高密度納米聚乙烯改性瀝青混合料車轍性能研究

呂玉蓉 袁盛杰 王 歡 宋 淵

(湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

實際工程中，由于重復的車輛荷載與胎壓的作用，致使瀝青路面的抗永久變形能力降低，從而導致路面結構壽命的降低，其中集料的類型、尺寸和膠結料類型等是重要原因。因此，選擇合適的瀝青混合料進行鋪筑對延長路面壽命至關重要。Superpave規(guī)范中采用瀝青剪切模量(G*/sinδ)參數來評估瀝青路面的車轍性能，即提高剪切模量可增強路面的車轍性能[1]。研究發(fā)現，聚合物改性劑能增強集料與瀝青的黏附力，可有效提高瀝青剪切模量，從而提高瀝青混合料的車轍性能[2]。然而，由于制備過程中聚合物改性瀝青容易發(fā)生氧化與分解反應，其相容性與穩(wěn)定性值得商榷。因此，目前研究試圖尋求一種新的聚合物來解決此問題，有研究發(fā)現[3]納米技術作為一種在分子結構上構建的新材料，其對材料的宏觀性能影響顯著。

近年來，采用納米材料改性的瀝青及其混合料的性能得到了廣泛的研究。由于納米材料具有較大的表面積、高分散能力、強吸附性、高穩(wěn)定性且顆粒較小，其能提高瀝青與材料之間的相容性[4]。常用的納米改性材料有納米二氧化硅、二氧化鈦、納米氧化鋅與納米三氧碳酸鈣等[5]。此外，目前大多數聚合物改性瀝青的生產主要集中在單質彈性體上，例如，SBS改性瀝青，這種聚合物價格昂貴，并且在生產過程中需要專用設備進行攪拌，工藝較為復雜，從而生產成本更高[6]。研究表明，納米高密度聚乙烯(NHDPE)顆粒的性價比高，原因在于其主要從廢塑料瓶與土工膜生產中加工得到，且也可從塑料管、耐腐蝕管道中回收[7]。

基于此，本研究采用納米高密度聚乙烯顆粒對基質瀝青進行改性，并采用基質瀝青與SBS改性瀝青作為對比，研究改性瀝青的流變性能與瀝青混合料的車轍性能、水穩(wěn)定性能等，評估NHPDE瀝青混合料在高溫下的永久變形能力。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料與配合比

選用70號基質瀝青用于制備改性瀝青，其性能指標見表1。

表1 70號基質瀝青性能指標

選用熱塑性高密度聚乙烯(HDPE)作為改性劑，主要原因在于與其他聚合物相比，其適用性強及性價比高，可較好地改善瀝青的流變特性。HDPE的密度大于0.94 g/cm3，粒徑小于100 nm，因此也被稱為納米高密度聚乙烯(NHDPE)。選用另一種聚合物改性瀝青用于比較，即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)。試件成型采用AC-13型細粒式瀝青混合料，集料選用石灰?guī)r。其中，改性劑與填料的性能指標見表2，級配曲線圖見圖1，

表2 NHDPE、SBS改性劑與石灰石填料性能指標

圖1 瀝青混合料集料級配設計曲線

1.2 試驗設計

1.2.1制備NHDPE和SBS改性瀝青

采用高速剪切儀制備NHDPE改性瀝青，首先稱取3 000 g的基質瀝青裝于試驗杯中，然后稱取3%和5%摻量的NHDPE聚合物，在15 min內緩慢加入至試驗杯中，以保證聚合物在基質瀝青中的相容性、均質性與穩(wěn)定性，剪切速率為2 220 r/min，溫度控制在(150±10) ℃，剪切時長為2 h。

同樣地，在基質瀝青中摻入質量分數為3%和5%的SBS改性劑進行剪切，以獲得SBS改性瀝青，剪切速率為2 220 r/min，溫度控制在180 ℃左右，剪切時長為4 h，以確保SBS改性劑在基質瀝青中完全分散與反應。

1.2.2確定拌和及壓實溫度

根據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0625-2011試驗方法，測定2種溫度下基質瀝青、NHDPE和SBS改性瀝青的旋轉黏度，以確定混合料試驗的拌和與壓實溫度，試驗結果見圖2。由圖2可知，與基質瀝青相比，NHDPE改性瀝青的拌和及壓實溫度略有提高，而SBS改性瀝青的拌和及壓實溫度最高?？梢钥吹?，摻量質量分數為3%和5%的NHDPE改性劑拌和溫度約為(163～168) ℃，SBS改性瀝青相比NHDPE改性瀝青的拌和溫度高出(15～25) ℃。

圖2 不同瀝青膠結料的拌合與壓實溫度試驗結果

由圖2還可以看出，SBS改性瀝青混合料的壓實溫度高于170 ℃，而NHDPE改性瀝青混合料的壓實溫度為150 ℃左右，與基質瀝青壓實溫度差異不大。已有研究表明[8]，提高瀝青混合料的拌和和壓實溫度，可能會由于更快的氧化作用而使瀝青膠結料老化，且溫度的升高導致更多的能量消耗并帶來更多的廢氣排放。由此可見，NHDPE改性瀝青拌和與壓實溫度相比于SBS改性瀝青較低，這為一明顯優(yōu)勢。

1.2.3確定最佳瀝青用量

根據試驗級配，初擬4個瀝青用量，分別為4.3%，4.8%，5.3%，5.8%，采用馬歇爾擊實法，正反面各擊實75次，最終成型的試件尺寸為直徑×高度=101.6 mm×63.5 mm。測試不同瀝青用量下瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、飽和度、穩(wěn)定度及流值，其中穩(wěn)定度試驗開始前，試件須放入規(guī)定溫度的恒溫水槽中保溫30～40 min，同時上下壓頭也必須保溫到規(guī)定的溫度，試驗時，加載速率為50 mm/min。最終綜合體積參數測試結果和穩(wěn)定度及流值得到混合料成型的最佳瀝青用量為4.9%。

1.2.4車轍板的制備及測試

根據規(guī)范要求，采用RCENLD-II氣動型振動壓實機成型尺寸為400 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件，目標空隙率為8%。采用輪轍試驗機評定瀝青混合料的車轍性能，試驗溫度為40 ℃，胎壓為0.7 MPa。試驗過程中，試驗輪在試件表面中心的行駛距離為(23±1) cm，并保持(26.5±1)荷載循環(huán)/min的恒定頻率進行加載。加載方式為應力控制，加載過程中當達到10 000次加載循環(huán)或直至試件車轍深度達到25 mm時(以先達到者為準)，記錄試件表面的變形量，試驗結果取2次試驗的平均值。具體試驗過程見圖3。

圖3 車轍板制作與制備

2 結果與分析

2.1 流變車轍因子G*/sin δ

車轍因子G*/sinδ用于評估基質和改性瀝青混合料抵抗永久變形能力的一個參數。本文采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測試了一定溫度范圍內的車轍因子，測試結果見表3，分別為經旋轉薄膜(RTFO)老化前后的基質瀝青和改性瀝青的G*/sinδ值。

表3 老化前后基質與改性瀝青膠結料在不同溫度下的G*/sin δ值

老化前后基質與改性瀝青膠結料在不同溫度下的G*/sinδ值對比圖分別見圖4和圖5。

圖4 老化前基質與改性瀝青膠結料在不同

圖5 老化后基質與改性瀝青膠結料在不同

由圖4和圖5可知，G*/sinδ值隨溫度變化較大，并隨聚合物(SBS和NHDPE)摻量的增加而增加，不同溫度下，SBS相比于NHDPE的G*/sinδ值更高，表明其更能有效地改善高溫性能。例如，在64 ℃試驗溫度下，相比于基質瀝青的G*/sinδ值，未老化前，3%和5%摻量的SBS改性瀝青G*/sinδ值分別提高了2.7倍與4.6倍，而NHDPE改性瀝青G*/sinδ值則僅提高了1.9倍與2.4倍；老化后，3%和5%摻量的SBS改性瀝青G*/sinδ值分別提高了的3.2倍與5.6倍，而NHDPE改性瀝青G*/sinδ值則僅提高了1.9倍與2.6倍。

2.2 低溫蠕變勁度參數與M值

采用彎曲梁流變儀(BBR)設備測試低溫條件下改性瀝青的蠕變勁度和應力松弛性能。瀝青膠結料的低溫蠕變勁度參數測試結果見圖6。

圖6 不同瀝青膠結料的低溫蠕變勁度參數測試結果

由圖6可知，2種改性劑均提高了基質瀝青的蠕變勁度，但NHDPE改性瀝青的蠕變勁度優(yōu)于SBS改性瀝青。例如，摻量為5%的SBS改性瀝青蠕變勁度比基質瀝青提高了18%，而摻量為5%的NHDPE改性瀝青的蠕變勁度則比基質瀝青提高了32%。

不同瀝青M值試驗結果圖見圖7。

圖7 不同瀝青膠結料的M值測試結果

由圖7可見，與基質瀝青相比，2種改性瀝青的M值均有所減小，且3%和5%摻量的SBS改性瀝青M值減小程度均低于NHDPE改性瀝青。改性劑的摻入雖然降低了M值，但其大小并未低于規(guī)范要求的極限值0.3(溫度為-6 ℃時)。因此，改性劑對膠結料的低溫性能有負面影響，但對于非極端寒冷的氣候，這種影響可忽略不計。

2.3 車轍深度

不同類型瀝青混合料的車轍深度測試結果圖見圖8。由圖8可知，基質瀝青混合料的車轍深度為17 mm，改性瀝青混合料的車轍深度相對更低。摻量為3%和5%的SBS改性瀝青混合料車轍深度相對于基質瀝青混合料分別降低了29%和53%，而摻量為3%和5%的NHDPE改性瀝青混合料車轍深度的降低分別為41%和71%。該現象與G*/sinδ測試結果變化趨勢相反。因此，可以認為，當使用不同的聚合物進行改性時，顯然不能通過簡單的測量線性黏彈性指標(例如，G*/sinδ)來預測聚合物對瀝青混合料車轍性能的真實影響。

圖8 不同瀝青混合料車轍深度測試結果

此外，與NHDPE和基質瀝青混合料相比，由于瀝青的黏度較高，SBS改性瀝青混合料拌和與壓實時需消耗更多能量。因此，從上述試驗結果可以得到，與SBS改性瀝青混合料相比，NHDPE改性瀝青混合料具有更低的車轍深度和黏度，表明使用NHDPE可以顯著改善瀝青混合料車轍性能，且能降低原材料成本，具有顯著的經濟效應。

2.4 劈裂抗拉強度(ITS)

為了評估瀝青混合料的抗裂性能和水穩(wěn)定性，根據規(guī)范測試了干燥和凍融條件下試件的劈裂抗拉強度，并計算凍融劈裂強度比(TSR)。為了準確測試干燥條件下試件的強度，通過在混合料中摻入2種填料(石灰和水泥)，以降低空氣中水分對干燥抗拉強度測試結果帶來的影響。

使用石灰填料的瀝青混合料的劈裂抗拉強度見圖9，瀝青混合料的TSR圖見圖10。由圖9a)可知，在干燥條件下，相比于基質瀝青混合料的劈裂抗拉強度，摻量為3%的SBS改性瀝青混合料及NHDPE改性瀝青混合料劈裂抗拉強度分別提高了16%，35%。表明NHDPE改性瀝青混合料相比SBS改性瀝青混合料具有更好的抗裂性能。圖10結果表明，相對于基質瀝青的TSR，SBS與NHDPE改性瀝青混合料的TSR分別增加了5%和9%，表明聚合物改性劑混合料的水穩(wěn)定性能得到提升。

圖9 不同瀝青混合料在干燥與凍融條件下的劈裂抗拉強度

圖10 不同瀝青混合料TSR值

使用水泥填料的瀝青混合料的劈裂抗拉強度結果圖見圖9b)，由圖9b)、圖10中數值可知，2種改性瀝青混合料劈裂抗拉強度和TSR更高，其大小關系與使用石灰填料時的試驗結果一致。且與基質瀝青相比，NHDPE改性瀝青的抗拉強度提高了30%以上，TSR值的提高約為10%，進一步表明NHDPE改性瀝青相比SBS改性瀝青對提高混合料的抗裂性能及水穩(wěn)定性更顯著。

3 結論

本研究制備了摻量為3%和5%的2種聚合物(SBS和納米高密度聚乙烯(NHDPE))改性瀝青，通過測試瀝青的流變性能與低溫性能，以及瀝青混合料的車轍性能、抗裂性能與水穩(wěn)定性，對比了2種改性瀝青與基質瀝青及其混合料之間的性能測試結果，得到以下結論。

1) SBS改性瀝青黏度高于NHDPE改性瀝青與基質瀝青，尤其摻量為5%時更為明顯。SBS改性瀝青具有更高的拌和與壓實溫度，導致耗能更大，經濟效益更差。

2) 流變性能測試結果表明同摻量的SBS改性瀝青G*/sinδ值高于NHDPE改性瀝青，前者對改善高溫性能更好。SBS與NHDPE對改善瀝青低溫性能均有負面影響，但其影響程度可忽略不計。

3) 車轍深度結果表明摻量為3%與5%的NHDPE改性瀝青混合料相比于同摻量的SBS改性瀝青混合料的抗車轍性能更好。因此，僅簡單的測量線性黏彈性指標(G*/sinδ)不能充分評估對比不同改性瀝青混合料的抗車轍性能，實際工程中需要引起重視。

4) NHDPE改性瀝青混合料相比于SBS改性瀝青混合料的抗裂性能與水穩(wěn)定性更好。其中，凍融循環(huán)前后NHDPE的劈裂抗拉強度相比基質瀝青混合料更大，TSR值變化幅度約在10%內。

5) 對于高溫、重載車輛多的地區(qū)新建瀝青路面鋪設及現有瀝青路面的維修養(yǎng)護，可采用NHDPE改性瀝青，其環(huán)保與經濟效益顯著。