AMPS 聚合物改性瀝青混合料性能研究*

魏婷婷，李文凱，邵景干，陳紅奎

（1 河南中州路橋建設有限公司，河南周口 466000；2 河南交院工程技術集團有限公司 綠色高性能材料應用技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，河南鄭州 450046）

經(jīng)濟的快速發(fā)展，對基礎設施的規(guī)模及服務質量提出了更高的要求。近年來，我國投入運營的高等級公路里程逐年增加，截止2020 年底，通車總里程己超出15.5萬公里，每百平方公里就有16.15 公里的公路。我國地大物博，地域跨度大，部分地區(qū)處于季節(jié)性冰凍區(qū)，冬季路面積雪嚴重，嚴重影響行車安全［1］。因此，為了使路面積雪盡快融化，除冰鹽被廣泛應用。研究表明，單一氯鹽作用下，MgCl2對瀝青路面的腐蝕作用最大，其次是NaCl、CaCl2［2-3］。氯鹽融雪劑的應用，不僅會對瀝青路面、橋梁結構產生嚴重危害，同時也會對地表水、植被、周邊土壤造成破壞［4］。近年來，隨著技術的進步，大量瀝青改性劑相繼出現(xiàn)，這些改性劑的應用能夠有效改善瀝青路面的路用性能及使用年限，其中橡膠SBS 復合改性效果較為突出［5］。然而，大量氯鹽融雪劑的使用會對橡膠SBS 復合改性瀝青路面的性能造成嚴重侵蝕，如何在高低溫及氯鹽侵蝕等復雜環(huán)境下對橡膠SBS 復合改性瀝青路面進一步改性成為目前道路工作者研究的重要方向［6-7］。馬昆林［8］用不同鹽溶液浸泡水泥混凝土芯樣并進行抗凍及耐久性試驗發(fā)現(xiàn)，鹽溶液會引起混凝土內部結晶破壞，且破壞程度與浸泡時間及鹽溶液濃度關系密切。查旭東［9］通過對AC-13C 改性瀝青混合料進行配合比優(yōu)化得出，礦料級配優(yōu)化后的瀝青路面性能得到很大改善。朱春鳳［10］將硅藻土及玄武巖纖維摻入到瀝青混合料中進行相關性能研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土及玄武巖纖維的摻入，瀝青路面高溫抗車轍、低溫抗開裂、水穩(wěn)定性及疲勞性能均得到了不同程度的改善。2- 丙烯酰胺-2- 甲基丙磺酸(AMPS)是一種高分子聚合物，應用較為廣泛，具有良好的抗鹽凍、抗高溫及水解穩(wěn)定等性能［11］。本文選用將AMPS 摻入到AC-13C 混合料中，并以氯鹽溶液及凍融循環(huán)綜合作用下加速模擬季節(jié)性冰凍區(qū)瀝青路面路用性能的變化情況，為AMPS 在瀝青路面中的應用提供理論基礎。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

1.1.1 AMPS 聚合物

本文選用2- 丙烯酰胺-2- 甲基丙烷磺酸（AMPS）展開研究，它是強酸性質含磺酸基的烯烴單體，具有電解、固定、絮凝、分散及增稠的特性，被廣泛應用到多個領域。AMPS 能夠與水溶性及水不溶性單體共聚，能夠改善被融材料的高溫耐堿性、分散性及親水性，摻入到橡膠SBS 復合改性瀝青路面中，能夠提高瀝青路面在鹽凍融循環(huán)作用下的路用性能。AMPS 物理化學指標及部分極性溶劑中的溶解度試驗結果見表1，AMPS 二元聚合物的合成原理如圖1 所示。

表1 AMPS 物理化學指標及部分極性溶劑中的溶解度Table 1 Physical and chemical indexes of AMPS and solubility in some polar solvents

圖1 AMPS 二元聚合物的合成原理Fig.1 Synthesis principle of AMPS binary polymer

1.1.2 橡膠 SBS 復合改性瀝青

瀝青性能的好壞對瀝青路面路用性能起著決定性作用。瀝青種類的選取應根據(jù)道路等級、交通量、氣候特征、結構層位及施工工藝等綜合因素來決定。本文選取河南金歐特實業(yè)集團股份有限公司生產的橡膠 SBS 復合改性瀝青進行研究，其主要技術指標試驗結果見表2。

表2 橡膠 SBS 復合改性瀝青主要技術指標試驗結果Table 2 Test results of main technical indexes of rubber SBS composite modified asphalt

1.2 配合比設計

選用密級配AC-13C 瀝青混合料展開研究，其中粗集料分別為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm 石灰?guī)r碎石，細集料為0～3 mm 機制砂，填料為石灰?guī)r磨細的礦粉，粗、細集料及礦粉主要技術指標均滿足JTG F40 的要求?；旌狭系V料級配設計結果見表3，根據(jù)相關文獻AMPS聚合物摻量范圍為0.5%～1.0%，作為瀝青混合料的外加劑，本文選用的摻量為0.8%(占瀝青混合料質量)，其中摻0.8% AMPS 混合料類型用SAC-13C 表示，兩種混合料最佳油石比及馬歇爾試驗結果見表4。

表3 AC-13C 礦料級配設計結果Table 3 AC-13C mineral aggregate grading design results

表4 最佳油石比及馬歇爾試驗結果Table 4 Optimum asphalt aggregate ratio and Marshall test results

2 氯鹽融雪劑對瀝青路面的侵蝕機理

北方季節(jié)性冰凍區(qū)雨雪天氣路表時常積雪并伴有結冰，不僅影響道路暢通，也會影響行車安全。為了使冰雪快速融化，氯鹽融雪劑被廣泛應用。但這些氯鹽融雪劑在融冰雪的同時，也會形成氯鹽溶液滲透到路面結構孔隙當中，嚴重影響瀝青與骨料之間的黏附性，同時路面結構在長期鹽凍融循環(huán)作用下性能也會降低。

2.1 鹽脹作用

隨著瀝青路面結構層內部水分的蒸發(fā)，氯鹽融雪劑不斷積聚結晶，當結晶達到一定程度時就會在骨料之間形成膨脹壓力，不僅會降低瀝青與骨料之間的黏附性，導致瀝青膠漿從骨料之間剝落，也會對路面結構造成破壞，降低結構層的整體強度［12］。

2.2 乳化作用

氯鹽融雪劑的使用，會降低冰雪的熔點，使之快速融化，在車輛軸載及毛細作用下，氯鹽溶液滲透到結構層孔隙當中，導致孔隙被氯鹽溶液填充。氯鹽溶液的表面活性大于瀝青，更易吸附在瀝青與骨料之間，加速瀝青與骨料分離。當氯鹽溶液與瀝青接觸時，Na+會與瀝青發(fā)生化學吸附作用，將瀝青乳化，同時Na+與混合料中的堿性物質發(fā)生反應形成硅酸鹽凝膠。瀝青乳化作用及硅酸鹽凝膠的形成會降低結構層強度，瀝青膠漿極易從骨料之間剝落［13］。

2.3 加速老化作用

造成瀝青路面老化的因素有多種，主要包括：瀝青與骨料之間的黏附性降低；長期低溫環(huán)境導致瀝青黏韌性降低，脆性增強，混合料彎曲破壞應變下降；結構層內部積水、鹽溶液膨化結晶、凍融循環(huán)及車輛軸載重復作用，水穩(wěn)定性能降低［14-15］。氯鹽融雪劑中的Cl-會與瀝青膠漿反應，增加瀝青混合料的剛性模量，降低瀝青路面的延展性，加速瀝青路面老化。

2.4 其他侵蝕機理分析

密級配瀝青路面質地密實，后期車輛軸載重復作用下會更加致密，能有效防止路表水滲透。大孔隙排水式瀝青路面有利于路表水的快速排出，但雨雪天氣內部的孔隙易被冰雪填充，在動軸載及凍融循環(huán)作用下結構層容易破壞。我國北方季節(jié)性冰凍區(qū)，晝夜溫差大，白天氣溫升高，結構層孔隙中的冰雪融化，夜晚水分積聚并凍結，長期作用下，瀝青路面容易開裂且開裂深度及寬度不斷加??；路面層間結構是瀝青路面的薄弱環(huán)節(jié)，表層結構裂縫會在層間結構處積聚，加速結構破壞；結構層內部原材料溫縮系數(shù)存在差異，外界環(huán)境綜合作用下內部出現(xiàn)開裂也會反射到路表形成發(fā)射裂縫。

3 試驗結果與分析

3.1 鹽凍融方案

本文鹽凍融循環(huán)作用主要考慮兩個方面，一是融雪鹽溶液濃度，二是凍融循環(huán)的次數(shù)。相關研究表明，高濃度氯鹽對瀝青路面性能的影響較小，而氯鹽濃度為4%左右時，瀝青路面性能衰減較快，隨著鹽凍融循環(huán)次數(shù)的增加瀝青路面的性能呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。本文在橡膠SBS 復合改性AC-13C 混合料的基礎上，摻入0.8%的AMPS 聚合物改性劑，并對瀝青混合料的抗鹽凍融能力展開研究。在基準條件下、0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次三種試驗環(huán)境下對混合料進行路用性能研究，其中，鹽凍融循環(huán)的方案為：NaCl 鹽溶液濃度為4%，凍融循環(huán)次數(shù)為5 次，在-18℃的環(huán)境下凍4h，然后25℃的環(huán)境下融4h 為一個凍融循環(huán)，進行模擬季節(jié)性冰凍區(qū)5 年的季節(jié)交替。為保證試驗條件接近實際情況，收集同一天內的雨水進行研究。

3.2 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是瀝青路面最重要的性能。夏季高溫天氣路表溫度往往會超過60℃，局部炎熱地區(qū)甚至會超過70℃，瀝青路面在高溫及車輛軸載重復作用下，抗剪切能力降低，極易發(fā)生永久性塑性變形，這些病害的出現(xiàn)嚴重影響行車安全，車轍、擁包、推移及泛油病害的出現(xiàn)是瀝青路面高溫穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式［16-18］。本文選用室內60℃車轍試驗對兩種混合料進行高溫抗車轍性能研究，不同試驗環(huán)境下動穩(wěn)定度試驗結果如圖2 所示。

圖2 動穩(wěn)定度試驗結果Fig.2 Dynamic stability test results

由圖2 可以得出：兩種混合料在不同試驗環(huán)境下動穩(wěn)定度試驗結果均滿足1-3 區(qū)改性瀝青混合料不低于2800 次/mm 的規(guī)范要求，且在4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次后的SAC-13C 混合料試驗結果仍能達到5349 次/mm；上述三種試驗環(huán)境下，兩種混合料動穩(wěn)定度試驗結果均逐漸降低，摻AMPS 的SAC-13C 混合料試驗結果降低幅度小得多，且相同試驗環(huán)境下，摻AMPS 聚合物的SAC-13C 混合料動穩(wěn)定度試驗結果均優(yōu)于常規(guī)AC-13C混合料，表明AMPS 的摻入能夠改善混合料鹽凍融循環(huán)后混合料的高溫抗車轍能力。

3.3 低溫抗裂性

目前，瀝青路面低溫開裂病害的研究仍在不斷完善，導致低溫開裂的因素有多種，主要包括原材料質量、施工工藝、外界環(huán)境、交通量及運營年限等。低溫環(huán)境下瀝青路面在車輛軸載作用下極易導致結構層內部的允許拉應力低于溫縮應力而發(fā)生開裂，裂縫、塊狀裂縫及龜裂等病害的出現(xiàn)是瀝青路面低溫抗裂性差的主要表現(xiàn)形式［19-22］。本文選用-10℃低溫小梁彎曲試驗來評價兩種混合料的低溫抗開裂能力，不同試驗環(huán)境下彎曲破壞應變試驗結果如圖3 所示。

圖3 彎曲破壞應變試驗結果Fig.3 Bending failure strain test results

由圖3 可以得出：基準條件下，SAC-13C 混合料彎曲破壞應變小于 AC-13C，但仍滿足1-3 區(qū)改性混合料不低于2500με 的規(guī)范要求；0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種環(huán)境下兩種混合料彎曲破壞應變試驗結果均逐漸下降，但摻AMPS 的SAC-13C混合料降低幅度較AC-13C 混合料小得多，這主要因為AMPS 的摻入會降低混合料的黏韌性，低溫環(huán)境下彎曲破壞應變降低，但會大大提高混合料的抗鹽凍能力，鹽凍循環(huán)次數(shù)越多效果越明顯。

3.4 水穩(wěn)定性

水損害是夏季多雨地區(qū)瀝青路面最常見的病害形式。瀝青路面在雨水、使用年限、紫外線、溫縮應力及車輛軸載綜合作用下，瀝青膠漿極易從骨料之間剝落，坑槽、松散等病害的出現(xiàn)是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式［23-25］。本文選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗對兩種混合料進行抗水損害性能研究，不同試驗環(huán)境下浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比試驗結果分別如圖4、圖5 所示。

圖4 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結果Fig.4 Immersion Marshall residual stability test results

圖5 凍融劈裂殘留強度比試驗結果Fig.5 Test results of freeze-thaw splitting residual strength ratio

由圖4、圖5 可以得出：基準條件下，SAC-13C 混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比試驗結果均小于 AC-13C，但仍滿足1-3 區(qū)改性混合料分別不低于85%、80% 的規(guī)范要求；0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種環(huán)境下兩種混合料試驗結果均有所降低，但摻AMPS 的SAC-13C 混合料降低幅度較AC-13C 混合料小得多，且試驗結果均優(yōu)于AC-13C 混合料，表明AMPS 的摻入能有效改善橡膠SBS 復合改性瀝青混合料鹽凍循環(huán)作用下的抗水損害能力。

3.5 疲勞性能

瀝青路面隨著使用年限增加及車輛軸載的重復作用會發(fā)生疲勞破壞，當荷載應力超過結構層的極限破壞強度時就會發(fā)生開裂，這些病害是瀝青路面常見的疲勞損傷現(xiàn)象［26-28］。本文選用UTM-25 疲勞試驗機來評價兩種混合料的抗疲勞性能，試件尺寸為長380mm× 高50mm× 寬63mm 的小梁試件，采用應變控制加載模式，以 400με 應變水平進行加載，試驗波形為正弦波，頻率選用10Hz，試驗溫度20℃，不同試驗環(huán)境下疲勞次數(shù)試驗結果如圖6 所示。

圖6 疲勞性能試驗結果Fig. 6 Fatigue performance test results

由圖6 可以得出：基準條件、0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次三種試驗環(huán)境下兩種混合料疲勞次數(shù)試驗結果均逐漸降低，且SAC-13C 混合料降低幅度較AC-13C 混合料小得多；相同條件下?lián)紸MPS的SAC-13C 混合料的試驗結果均大于AC-13C 混合料，表明AMPS 的摻入能有效改善橡膠SBS 復合改性瀝青混合料鹽凍融環(huán)境下的抗疲勞性能。

4 結論

本文通過對橡膠SBS 復合改性AC-13C 及摻0.8% AMPS的SAC-13C 兩種瀝青混合料進行配合比及高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害及疲勞等路用性能研究，得出以下結論：

（1）0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次、4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種試驗環(huán)境下橡膠SBS 復合改性AC-13C 及摻0.8% AMPS 的SAC-13C 兩種瀝青混合料路用性能均有不同程度的降低。

（2）基準條件下，AMPS 的摻入能夠改善橡膠SBS 復合改性瀝青混合料的高溫抗車轍及疲勞性能；0%鹽濃度凍融循環(huán) 5 次、4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種試驗環(huán)境下，摻0.8% AMPS 的SAC-13C 瀝青混合料的相關路用性能的降低幅度較AC-13C 混合料小得多，表明AMPS 的摻入能有效改善橡膠SBS 復合改性瀝青混合料鹽凍融循環(huán)作用下的路用性能。

本研究瀝青混合料路用性能試驗結果是在鹽濃度為4% 及鹽凍融循環(huán)5 次的基礎上得出的，不同鹽濃度及不同鹽凍融循環(huán)次數(shù)作用下瀝青混合料路用性能的變化趨勢還需進一步的研究。