改性聚合物及其改性瀝青及瀝青混合料性能研究

馬德崇

（山西省交通科學(xué)研究院 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的快速發(fā)展，由于傳統(tǒng)瀝青混合料高溫抗車轍和低溫抗裂性差所導(dǎo)致的瀝青路面早期損壞現(xiàn)象，已嚴(yán)重影響到我國道路建設(shè)的健康發(fā)展[1-3]，尤其在早晚溫差大、氣候變化范圍較大的地區(qū)，溫縮開裂十分普遍和嚴(yán)峻。為提高瀝青路面綜合性能，在基質(zhì)瀝青中添加外加劑對瀝青改性已成為改善其服役水平的重要手段[4-6]。然而，通過添加外加劑片面追求較高的高溫、低溫或水穩(wěn)性能都將導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)面影響。片面追求過高的高溫性能（動穩(wěn)定度），一方面會導(dǎo)致瀝青混合料過硬，另一面將損失混合料的低溫性能[7]，在夏季高溫下更容易造成車轍，冬季易出現(xiàn)裂縫。

近年來，人們通過聚合物、纖維、橡膠粉、硫磺等多種添加劑材料來提高瀝青混合料的抗車轍性能[8-13]。聚合物材料對瀝青混合料的抗車轍性能有較好的影響。它們已用于改性瀝青膠漿，作為瀝青改性劑改善瀝青混合料的性能，以提高瀝青路面的性能，延長瀝青路面的使用壽命[14-17]。近來，各種研究表明，聚合物的加入可降低路面的損害率，并提高其性能[18-21]。為兼顧混合料的高、低溫性能，并通過對試驗參數(shù)的控制，實現(xiàn)了改性聚合物的性能可控，在提高瀝青混合料高溫性能的同時，兼顧混合料的低溫抗裂性能，提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力和低溫抗裂能力，改善了混合料的綜合性能。

1 試驗部分

1.1 原材料

a）基質(zhì)瀝青 瀝青由中國石油天然氣總公司提供，軟化點45.5 ℃，25 ℃針入度為88（0.1 mm）。

b）改性聚合物 自制（灰黑色顆粒；軟化點120～160 ℃；粒徑2～4 cm）。

c）集料 采用石灰?guī)r。

1.2 改性瀝青制備

稱取一定量的基質(zhì)瀝青放入小容器中，然后加熱至流動狀態(tài)，在4 000 rpm 下，按瀝青質(zhì)量份（0 wt%、1.5 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%）的改性聚合物與瀝青剪切混合均勻，保持170 ℃左右剪切30 min 左右，形成均一的連續(xù)相，備用。

1.3 試驗過程與參數(shù)

流變儀的控制模式為應(yīng)變式，數(shù)值為0.06%，溫度控制范圍為40 ℃～70 ℃，升溫速率為3 ℃/min，荷載頻率為10 rad/s。瀝青混合料配合比采用馬歇爾試驗設(shè)計方法，混合料類型采用AC-20 型瀝青混合料，根據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果，確定了AC-20 的最佳油石比為4.5%。按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》分別進(jìn)行瀝青黏度試驗、車轍試驗和彎曲試驗等，評價改性瀝青及瀝青混合料的性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）

圖1 為再生聚乙烯和改性聚乙烯的傅里葉變換紅外光譜圖，從圖中可知，相對于聚乙烯，改性聚乙烯在1 868 cm-1、1 790 cm-1、和1 715 cm-1有新的特征吸收峰出現(xiàn)。其中，1 868 cm-1和1 790 cm-1分別屬于羰基對稱和不對稱伸縮產(chǎn)生的峰，而1 715 cm-1的峰屬于改性劑MAH 中羧基所產(chǎn)生的峰[22]。由于測試前已經(jīng)除去來MAH 改性單體，新的特征峰表明改性單體MAH 確實已經(jīng)接枝到聚乙烯上。

圖1 再生聚乙烯和改性聚乙烯的紅外光譜圖

2.2 改性聚合物改性瀝青性能

采用內(nèi)摻法添加到重交通90 號道路石油瀝青中，相互混合制備改性聚合物- 瀝青膠結(jié)料。研究改性聚合物摻量對瀝青三大指標(biāo)的影響規(guī)律，試驗結(jié)果如表1。

表1 不同摻量改性聚合物的瀝青膠結(jié)料三大指標(biāo)試驗結(jié)果

從表1可以看出，改性聚合物的摻加明顯地提高了90 號道路石油瀝青的軟化點，并隨摻量的增加而增大；改性聚合物的加入對基質(zhì)瀝青的15 ℃延度有削弱作用，使延度隨摻量的增加而減?。涣硗?，基質(zhì)瀝青摻加改性聚合物后，25 ℃時的針入度也隨著摻量的增加而減小。通過上述摻加改性聚合物瀝青膠結(jié)料的三大指標(biāo)試驗結(jié)果的變化規(guī)律，可以看出，隨著改性聚合物的加入，基質(zhì)瀝青有變硬的趨勢，表明改性聚合物能改善瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性。

2.3 改性聚合物對瀝青黏度的影響

圖2為不同溫度下基質(zhì)瀝青與瀝青改性后的黏度變化曲線，改性聚合物改性瀝青的黏度隨著溫度的升高而減少，改性聚合物改性瀝青的黏度顯著高于基質(zhì)瀝青，并且隨著改性聚合物摻量的增加而增大。在整個測試范圍內(nèi)，改性聚合物摻量為7%的黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他摻量的黏度。表明改性聚合物的增黏作用可以顯著提高瀝青的黏度，較高摻量下的改性聚合物將導(dǎo)致較高的黏度。

圖2 不同溫度下基質(zhì)瀝青與瀝青改性后的黏度變化曲線

2.4 拌和溫度的影響

圖3為不同摻量的改性聚合物瀝青膠結(jié)料下的表觀黏度變化曲線。圖3 的試驗結(jié)果表明，改性聚合物的加入對瀝青膠結(jié)料的表觀黏度產(chǎn)生了顯著影響，從圖3的變化曲線可以看出，瀝青膠結(jié)料的表觀黏度隨著改性聚合物摻量的增加而增大，即加入改性聚合物后瀝青膠結(jié)料的黏度變大，所以其相應(yīng)拌和溫度和施工溫度需適當(dāng)?shù)厣摺?/p>

圖3 不同摻量的改性聚合物瀝青膠結(jié)料下的表觀黏度

在恒定的混合時間下，研究了不同拌和溫度對瀝青混合料動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變性能的影響。主要研究了改性聚合物摻量為4‰（占混合料總質(zhì)量）時對混合料性能的影響。不同拌和溫度下的動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變結(jié)果如圖4所示。

由圖4a可知，隨著拌和溫度的增加，動穩(wěn)定度增加，后增加緩慢。由圖4b 可以看出，隨著拌和溫度的增加，破壞應(yīng)變呈現(xiàn)直線形式的增加。表明增加溫度更有利于改性聚合物與混合料的均勻拌和，從而提高瀝青膠結(jié)料的硬度和黏度。因此，拌和溫度控制對于改性聚合物改性瀝青混合料生產(chǎn)過程中是非常重要的。考慮到高溫拌和過程中瀝青的老化，以及低溫拌和過程中改性聚合物在混合料中的均勻分散性，結(jié)合拌和機(jī)械的性能和施工經(jīng)驗，確定試驗采用的拌和溫度為180 ℃。

圖4 不同混合溫度下的動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變結(jié)果

2.5 拌和時間的影響

通過保持如前所述的最佳拌和溫度，嘗試了150 s、180 s、210 s 和240 s 的不同濕拌和時間（在添加最佳瀝青含量拌和在一起之后）。圖5顯示了動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變特性隨濕拌和時間變化的試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明，隨著濕拌和時間的增加，DS 增大（圖4a），破壞應(yīng)變增大（圖4b）。同樣，考慮到節(jié)能和瀝青老化，最佳濕拌時間為180 s。

2.6 不同混合料類型的影響

為了進(jìn)一步研究改性聚合物對不同類型瀝青混合料性能影響。選擇了4 種不同級配類型的混合料AC-13，AC-16、AC-20 和AC-25 進(jìn)行性能測試，考察了在不同混合料下分別摻與不摻轍裂劑后性能指標(biāo)的變化規(guī)律，如圖6所示。結(jié)果表明，改性聚合物的加入顯著地提高了瀝青混合料的動穩(wěn)定度，提高幅度隨著改性聚合物摻量的增加而增大，改性聚合物能夠顯著地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性性能。同時相比普通瀝青混合料的彎拉破壞應(yīng)變，摻加改性聚合物后的性能有所提高，隨著改性聚合物摻量的增加而增大，表明摻加改性聚合物瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變相比普通瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變有所提高。

而且隨骨料粒徑的增加，動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變隨之增加。表明，改性聚合物在不同的類型瀝青混合料下都具有良好的高溫抗車轍性能和低溫抗裂性能。

圖5 不同拌和時間下動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變

圖6 不同混合料類型下的動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，摻加改性聚合物的瀝青混合料能明顯改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和低溫開裂性。此外，在不同類型的瀝青混合料中加入改性聚合物可以提供良好的高、低溫性能。主要結(jié)果如下：

a）隨著溫度的升高，改性聚合物改性瀝青的黏度降低，黏度隨改性聚合物用量的增加而增加。其黏度隨著改性聚合物摻量的增加而增大。

b）溫度控制是改性聚合物改性瀝青混合料生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，其動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變隨混合料溫度的升高而升高。

c）不同濕拌時間試驗結(jié)果表明，隨著濕拌時間的增加，動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變增大，考慮到節(jié)能和瀝青老化，最佳濕拌時間為180 s。

d）骨料粒徑的增加，動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變隨之增加。且改性聚合物在不同的類型瀝青混合料下都具有良好的高溫抗車轍性能和低溫抗裂性能。