熊子佳，程金梁，洪錦祥

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

目前，交通的迅速發(fā)展，對(duì)瀝青路面的要求越來(lái)越高，其功能性也越來(lái)越多。改性瀝青已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于道路建設(shè)中[1]，通常是將瀝青改性劑以干法直接投入到料倉(cāng)中。瀝青改性劑一般為聚合物，聚合物改性瀝青能有效改善瀝青的高低溫性能和耐久性[2]。由于聚合物的種類(lèi)很多，根據(jù)瀝青路面的實(shí)際問(wèn)題，聚合物改性劑對(duì)瀝青性能的改善也各有側(cè)重[3]。常用的有高模量改性劑（EME）、高粘改性劑（TPS）、抗車(chē)轍劑（MB）、低溫改性劑（TLM）、全效能改性劑（AP）等。但由于聚合物與瀝青存在著配伍性，不同聚合物組成會(huì)影響到改性劑與瀝青的相互作用效果[4]。目前對(duì)不同功能型改性劑對(duì)瀝青的改性效果及其原因研究較少。

本文通過(guò)研究EME、TPS、MB、TLM、AP五種不同功能型瀝青改性劑對(duì)瀝青及混合料高低溫性能的影響，通過(guò)動(dòng)態(tài)模量、疲勞壽命、車(chē)轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析考察不同改性劑的改性效果，并采用DSC從材料角度分析不同改性劑的主要組成特征，從而得出改性劑影響瀝青性能的關(guān)鍵因素。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青：SK-70#石油瀝青，性能指標(biāo)符合JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

（2）礦料：玄武巖集料和石灰石礦粉，由南京天印市政工程材料有限公司提供?；拘阅馨碕TGE42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試，集料的基本性能均符合JTGF40—2004要求。

（3）改性劑：EME、TPS、MB、TLM、AP，5 種改性劑均為市售。其中TPS為深黃色扁圓形固體顆粒狀，直徑約為2～3 mm，厚約為1 mm；其余4種改性劑為黑色短柱固體顆粒，長(zhǎng)度約3～5 mm。

1.2 瀝青混合料的制備方法

（1）AC-13C 型

EME、MB、TLM、AP四種改性劑適用的混合料級(jí)配類(lèi)型為AC-13C，油石比為5.0%，級(jí)配見(jiàn)表1。集料加熱溫度175℃，瀝青加熱溫度160℃，混合料拌合溫度175℃，改性劑以直投法加入到拌鍋中。

表1 AC-13C混合料級(jí)配

（2）OGFC-13型

TPS主要功能是增大瀝青的黏度，提高瀝青與集料的連接作用，用于大空隙透水瀝青混合料中。其適用的瀝青混合料類(lèi)型為OGFC-13，油石比為4.8%，級(jí)配見(jiàn)表2。集料加熱溫度和改性劑加入方法與其它4種改性劑相同。

表2 OGFC-13混合料級(jí)配

1.3 試驗(yàn)方法

（1）動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)：采用IPC UTM-30型試驗(yàn)機(jī)，按照AASHTO TP62-03試驗(yàn)規(guī)范的要求，用意大利Controls旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型D150 mm×H170 mm的圓柱體試件，取芯并切割得到D100×H150 mm的圓柱體實(shí)驗(yàn)試件。試驗(yàn)溫度為45℃，試驗(yàn)頻率分別為 25、20、10、5、1、0.5、0.1 Hz。

（2）四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)：采用IPCUTM-30型試驗(yàn)機(jī)，按照J(rèn)TGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，成型400 mm×300 mm×75 mm的大車(chē)轍板，切割得到尺寸為380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁試件。試驗(yàn)溫度為15℃，加載頻率為10 Hz，目標(biāo)拉應(yīng)變?nèi)?00με。采用連續(xù)偏正弦加載模式，恒應(yīng)變控制，終止條件為初始彎曲勁度模量的50%對(duì)應(yīng)為加載循環(huán)次數(shù)。

（3）車(chē)轍試驗(yàn)：按照J(rèn)TGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求成型車(chē)轍板，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。采用QCZ-2型全自動(dòng)車(chē)轍試驗(yàn)儀測(cè)試動(dòng)穩(wěn)定度和最大車(chē)轍深度。試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7 MPa，橡膠輪碾壓速度為（42±1）次/min。

（4）小梁彎曲試驗(yàn)：采用IPCUTM-30型試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的低溫性能。按照J(rèn)TGE20—2011，將輪碾成型的車(chē)轍板用切割機(jī)制成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體，作為瀝青混合料小梁試件。試驗(yàn)溫度為-10℃，加載速率為50 mm/min。

（5）DSC分析：采用德國(guó)耐馳DSC214型差示掃描量熱儀測(cè)試改性劑能量變化狀態(tài)。試驗(yàn)溫度為20～200℃，升溫速率為10℃/min。保護(hù)氣為氮?dú)?，流量?0 mL/min，試樣量為5～10 mg，粒徑約 0.5 mm。

2 改性劑對(duì)瀝青混合料性能的影響

2.1 對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響

瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量是指在周期性或非周期性動(dòng)態(tài)荷載作用下，材料應(yīng)力與應(yīng)變的比值[5]。瀝青混合料是一種粘彈性材料，其力學(xué)響應(yīng)與溫度、加載頻率有較好的相關(guān)性[6]。本試驗(yàn)中EME、MB、TLM、AP的摻量均占瀝青混合料質(zhì)量的0.3%，TPS摻量占瀝青混合料質(zhì)量的0.6%（下同）。不同荷載頻率條件下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量見(jiàn)圖1所示。

圖1 不同改性瀝青混合料的45℃動(dòng)態(tài)模量

由圖1可見(jiàn)：

（1）相同溫度相同頻率條件下5種改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量大小順序?yàn)椋篍ME＞TPS＞MB＞AP＞LTM，在 0.1 Hz的低頻動(dòng)態(tài)荷載下?lián)紼ME的動(dòng)態(tài)模量已大于2000 MPa，其它4種改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量較小且接近。

（2）隨著頻率的增大，不同改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量差異增大。其中摻EME和TPS的有較明顯的模量?jī)?yōu)勢(shì)，摻EME、TPS、MB的在0.1 Hz時(shí)模量大于500 MPa，且10 Hz時(shí)模量大于2000 MPa，滿足高模量的要求。

2.2 對(duì)疲勞壽命的影響

瀝青混合料在荷載重復(fù)作用下呈現(xiàn)強(qiáng)度衰減是其自身疲勞損傷的一種表征，當(dāng)疲勞損失與耗散能累積到一定程度就會(huì)發(fā)生疲勞破壞[7]。路面層優(yōu)異的疲勞性能是路面耐久性的保證[8]。對(duì)5種改性瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同改性瀝青混合料的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命

由表3可見(jiàn)：5種改性瀝青混合料的疲勞壽命大小順序?yàn)椋篍ME＞AP＞TPS＞LTM＞MB，摻高模量改性劑 EME 瀝青混合料的疲勞壽命有較明顯的優(yōu)勢(shì)且其變異性較小，即在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下，其應(yīng)變衰減更緩慢，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)；摻全效能改性劑AP的瀝青混合料疲勞壽命次之，由于全效能是對(duì)瀝青混合料高低溫性能皆有提高，故全效能改性劑AP應(yīng)為復(fù)合型改性劑，它比改性性能單一的抗車(chē)轍劑MB和低溫性能改性劑LTM的耐久性較強(qiáng)；高粘改性劑TPS由于其混合料結(jié)構(gòu)為OGFC型，空隙率較大，雖然改性劑具有較大的粘度，但其疲勞壽命居中，因此混合料結(jié)構(gòu)也是疲勞壽命的重要影響因素之一。

2.3 對(duì)抗車(chē)轍性能的影響

瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)是試件在規(guī)定溫度及荷載條件下，測(cè)試試驗(yàn)輪往返行走所形成的車(chē)轍變形速率，以每產(chǎn)生1 mm變形的行走次即動(dòng)穩(wěn)定度表示，它能較好地反映瀝青路面在高溫季節(jié)抵抗形成車(chē)轍的能力。5種不同改性瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

由表4可見(jiàn)，5種不同改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大小順序?yàn)椋篗B＞EME＞TPS＞AP＞LTM。在抗車(chē)轍性能方面，抗車(chē)轍劑MB有較大的優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明改性劑中有增強(qiáng)瀝青高溫穩(wěn)定的組分存在；摻高模量改性劑EME次之，說(shuō)明提高瀝青混合料模量的同時(shí)，也能提高其抗車(chē)轍性能；摻AP和LTM的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度相差不大，說(shuō)明改性劑在兼顧低溫性能的同時(shí)，對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善并不能達(dá)到較高的水平；摻高粘改性劑TPS的性能居中，是由于OGFC為骨料嵌擠型結(jié)構(gòu)，加之瀝青的黏度高，其高溫條件下瀝青的變形性較小，結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2.4 對(duì)低溫小梁彎曲的影響

瀝青混合料的彎曲試驗(yàn)是對(duì)規(guī)定尺寸的小梁試件，在跨中施加集中荷載至斷裂破壞，由破壞時(shí)的最大荷載求得試件的抗彎拉強(qiáng)度，抗彎拉強(qiáng)度越大表示越不容易斷裂。由破壞時(shí)的跨中撓度求得瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變，表征承受最大拉應(yīng)力時(shí)的抗變形能力，兩者的比值為破壞時(shí)的彎曲勁度模量。5種不同改性瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同改性瀝青混合料的-10℃小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見(jiàn)知，在-10℃的低溫條件下，5種不同改性瀝青混合料表現(xiàn)出不同的抗彎拉能力。最大彎拉應(yīng)變大小順序?yàn)椋篖TM＞AP＞EME＞MB＞TPS，其中摻低溫性能改性劑 LTM 的最大彎拉應(yīng)變最大，說(shuō)明改性劑的加入使瀝青混合料的低溫脆性降低、柔性增強(qiáng)，表現(xiàn)出較好的變形能力，但其強(qiáng)度僅為EME改性瀝青混合料的79%；EME改性瀝青混合料低溫下具有較大的抗彎拉強(qiáng)度，且EME改性瀝青混合料表現(xiàn)出彎曲勁度模量較大，驗(yàn)證了其剛而硬脆的特點(diǎn)；最大彎拉應(yīng)變最小的是高粘改性劑TPS改性瀝青混合料，原因在于其OGFC級(jí)配混合料空隙率較大，其強(qiáng)度較小，相對(duì)其他幾種易產(chǎn)生彎拉破壞；在低溫性能方面抗車(chē)轍劑MB和高模量改性劑EME并不占優(yōu)勢(shì)。說(shuō)明改性劑在提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和耐久性的同時(shí)一般會(huì)抑制其低溫性能改善效果，反之亦然。

2.5 DSC分析

DSC試驗(yàn)是測(cè)量在溫度變化條件下試樣和參比物的熱流差與溫度的關(guān)系，該熱流差能表征樣品隨溫度變化所發(fā)生的焓變，即當(dāng)樣品吸收能量時(shí)，焓變?yōu)槲鼰?，?dāng)樣釋放能量時(shí)，焓變?yōu)榉艧?。在DSC曲線中，對(duì)熔融、結(jié)晶、固-固相轉(zhuǎn)變和化學(xué)反應(yīng)等的熱效應(yīng)呈峰形[9]。為從材料本身的角度區(qū)分5種改性劑，測(cè)試了改性劑在20～200℃之間的能量變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 5種不同改性劑的DSC曲線

由圖2可見(jiàn)，在20～200℃的熔融曲線上，TPS沒(méi)有明顯的吸熱峰，其曲線近于一條直線，說(shuō)明其為無(wú)定形態(tài)的物質(zhì)。而其它4種改性劑均有明顯的吸熱峰，是含有結(jié)晶態(tài)的物質(zhì)。LTM的吸熱峰在55℃附近，其主要聚合物基體可能為EVA，但EVA并不能對(duì)瀝青混合料的低溫性能有較好的改善，因此LTM可能只是以EVA為主要基體，加之其他彈性體聚合物材料產(chǎn)生改善低溫性能的效果。AP、MB和EME均在125℃附近出現(xiàn)吸熱峰，其對(duì)應(yīng)的可能為PE類(lèi)物質(zhì)，但其吸熱峰面積不同，說(shuō)明PE的結(jié)晶度不盡相同。其中MB在160℃附近還出現(xiàn)1個(gè)吸熱峰，說(shuō)明MB中可能存在熔點(diǎn)較高的PP組分。AP在80℃和110℃附近分別出現(xiàn)1個(gè)階梯狀吸熱峰，其可能是PS或PMMA的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，而PS通常與SBS協(xié)同改性瀝青[10]，提高瀝青及混合料的高低溫性能。結(jié)合混合料性能實(shí)驗(yàn)可知，改性劑中可能存在SBS等此類(lèi)彈性體[11]，通過(guò)在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而改善瀝青混合料的低溫性能[12]，存在的PE和PP對(duì)瀝青混合料的高溫性能有改善[13]。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）高模量（EME）改性瀝青混合料具有動(dòng)態(tài)模量高、抗車(chē)轍性能好的特點(diǎn)，疲勞壽命達(dá)到86 099次，具有較好的耐久性。在低溫條件下表現(xiàn)彎拉強(qiáng)度較高，表現(xiàn)出剛而硬脆的特點(diǎn)。抗車(chē)轍劑（MB）改瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到9186次/mm，具有較好的抗車(chē)轍性能。

（2）全效能改性劑（AP）和低溫性能改性劑（LTM）兩者在改性瀝青混合料低溫性能方面有較大優(yōu)勢(shì)，其最大彎拉應(yīng)變分別達(dá)到了2824、3684με，而在高溫性能方面并不突出。高黏度改性劑（TPS）由于能使瀝青具有較高黏度，加之OGFC混合料結(jié)構(gòu)類(lèi)型特點(diǎn)，其具有較高的動(dòng)態(tài)模量和耐久性。

（3）改性劑在提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和耐久性的同時(shí)一般會(huì)抑制其低溫性能改善效果，反之亦然。改性劑中可能存在的SBS和PS對(duì)瀝青混合料的低溫性能有改善，存在的PE和PP對(duì)瀝青混合料的高溫性能有改善。

（4）DSC測(cè)試中的融熔溫度并不能準(zhǔn)確地反映聚合物組成，加之瀝青與改性劑成分的復(fù)雜性，改性瀝青的作用機(jī)理用DSC測(cè)試尚不能精準(zhǔn)地表現(xiàn)出來(lái)，還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。