傅 珍，常曉絨，武 孟，董文豪，張昭區(qū)

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安710064)

瀝青路面高低溫性能不足會出現(xiàn)不同程度開裂、車轍及渠化等現(xiàn)象[1]，因此，研究綜合性能優(yōu)良的改性瀝青混合料成為解決上述現(xiàn)象的重要途徑[2]。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者常采用某種單一材料作為瀝青改性劑，然而單一的瀝青改性劑并不能滿足日益增長使用要求，因此復(fù)合改性劑應(yīng)運(yùn)而生[3]。

近年來，木質(zhì)纖維素及聚合物作為改性劑使用時表現(xiàn)出優(yōu)越的路用性能，研究指出兩者共混時可提高材料的力學(xué)性能及阻燃性能[4]。文獻(xiàn)[5]通過室內(nèi)試驗對聚氨酯改性瀝青混合料研究發(fā)現(xiàn)，其低溫抗裂性能大幅提升，但高溫性能卻弱于丙乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene，SBS)改性劑；文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)聚乙烯作為改性劑使瀝青熱性能和流變性能得到顯著改善；文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素纖維作為改性劑時，改性瀝青的抗氧老化性能及高溫性能均得到明顯提升；文獻(xiàn)[8]將木質(zhì)纖維復(fù)合硅藻土用于改性瀝青時，發(fā)現(xiàn)其針入度指數(shù)及當(dāng)量軟化點(diǎn)與基質(zhì)瀝青相比均有所提高；文獻(xiàn)[9]采用粘附率對聚丙烯腈纖維、聚酯纖維及木質(zhì)纖維與瀝青的粘附性進(jìn)行表征，結(jié)果表明木質(zhì)素纖維粘附性最好，其水穩(wěn)定性和抗剝離性能也最佳；文獻(xiàn)[10]采用干法工藝得到布頓巖瀝青(Buton Rock Asphalt，BRA)和木質(zhì)素纖維改性的瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)其是一種寬溫域瀝青混合料，具有優(yōu)良的高低溫性能；文獻(xiàn)[11]采用四點(diǎn)彎曲試驗、浸水漢堡車轍試驗及室內(nèi)路用性能試驗研究纖維硅藻土熱再生混合料的耐久性，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素纖維硅藻土復(fù)合改性劑可以減少混合料受凍融循環(huán)水損害之后劈裂抗拉強(qiáng)度的降低幅度，提高凍融劈裂試驗強(qiáng)度比，改善熱再生混合料的抗疲勞性能和低溫抗裂性能；文獻(xiàn)[12]研究了玉米酶解殘渣木質(zhì)素纖維改性瀝青的三大指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素纖維的摻加雖使其溫度敏感性下降，但低溫延度卻受到破壞，需加入少量SBS進(jìn)行改善。根據(jù)目前研究可知，聚合物改性劑和木質(zhì)素纖維搭配使用的研究較少，因此，考慮采用兩者的共混材料對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，以期能夠改善瀝青路面使用性能。

基于此，本文采用高聚物和木質(zhì)素纖維制成的復(fù)合增強(qiáng)劑(Composite Reinforcing Agent，CRA)作為改性劑，使其以干拌形式直接投入到瀝青中。通過高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗以及凍融劈裂試驗對改性瀝青混合料進(jìn)行高低溫及水穩(wěn)性能研究。同時將其與SBS及抗車轍劑進(jìn)行高低溫對比研究，以便為復(fù)合增強(qiáng)劑推廣使用提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

本文選用的瀝青為70#基質(zhì)瀝青，相關(guān)性能指標(biāo)見表1。

表1 70#瀝青相關(guān)性能指標(biāo)

Tab.1 Performances of 70# asphalt

試驗項目試驗結(jié)果技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)軟化點(diǎn)/℃48.50≥4315 ℃針入度/0.1 mm20.9025 ℃針入度/0.1 mm61.4060～8030 ℃針入度/0.1 mm110.0015 ℃延度/cm108.40≥10010 ℃延度/cm33.00≥2060 ℃動力黏度/Pa·s198.00≥180薄膜加熱(163,5 h)10 ℃殘留延度/%14.00≥4質(zhì)量損失/%0.03≤±0.8殘留針入度比/%62.50≥54

試驗所用粗細(xì)集料為玄武巖，集料基本性質(zhì)見表2。礦粉為磨細(xì)的石灰?guī)r，其表觀密度為2.67 g·cm-3，親水系數(shù)為0.58，塑性指數(shù)為2.6。

表2 礦料基本性質(zhì)

采用墾特萊公司生產(chǎn)的高聚物-木質(zhì)素纖維復(fù)合增強(qiáng)劑作為新型路面改性劑，其結(jié)構(gòu)較為松散，部分呈粉末狀，其外觀形貌如圖1所示，各項含量(w/%)見表3，具體性能指標(biāo)見表4。

SBS是常用低溫改善材料，在濕拌法制備中其常用摻量為w=5%；抗車轍劑(PR PLAST.S)為法國PR公司生產(chǎn)的高溫性能改善材料，常見摻量為w=0.4%。

圖1 復(fù)合增強(qiáng)劑外觀形貌

表3 復(fù)合增強(qiáng)劑組成成分

表4 復(fù)合增強(qiáng)劑指標(biāo)參數(shù)

1.2 試驗方案

1.2.1 改性瀝青混合料的制備

將基質(zhì)瀝青加熱到180 ℃，采用高速剪切機(jī)對其進(jìn)行剪切，在此過程中逐次加入復(fù)合增強(qiáng)劑，180 ℃恒溫下剪切約1 h。將提前加熱的干集料倒入攪拌鍋中，同時將外加劑加入攪拌90 s，倒入180 ℃復(fù)合增強(qiáng)劑改性瀝青攪拌90 s，再加入180 ℃礦粉攪拌90 s。整個過程應(yīng)快速、精確以避免溫度浮動太大。

1.2.2 改性瀝青混合料路用性能試驗

研究3種級配(AC-13型、AC-16型、AC-20型)瀝青混合料在摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w=0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%)復(fù)合增強(qiáng)劑時的高低溫及水穩(wěn)性能，同時將不同摻量復(fù)合增強(qiáng)劑下的AC-13型改性瀝青混合料與SBS、抗車轍劑改性效果進(jìn)行對比研究。

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)對瀝青混合料進(jìn)行性能測試[13]，低溫性能測試選用低溫小梁彎曲試驗(T0715-2011)，實驗溫度為-10℃，試驗儀器為加載速度為50 mm·min-1的電子萬能試驗機(jī)；高溫性能測試采用車轍試驗(T0719-2011)，試驗儀器為HYCZ-5自動車轍試驗儀，試驗溫度60℃；水穩(wěn)性能測試采用凍融劈裂試驗(T0729-2000)，試驗儀器為AMS-C型馬歇爾試驗儀。

2 結(jié)果及分析

2.1 瀝青混合料油石比確定

根據(jù)實踐經(jīng)驗，AC-13型瀝青混合料目標(biāo)空隙率定為4%，油石比初估為4.5%，因此，設(shè)計油石比為5.3%，4.9%，4.5%，4.1%和3.7%。根據(jù)要求成型相應(yīng)試件，測試其空隙率、毛體積密度、有效瀝青飽和度、礦料間隙率、流值、穩(wěn)定度及最大理論相對密度等各項體積參數(shù)，試驗結(jié)果見表5。其中瀝青用量(w/%)與空隙率、穩(wěn)定度、毛體積密度、有效瀝青飽和度、流值及礦料間隙率等指標(biāo)關(guān)系曲線如圖2所示。

基于圖2試驗結(jié)果可知，AC-13型瀝青混合料最佳油石比為4.6%。按照同樣方法得出，AC-16和AC-20型瀝青混合料的最佳油石比分別為4.5%和4.4%。當(dāng)采用復(fù)合增強(qiáng)劑改性瀝青時，上述確定的油石比不能直接選用，因為復(fù)合增強(qiáng)劑顆粒并不會完全作用于瀝青，其會以顆粒狀態(tài)與瀝青及細(xì)集料形成膠團(tuán)，對集料產(chǎn)生干涉作用，增大瀝青需求量。

表5 AC-13型瀝青混合料馬歇爾試件體積參數(shù)

圖2 AC-13型瀝青混合料油石比與各項指標(biāo)關(guān)系曲線

3種級配瀝青混合料中復(fù)合增強(qiáng)劑摻量選用為w=0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%，由于采用上述方式確定3種級配改性瀝青混合料最佳油石比工作量過大，因此僅選用w=0.4%和w=0.6%摻量的AC-13復(fù)合增強(qiáng)劑改性瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計，計算方法與基質(zhì)瀝青相似，剩余級配改性混合料按照規(guī)律確定，最終結(jié)果見表6。將試驗所得3種級配改性瀝青混合料在室內(nèi)成型相應(yīng)尺寸試件。

2.2 高溫性能

圖3為3種級配瀝青混合料在不同摻量復(fù)合增強(qiáng)劑下的車轍試驗結(jié)果，每組實驗中有4個平行試驗，取其平均值進(jìn)行繪圖分析。由圖3可看出，摻入復(fù)合增強(qiáng)劑后，不同級配瀝青混合料動穩(wěn)定度均有明顯上升；不同級配瀝青混合料的動穩(wěn)定度均隨復(fù)合增強(qiáng)劑摻量持續(xù)增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，說明復(fù)合增強(qiáng)劑對不同級配瀝青混合料影響效果相同。當(dāng)摻量達(dá)到w=1.0%時，3種級配(AC-13，AC-16和AC-20型)瀝青混合料動穩(wěn)定度分別提升3.0倍、3.9倍和3.5倍，達(dá)到常規(guī)瀝青路面高溫性能要求。由曲線變化趨勢可知，AC-16型瀝青混合料動穩(wěn)定度下降幅度最大，且下降趨勢最陡。

表6 改性瀝青混合料最佳油石比

復(fù)合增強(qiáng)劑能夠從多方面提高混合料的高溫性能，一方面，部分增強(qiáng)劑顆粒會溶解在瀝青中，在骨料之間產(chǎn)生膠結(jié)作用使其結(jié)構(gòu)密實[14]，對瀝青混合料起到加筋作用。另一方面，復(fù)合增強(qiáng)劑中的高聚物在瀝青中會產(chǎn)生溶脹，形成黏彈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以抵制變形[15]。此外，復(fù)合增強(qiáng)劑中含有表面粗糙的木質(zhì)纖維素，其含有較多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且具有較大的有效比表面積[16]，與瀝青的吸附效果較強(qiáng)，能夠提高瀝青混合料動穩(wěn)定度。

圖3 改性瀝青混合料動穩(wěn)定度

2.3 低溫性能

3種不同級配瀝青混合料在不同含量復(fù)合增強(qiáng)劑下的破壞應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。由圖4可知，復(fù)合增強(qiáng)劑摻入后，瀝青混合料彎曲破環(huán)應(yīng)變均得到了大幅度提高，表明復(fù)合增強(qiáng)劑可以提升瀝青混合料低溫性能；不同級配瀝青混合料的破壞應(yīng)變均隨摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減少趨勢；在摻量為w=1.0%時，3種級配(AC-13，AC-16和AC-20型)瀝青混合料彎曲破壞應(yīng)變達(dá)到最大值，分別為基質(zhì)瀝青的1.4倍、1.44倍和1.49倍，其中AC-16型復(fù)合改性瀝青混合料低溫性能最優(yōu)。

圖4 改性瀝青混合料彎曲破壞應(yīng)變

復(fù)合增強(qiáng)劑加入后，其中的木質(zhì)素纖維可以有效分散在瀝青混合料中，且其自身具有抗拉強(qiáng)度，會與瀝青共同起阻裂作用，增大瀝青混合料的抗拉伸性能，更好地阻止裂縫在混合料中的擴(kuò)展，提升瀝青混合料低溫性能[17]。廢舊塑料中的聚合物分子自身的高粘性會極大改善瀝青混合料的抗車轍能力[18]。

2.4 水穩(wěn)性能

圖5為3種不同級配瀝青混合料在不同摻量復(fù)合增強(qiáng)劑下的水穩(wěn)性能。從圖5可以看出，復(fù)合增強(qiáng)劑的加入使瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比得到提高，表明復(fù)合增強(qiáng)劑能夠顯著提高瀝青混合料抗水損害能力；摻入的復(fù)合增強(qiáng)劑使集料與瀝青黏附效果增強(qiáng)，提高瀝青混合料整體密實度；3種級配混合料凍融劈裂強(qiáng)度均隨復(fù)合增強(qiáng)劑摻量的增加呈先上升后下降趨勢，說明復(fù)合增強(qiáng)劑對瀝青混合料水穩(wěn)性能改善的同時產(chǎn)生了消極影響。由圖4可知，復(fù)合增強(qiáng)劑最佳摻量為w=1.0%。

圖5 改性瀝青混合料水穩(wěn)性能

瀝青混合料水穩(wěn)定性主要取決于瀝青與骨料之間的相互作用，混合料的空隙以及瀝青膜的厚度[19]。復(fù)合增強(qiáng)劑是一種粘性流體，在高溫下具有良好變形能力，因此，其能夠填充大孔，改變混合料結(jié)構(gòu)，從而減少連接孔數(shù)量，有效地防止瀝青粘合劑遷移。當(dāng)復(fù)合增強(qiáng)劑摻量過大時，廢舊塑料與瀝青的相容性降低[20]；且木質(zhì)素纖維會聚集成束，與瀝青粘結(jié)面積減少，空隙率增加，從而導(dǎo)致混合料水穩(wěn)性能下降。此外，復(fù)合增強(qiáng)劑會以細(xì)集料的形式填充在瀝青混合料的骨架空隙中，由于其密度低及結(jié)構(gòu)松散，因此，摻量過大會導(dǎo)致混合料密實度降低，從而也會對混合料的抗水損害能力產(chǎn)生不利影響。

2.5 與SBS及抗車轍劑的高低溫性能對比

選用礦料級配AC-13型，油石比為4.6%的改性瀝青混合料，將其在不同摻量復(fù)合增強(qiáng)混合料下的高低溫性能與摻量為w=5%的SBS及w=0.4%的抗車轍劑改性進(jìn)行對比研究，試驗結(jié)果如圖6～7所示。

由圖6可看出，加入改性劑會使瀝青混合料動穩(wěn)定度高于基質(zhì)瀝青；當(dāng)復(fù)合增強(qiáng)劑摻量為w=0.4%時，動穩(wěn)定度低于SBS及抗車轍劑改性混合料，低溫性能較差；隨著復(fù)合增強(qiáng)劑摻量增加到w=0.8%時，動穩(wěn)定度顯著提升，均高于兩種改性瀝青混合料動穩(wěn)定度，表明復(fù)合增強(qiáng)劑摻量不斷增加會使瀝青混合料高溫性能優(yōu)于常用的SBS改性劑。

圖6 車轍試驗結(jié)果

圖7 低溫彎曲試驗結(jié)果

由圖7可知，加入不同改性劑的瀝青混合料彎曲破壞應(yīng)變均大于基質(zhì)瀝青；摻量為w=0.4%的改性瀝青混合料，雖然其破壞應(yīng)變優(yōu)于同摻量下的抗車轍劑，但卻低于SBS改性劑；彎曲破壞應(yīng)變隨復(fù)合增強(qiáng)劑摻量的不斷增加而增大，當(dāng)摻量達(dá)到w=1.0%時，其彎曲破壞應(yīng)變能與SBS相持平，證明復(fù)合增強(qiáng)劑的摻入會提升瀝青混合料的低溫性能。綜上所述，當(dāng)復(fù)合增強(qiáng)劑的摻量達(dá)到w=1.0%時，瀝青混合料的高低溫性能達(dá)到改善要求。

3 結(jié) 論

本文選用復(fù)合增強(qiáng)劑在摻量為w=0%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%時形成的AC-13，AC-16和AC-20型改性瀝青混合料，通過試驗對其高低溫性能及水穩(wěn)性能進(jìn)行分析，同時將AC-13型改性瀝青混合料與SBS及抗車轍劑進(jìn)行對比研究，得到結(jié)論為：

1) 當(dāng)復(fù)合增強(qiáng)劑摻量達(dá)到w=1.0%時，3種級配瀝青混合料動穩(wěn)定度值最大，且分別提升3～4倍，級配類型會顯著影響復(fù)合增強(qiáng)劑對瀝青混合料使用性能的改善效果，AC-13型和AC-16型瀝青混合料的抗低溫性能及水穩(wěn)性能優(yōu)于AC-20型。

2) 不同級配的瀝青混合料決定了礦料顆粒間的嵌擠力，礦料粒徑的不斷增大及較多復(fù)合增強(qiáng)劑的摻入會產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時較多的纖維在瀝青中分散受阻，高聚物與瀝青相容性增大，導(dǎo)致3種級配混合料在復(fù)合增強(qiáng)劑摻量較大時高低溫及水穩(wěn)性能下降。

3) 與SBS及抗車轍劑相比，復(fù)合增強(qiáng)劑在改善瀝青混合料高及低溫性能方面具有明顯優(yōu)勢，當(dāng)摻量為w=1.0%時，其高低溫性能已達(dá)到上述兩種改性劑的改善效果，并且此摻量下瀝青混合料水穩(wěn)性能最佳。綜合考慮各項因素可知，復(fù)合增強(qiáng)劑的最佳使用摻量為w=1.0%。