2.1.1針入度

復合改性瀝青的針入度試驗結果如圖2所示。由圖2可知，當一種改性劑含量不變時，復合改性瀝青的針入度隨另一種改性劑的摻量增加而降低。在EVA摻量為0、APAO摻量從0增長至 4.5% 時，APAO改性瀝青的針入度從 69.2（0.1mm） 降低至49.3（0.1mm），4. 5% APPO改性瀝青相比 70^? 瀝青針入度降低率為 29% 。而 APAO摻量為O、EVA摻量從O增長至 4.5% 時，EVA改性瀝青的針入度從 69.2（0.1mm） 降低至53.1（0.1mm），4. 5% 摻量EVA改性瀝青相比 70^? 瀝青針入度降低率為 23% 。APAO摻量增加對復合改性瀝青針入度降低率大于EVA摻量增加所引起的降低率。因此，APAO對瀝青針入度的影響相較EVA較大。此外，復合改性瀝青的最小針入度值為 31.7（0.1mm） ，與 70^? 瀝青（基質瀝青）相比降低了 54% 。APAO和EVA摻入基質瀝青后導致復合改性瀝青針入度降低，表明APAO和EVA能夠降低瀝青在常溫下的稠度?？傮w而言，APAO和EVA均能降低基質瀝青的針入度，二者復合摻加后，復合改性瀝青的針入度有較大程度的降低。

圖2復合改性瀝青25℃針入度試驗結果柱狀圖

2.1.2軟化點

復合改性瀝青的軟化點試驗結果如圖3所示。由圖3可知，軟化點結果隨著改性劑含量的變化而變化。當APAO用量為0、EVA摻量分別為 1.5%.3%.4.5% 時，相比70^? 瀝青的增加率分別為 7% ， 19%28% 。但EVA摻量為0、APPO摻量分別為 1.5%.3%.4.5% 時，相比 70^? 瀝青的增加率分別為 8%25%.38% 。從軟化點試驗結果來看，APAO對基質瀝青的軟化點提高程度高于EVA。當EVA和APAO的摻量均達到 4.5% 時，軟化點值達到最大 ）。結果表明，APAO和EVA摻入瀝青后提高了基質瀝青軟化點的值，復合改性瀝青具有較好的高溫性能。此外，隨著EVA含量的增加，軟化點的變化速度減慢，因此隨著EVA摻量不斷增加，對復合改性瀝青的高溫性能貢獻率逐漸降低。

圖3復合改性瀝青軟化點試驗結果柱狀圖

2. 1.3 延度

復合改性瀝青的延度試驗結果如圖4所示。由圖4可知，APAO和EVA摻量均達到 4.5% 時，復合改性瀝青的延度為13. 7cm ，相比 70^? 瀝青提升了 136% 。但 4.5% 摻量的APAO與 4.5% 摻量的EVA復合改性瀝青延度并非是最高的。APAO摻量為O、EVA摻量為 1.5% 時的復合改性瀝青延度值達到 （14.6cm） ，表明EVA改性劑確實改善了瀝青的低溫性能，但低溫性能并沒有隨著EVA摻量的增加而提高。當EVA為O時，每增加 1.5% 的APAO，APAO改性瀝青的延度值相比 70^? 瀝青分別增加 116% 、 174% 和558% ，其中 4.5% 的APAO具有最大的延度。然而，在EVA和APAO復合改性的情況下，當EVA用量保持不變時，其延度并不總是隨著APAO含量的增加而增加，當APAO用量為3% 或 4.5% 時，延度會略有下降。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，APAO對瀝青低溫性能的影響大于EVA。

2.1.4彈性恢復

復合改性瀝青的彈性恢復試驗結果如圖5所示。由圖5可知，在單一改性劑的作用下， 70^? 瀝青的彈性恢復值最小 （21% ，彈性恢復值隨著改性劑摻量的增加而增加。當EVA摻量保持在 1.5% ，APAO從0增加到 4.5% 時，彈性恢復率從 74% 增至 97% ，彈性恢復率能夠達到SBS改性瀝青的水平（SBS改性瀝青彈性恢復率一般為80%～90% ）。值得注意的是，只有單摻 4.5% APAO改性瀝青的彈性恢復值達到 97% ，而EVA摻入瀝青后的復合改性瀝青彈性恢復值反而有所下降。EVA的加入減少了APAO的發(fā)揮空間，所以彈性恢復值有所下降。良好的彈性恢復性能可減少瀝青的殘余變形，提高瀝青的抗疲勞性能。因此，研究結果表明，APAO和EVA的加入均能提高瀝青的抗疲勞性能，且APAO的作用更為明顯。在本試驗中，APAO的含量建議 ?4.5% ，因為 4.5% 摻量的APAO改性瀝青彈性恢復值已經(jīng)較高，無法隨著摻量增加而進一步增加，且EVA的摻量建議 ?1.5% ，以增加APAO在彈性恢復性能中的作用。

2.2流變性能試驗結果及分析

2.2.1溫度掃描

圖6至圖9顯示了復數(shù)模量、相位角和溫度之間的關系曲線。在本試驗中，選擇了兩種不同類型的改性瀝青：（1）EVA固定為 1.5% 摻量，APAO摻量為 0.1.5% ，3% 4. 5% ；（2）APAO摻量固定為 1.5% ，EVA摻量為0、1.5%.3%.4.5% 。從圖6和圖8可以看出，隨著溫度的升高，復數(shù)模量 G^* 減小，這表明瀝青結合料的流動性增加，從彈性體向黏彈性體轉變。在圖6中，所有改性瀝青的 G^* 都大于 70^? 瀝青，這表明其在高溫下具有更大的抗剪切變形能力。此外， G^* 隨著APAO的摻量增加而下降。因此，APAO的摻入增加了復合改性瀝青的高溫性能，并能與EVA在復合改性瀝青中很好地共存。在圖8中，不同摻量EVA復合改性瀝青的 G^* -溫度曲線并非隨著EVA摻量變化而不斷上升，而是在56 C 處有交叉，這是與圖6最大的不同之處。與添加 2%APAO 的改性瀝青相比，隨著EVA用量的增加， G^* 在 30° 至56℃之間減小。56℃后， G^* 隨著EVA用量增加而增加。因此，EVA能夠顯著增強瀝青在 56^°C 以上的高溫性能。

圖5復合改性瀝青彈性恢復柱狀圖

圖4復合改性瀝青延度試驗結果柱狀圖

圖6 1.5% EVA摻量下不同APAO摻量的復數(shù)模量一溫度曲線圖

圖71 1.5% EVA摻量下不同APAO摻量的相位角一溫度曲線圖

由圖9可知，隨著APAO和EVA的增加，其相位角減小，這表明APAO和EVA的加入均能提高瀝青的彈性。根據(jù)Yang等[1的研究，在流變分析中，瀝青的表觀彈性或黏度是由瀝青的75相位角決定的。當瀝青的相位角 gt; 75時，瀝青主要表現(xiàn)出黏性。在圖7和圖9中， 30^°C 后，70^? 瀝青的相位角 gt;75^° ，這意味著其逐漸失去彈性。改性瀝青在45℃后逐漸失去彈性，并且隨著改性劑含量的增加，失去彈性的溫度逐漸升高?；谝陨蠑?shù)據(jù)和結論，同時使用APAO和EVA可以使瀝青更有彈性。

綜上所述，APAO和EVA都能改善復合改性瀝青的高溫性能，且EVA主要改善復合改性瀝青56℃～90℃的高溫性能。

圖8 1.5% APAO摻量下不同EVA摻量的復數(shù)模量一溫度曲線圖

圖9 1.5% APAO摻量下不同EVA摻量的相位角一溫度曲線圖

2.2.2 頻率掃描

掃頻測試結果如圖10至圖13所示。由圖10至圖13可知：

隨著角頻率的增加， G^* 增加，而 δ 減少，這意味著隨著車速的增加，瀝青表現(xiàn)出更大的模量和彈性。當EVA的摻量保持在 1.5% ，APAO的摻量從 1.5% 增加到3% 時， G^* 明顯增加，δ減少。此外，含有 4.5% APAO 和1.5% EVA的復合改性瀝青在 1～100rad/s 的 δlt;75^° ，主要表現(xiàn)出彈性。因此，APAO的加入對提高瀝青的強度和彈性有顯著作用。此外，當只改變EVA摻量，APAO含量固定為 1.5% 時， G^* 的改善并不明顯， δ 則隨著EVA的增加而減少。因此，改性劑APAO和EVA均可以改變?yōu)r青的黏彈性質，隨著APPO和EVA摻量增加，復合改性瀝青逐漸由彈性向黏性轉變，但APAO在提高瀝青抗剪性能方面更為突出。因此，進一步得出結論，瀝青中EVA的含量不需要過多，這在延度和彈性恢復試驗中也得到了驗證。

圖10 1.5% EVA摻量下不同APAO摻量的復數(shù)模量一角頻率曲線圖

3結語

本文通過在室內制備不同摻量APAO/EVA復合改性瀝青，開展常規(guī)性能試驗（針入度、延度、軟化點、彈性恢復）和流變性能試驗（溫度掃描、頻率掃描），得出結論如下：

圖11 1.5% EVA摻量下不同APAO摻量的相位角一角頻率曲線圖

圖12 1.5% APAO摻量下不同EVA摻量的復數(shù)模量一角頻率曲線圖

圖131 5% APAO摻量下不同EVA摻量的相位角一角頻率曲線圖

（1）三大指標試驗結果表明APAO和EVA摻入 70^? 瀝青后，降低了 70^? 瀝青的針入度，提高了軟化點和延度，APAO和EVA均能改善 70^? 瀝青的高溫性能，但APAO相比EVA對 70^? 瀝青針入度和軟化點的影響程度更大。APAO和EVA均能改善 70^? 瀝青的低溫性能，但隨著EVA摻量增加，復合改性瀝青的低溫性能并沒有進一步提高。

（2）彈性恢復試驗結果表明，復合改性瀝青 （4.5% APAO+1.5%E A）表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性恢復能力，但隨著EVA摻量進一步增加，復合改性瀝青的彈性恢復能力反而有所下降。綜合三大指標與彈性恢復試驗，EVA摻量宜 ?1.5% 。

（3）在溫度掃描試驗中，APAO和EVA對瀝青在高溫下的抗車轍性能有一定的提高作用，但在中溫（ 30^°C～ 56℃）下，隨著EVA摻量增加，復合改性瀝青 G^* 有一定程度的削弱。頻率掃描試驗中，隨著APAO和EVA用量的增加，復合改性瀝青在不同交通速度下的抗車轍性能有所提高。

綜上所述，APPO和EVA均能改善 70^?"瀝青的高溫性能、低溫性能和彈性恢復性能，但在常規(guī)性能方面APPO相比EVA對 70^?"瀝青有更多積極影響，而在流變性能試驗中EVA相比APPO在高溫性能方面有更多積極影響，但EVA在中溫條件 （30°）～56° ）下降低了瀝青的 G^*"。結合試驗結果， 4.5%APPO+1.5%=1A 的復合改性瀝青組合是較優(yōu)組合。

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