沥青混合料的路用性能分析

高中鹤，靖喜波

(黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司)

沥青混凝土路面作为高等级公路重要的路面结构形式，应用越来越广泛，其行车舒适、施工期短、养护简便等优点受到公路工程建设者的认同，但随着交通量日益加大，超载现象随处可见，沥青混凝土路面早期破坏现象严重，车辙、各种裂缝、坑槽、啃边、沉陷、拥包、搓板、脱皮、弹簧翻浆、拱起、表面裂纹、孔洞等病害时有发生。特别是我省特定的气候环境，由于冬天气温可达到零下25℃以下，夏天温度又可达到25℃以上，对沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性都有很高要求，改善沥青混合料的路用性能，增强路面使用寿命是目前需要攻关重要项目。

在沥青混合料的组成材料中，沥青作为沥青混合料的粘结剂，决定着沥青混合料的性能属性。从沥青的材料组成分析，其主要成分为高分子碳氢化合物，可溶于二硫化碳。从分子结构来看，它由沥青质、树脂、芳香分、饱和分构成。在常温下沥青质是一种温感性的脆性固体，是沥青强度和弹性的来源;树脂表现为温感性的粘性的半固态或固态，可与沥青油性成分相容且有良好的粘附能力，从而可使沥青质均匀分散在沥青中，它是沥青粘性性质的来源之一;芳香与饱和族和称为沥青油性成分，芳香分起到分散溶解沥青质及树脂并将其粘结在一起的作用;饱和分没有强度，主要控制沥青的温感性及老化性能，是沥青柔性的来源。这几种成分对沥青的性能至关重要:沥青将随时间而老化，次序为饱和族—芳香族—树脂—沥青质，老化的结果是沥青质含量越来越高，油性成分越来越低，沥青则因为失去凝聚力而越来越脆，从而形成老化破坏。因此，沥青是一种随时间而老化硬化的典型的粘弹性材料，严格讲，无论液态沥青还是固态沥青，从其力学性能看，都是一种粘弹性体，既具有弹性体的力学性质，也具有粘性体的力学性质。其材料性能与应力、温度、时间、荷载频率及温度频率等有关。在温度低于沥青的低温脆化温度的情况下，沥青表现为弹性体的力学性质;在温度高于沥青的脆化温度时，沥青表现为粘弹性体的力学性质。基于沥青的材料特性，沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，其在低温时较小变形范围内接近线弹性体，在高温时较大变形活动范围内表现为粘塑性体，而在通常温度的过渡范围内一般为粘弹性体。所有的沥青混合料均为非弹性体，且在其实际工作范围内主要表现为粘弹性题。粘弹性沥青混合料的力学特征主要表现在以下三个方面:材料的力学特性与加载速度有关，随着加载速度的增加，材料的强度与刚度均会增大;材料的力学特性对温度十分敏感，随着温度的升高，材料的物理特征表现为变软，强度和刚度变小;材料具有十分明显的蠕变与应力松弛现象。沥青混合料在低温工作时必须解决裂缝的问题，在高温工作时必须解决软化变形的问题。而控制高温变形的材料参数是弹性模量、粘度、相位角或者蠕变强度，控制低温开裂的材料参数是屈服强度和断裂韧性。沥青混合料需要“增弹”、“增强”及“增韧”才能够更好的满足道路的使用要求，而让沥青路面达到使用要求，最有效的途径就是使用改性沥青混合料。

沥青路面因其行车平稳舒适、噪声低、易于养护和维修方便等优良的使用性能，在高等级公路中得到广泛应用。然而普通沥青混凝土是一种典型的流变性材料，其性能的发挥受时间、温度的影响较大。在高温时期，其劲度变小，在行车荷载反复作用下产生塑性变形，久而久之，塑性变形累积形成车辙;在寒冷时期，其劲度增大、脆性增强而柔性降低，变形能力减弱，当温度应力或温度疲劳应力累积超过其抗拉强度时，会产生细微裂缝，在行车荷载反复作用下裂缝逐渐扩展，路表水渗入后会导致路面迅速损坏。为改善普通沥青的高温、低温性能，提高沥青路面的使用性能和使用寿命，对沥青进行改性已成为一种必然的趋势。改性沥青的路用性能优于普通沥青，并可显著改善沥青路面的使用性能，然而改性沥青的机理迄今尚未完全明确，一方面是由于对沥青本身的结构组成认识不足，加入聚合物改性剂之后形成的微观多相结构更趋复杂;另一方面由于常规的沥青试验方法及评价指标不能全部适用于改性沥青。

改性沥青属于高分子材料的共混改性，目前针对高分子材料的共混改性，主要有以下两种理论。界面理论认为:改性效果除与相容性有关外，还取决于材料本身的性质及改性剂-沥青两相界面的性质，界面性质又取决于两相界面上局部扩散的深度及两相的相互作用能。只有具备适当的相容性及良好的界面性质才能得到性质优良的改性材料。用界面理论来解释聚合物复合材料的机理都基于界面层有效的应力传递这样一个设想。应力传递主要通过以下几种途径。

溶解度理论，现实中两种材料在共混时能够完全相溶的情况极少，然而在生产实践中通过对两种材料的合理选择，辅之以适当的生产工艺可以得到微观多相、宏观均匀分布的稳定体系。两种材料共混，由于大分子间的相互扩散而使分子链段位移，形成过渡层，因而使体系稳定。

改性沥青作为一种共混改性材料，其性能必然与基质沥青的性质密切相关。因此，分析改性沥青的机理首先需要从基质沥青的结构入手。关于沥青的结构，目前有两种理论——胶体理论和高分子溶液理论。

现代胶体理论认为，沥青的胶体结构以固态微粒的沥青为分散相，液态的芳香分、饱和分为分散介质，半固态的胶质起着胶溶剂的作用。若干沥青质微粒聚集在一起，吸附极性的胶质，形成“胶团”，胶溶于分散介质中，形成稳定的胶体。由于沥青质分子量高，极性很强，所以不能直接胶溶于分子量低、极性弱的芳香分、饱和分组成的分散介质中，尤其是饱和分的胶凝作用会阻碍沥青质的胶溶，而极性较强的胶质则在二者中间起到了过渡的作用。因此在沥青的胶体结构中从沥青质到胶质、乃至芳香分、饱和分，极性逐步递减。从这种意义上来讲，各组分的含量必须相匹配才能形成稳定的胶体。根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，胶体结构可分为3种类型—溶胶结构、溶-凝胶结构和凝胶结构。该理论认为，沥青是一种以高分子量的沥青质为溶质，以低分子量的软沥青质为溶剂的一种高分子溶液。溶液的稳定性决定于沥青质的含量、沥青质与软沥青质之间溶解度参数的差异。改性沥青的生产过程中，通常在高温下将聚合物机械破碎为微米级的颗粒，高度分散在沥青中，导致体系总表面能显著增加。生产过程中对体系所做的功使其能量增加，以表面能的形式存在于体系中。聚合物破碎程度越高，粒子表面能越高，根据能量最低原理，体系有自发地降低表面能的趋势。

改性沥青混合料不仅有良好的路用性能，而且具有良好的经济性能，改性沥青混合料沥青路面的推广必将提高道路工程质量，提高社会效益和经济效益，应用前景广阔。