RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料路用性能及改性机理分析

刘冉冉， 程形燕

(黄河水利职业技术学院 水利系， 河南 开封　475004)



RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料路用性能及改性机理分析

刘冉冉， 程形燕

(黄河水利职业技术学院 水利系， 河南 开封475004)

[摘要]反应性弹性体三元共聚物(RET：Reactive Elastomeric Terpolymer)是一种全新的化学聚合物沥青改性剂，经RET改性后沥青的布式粘度增加，高温性能有着较为明显的提高，温度敏感性降低，抗老化能力提高，但其对沥青混合料的低温改善效果并不显著或有负面影响，为改善RET改性沥青混合料的低温抗裂性，提出采用RET与聚酯纤维复配方案，并分别以基质沥青混合料和4.5% SBS的改性沥青混合料为参照对象，深入研究了RET与聚酯纤维改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和疲劳性能，从而评价分析了RET掺量对复合改性沥青混合料路用性能的改善效果，最终基于综合路用性能试验推荐了RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料最佳的复配方案。

[关键词]路面工程； RET改性沥青混合料； 聚酯纤维； 复合改性沥青混合料； 路用性能

0前言

目前，对于最常用的聚合物改性沥青，如热塑性橡胶苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性剂因其可显著地改善沥青的高温、低温、疲劳以及耐老化等性能，而在全世界广泛使用，聚合物改性沥青的改性工艺、施工工艺以及质量监控也已经十分成熟，在市场上的占有率也最高，据调查，欧洲大部分国家以及美国超过三十五个州均有使用[1-3]。工程实践表明，聚合物改性沥青虽有众多优点，但在实体工程中仍有不少问题，以SBS改性沥青为例，首先是成本问题，SBS聚合物改性剂的价格较高，其掺量要达到一定的程度(一般不低于4%)才会有较好的改性效果；其次对于改性设备以及改性工艺要求较高，改性沥青生产设备良莠不齐，极大地影响了聚合物改性沥青的生产质量；聚合物改性沥青在高温储存过程中易发生离析，热储存稳定性不好，这直接影响了聚合物改性剂对沥青的改性效果；聚合物改性沥青受人为因素影响也较大，尤其体现在现场施工方面。对于目前聚合物改性沥青存在的种种问题，各国的研究人员都在寻求更好的改性剂，其不仅具有优异的路用性能，同时也无需复杂的加工工艺和改性设备，质量监控易于实行，其中化学改性沥青已经引起了研究人员的注意[4-7]。反应性弹性体三元共聚物(RET：Reactive Elastomeric Terpolymer)是一种聚合物沥青改性剂，RET属于热塑性塑料，但不同于普通的聚合物改性剂，它是通过溶解到热沥青中，在高温条件下与沥青中的部分活性官能团发生交联反应或直接接枝于沥青分子链上，使沥青的化学组成和化学结构从根本上发生改变，从而可以提高沥青的热储存稳定性和抗老化能力，达到永久性改性沥青的效果。RET在国外已有较多的应用，美国FM-1810公路、捷克布拉格，经过多年使用仍然具有不错的路面性能，国内对于RET改性沥青的研究和应用较少，本文针对RET改性沥青低温性能缺陷提出采用RET与聚酯纤维复配方案，并基于路用性能试验研究了RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的路用性能，研究结果对RET在国内的推广和应用具有参考价值。

1RET与聚酯纤维复合改性沥青制备

试验选用的反应性弹性体三元共聚物RET(Reactive Elastomeric Terpolymer)是美国杜邦公司推出的一种聚合物沥青改性剂，它是由乙烯主链与两种共聚物单体聚合而成的化学性弹性体[8]，外观表现为透明的粒状晶体，密度为0.95 g/m3，熔指g/10 min，熔点为72 DSC，经室内初步试验研究，初步确定其掺量为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%(占沥青质量的百分比)；沥青选用SK70#A级道路石油沥青，经检测沥青各项指标均满足规范要求。参考已有研究成果，室内试验选用试验段采用的聚酯纤维改性剂，固定聚酯纤维掺量为3‰。

RET改性沥青制备工艺如下[9-11]： a)确定所要制备的RET、聚酯纤维改性剂、基质沥青总量； b)加热基质沥青到150 ℃左右； c)以5 g/min的速率将RET加入到基质沥青中，均匀搅拌30～45 min使RET全部溶解； d)待RET全部溶解后，将RET改性加热沥青至170 ℃～180 ℃，以3 000～4 000 r/min剪切速率剪切30 min； e)加入硫磺催化剂搅拌30 min； f)以15 g/min的速率加入聚酯纤维，机器搅拌15 min，待聚酯纤维分散均匀后即可制成复合改性沥青。

2RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料配

合比设计

本文粗细集料均采用辉绿岩，根据10～15、5～10、3～5、0～3四档集料筛分结果，结合现行施工技术规程推荐的工程级配范围[12]，AC-13C混合料合成级配见表1。最佳沥青用量试验方法如同AC-13C型基质沥青混合料最佳油石比的确定方法。通过对试件物理指标、力学指标的测定，得出马歇尔试验结果见表2。

表1 AC-13沥青混合料的合成级配Table1 AC-13asphaltmixturesyntheticgrading级配通过下列尺寸(mm)的质量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075规范级配上限100100825643322518138下限100907044271810754合成级配100.094.975.248.334.426.117.412.09.55.7

表2 RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料马歇尔试验结果Table2 RETandpolyestercompositedmodifiedasphaltmixtureMarshalltestresults改性方案基质沥青1.0%RET+3‰聚酯纤维1.5%RET+3‰聚酯纤维2.0%RET+3‰聚酯纤维2.5%RET+3‰聚酯纤维2.5%聚酯纤维4.5%SBSOAC/%4.434.624.704.724.764.544.64VMA/%14.3614.7614.1314.2914.2214.5714.22VFA69.4372.4872.6773.2773.5175.5972.73VV/%4.04.04.024.04.03.954.02MS/kN8.4512.1212.5513.2213.6710.2413.14FL/mm3.212.752.602.392.572.872.34

由表2可以看出：不同的改性方式对混合料油石比的影响各不相同，与基质沥青混合料相比，RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的最佳油石比有所提高，且随着RET掺量增大，最佳油石比提高的幅度更加明显。

3RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料路

用性能

3.1高温稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的要求，分别对不同RET掺量的复合改性沥青、聚酯纤维、SBS改性沥青混合料进行车辙试验，以验证各改性沥青混合料的高温性能[12]。按照要求成型300 mm×300 mm×50 mm的标准车辙板试件，在60 ℃±1 ℃的恒温烘箱中保温不少于5 h，但是不能超过24 h，车辙试验的温度为60 ℃，轮压为0.7±0.05 MPa，行走速度为42±1次/min[12]，试验时的行走方向要与成型车辙板时的碾压方向一致，车辙试验结果见表3所示。

表3 RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料车辙试验结果Table3 RETandpolyestercompositemodifiedasphaltmixtureruttingtestresults试验类别基质沥青1.0%RET+3‰聚酯纤维1.5%RET+3‰聚酯纤维2.0%RET+3‰聚酯纤维2.5%RET+3‰聚酯纤维3‰聚酯纤维4.5%SBSd60min/mm13.5472.2261.9521.7911.5993.2091.61423.7022.2341.9501.9321.7253.1941.73833.5171.8942.0041.9331.8883.3171.901平均3.5892.1181.9351.8851.7373.2401.751DS/(次·mm-1)115793781503157066330233460762235135454838525364962158654231663389952465602673519976481平均1864374150385520652021636366

由表3试验结果可知： ①相同聚酯纤维掺量，随着RET 掺量的增大，复合改性沥青混合料的车辙深度减小幅度增大，动稳定度增大幅度显著提高，相比3%聚酯纤维改性方案，1.0%、1.5%、2.5%RET掺量可使聚酯纤维改性沥青混合料的车辙试验动稳定度分别提高72%、133%、155%、201%，可见RET的掺加显著提高了沥青混合料的高温稳定性，改善了沥青路面的抗车辙性能，RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度均满足特重交荷载动稳定度大于3 000次/mm的要求。分析其原因，加入RET后沥青的重均分子量、数均分子量和分散系数均有不同程度明显的提高，分子链段产生相对位移或整个分子的运动较难，沥青的胶体结构形态会发生改变，因此在微观上抵抗剪切变形能力越强。 ②相比SBS改性沥青混合料，1.5%RET+3.5%聚酯纤维的复合改性沥青的动稳定度略低于 4.5%SBS改性沥青混合料，2.5%RET掺量下RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的动稳定度甚至超过了4.5%SBS改性沥青混合料。RET改善沥青混合料高温稳定性机理主要是：RET改性剂与沥青发生化学反应形成链状结构，RET改性沥青中的链状结构相互连接，同时分布也比较均匀，相容性较好，形成立体的网状结构，对于沥青来说，相当于有加筋的作用，同时沥青中的轻质组分参与化学反应，整个结构稳定性增强，从而可以改善沥青的高温稳定性[13，14]。

3.2RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料低温抗裂性

本研究采用三分点小梁弯曲试验评价RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的低温破坏应变、破坏强度和破坏劲度模量。根据JTG E20—2011中的要求成型车辙板，切割为30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件，试验前将试件放在恒温环境箱中在-10 ℃下保温6 h，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果如表4所示。

试验结果表明： ①随着RET掺量增大，RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料抗拉强度和最大弯拉应变均呈先增大后减小的变化趋势，2%RET掺量时弯拉应变达到最大值3 645.37 με； ②相比基质沥青混合料最大弯拉应变2 205.13 με，1.0%、1.5%、2.0%、2.5%RET掺量下RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料弯拉应变分别提高了53%、54.4%、65.3%、59.4%，RET与聚酯纤维复配后复合改性沥青混合料最大弯拉应变满足规范所有地区的低温抗裂性要求。分析其原因，当聚酯纤维加入到沥青混合料中后，经搅拌均匀后在沥青基体中相互搭接，形成一个连续的桥接加筋网，纤维在沥青混合料中充分发挥了加筋功能，起到了很好传力、消散力的作用，两者之间的协调变形能力很强，使混合料中的集中应力分布扩散得更均匀[13-15]； ③与4.5%SBS改性沥青混合料相比，2.5%RET掺量的改性沥青混合料最大弯的抗弯拉强度和最大弯拉应变均远小于SBS改性沥青混合料，但2.0%RET+3‰聚酯纤维、2.5%RET+3‰聚酯纤维复配方案下复合改性沥青混合料的最大弯拉应变可与4.5%SBS改性沥青相媲美。

表4 RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料低温弯曲试验结果Table4 RETandpolyestermodifiedasphaltmixturecompositecryogenicbendingtestresults改性方案基质沥青1.0%RET+3‰聚酯纤维1.5%RET+3‰聚酯纤维2.0%RET+3‰聚酯纤维2.5%RET+3‰聚酯纤维2.5%RET4.5%SBS抗弯拉强度/MPa8.1510.6411.0711.7911.6410.6412.76最大弯拉应变/με2205.133375.083404.633645.373515.762415.343945.73弯曲劲度模量/MPa3695.923152.513251.453234.243310.814405.183233.88

3.3RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料水稳定性

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求用击实法成型马歇尔试件(正反50次/面)，随机平均分成两组，一组放置在25 ℃水浴中保温2.5 h测其劈裂强度，另一组先在25 ℃水中0.09 MPa真空压力下饱水15 min，常压下浸泡30 min，之后放入-18 ℃±2 ℃的冰箱中冷冻16±1 h，放入60 ℃恒温水浴中保温24 h，最后放入25 ℃水浴中浸泡至少2 h后测其劈裂强度，以两组试件劈裂强度平均值的比值TSR作为评价指标，试验结果如表5所示。

表5 RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料冻融劈裂试验结果Table5RETandpolyestermodifiedasphaltmixturecompositethawsplittingtestresults改性方案基质沥青1.0%RET+3‰聚酯纤维1.5%RET+3‰聚酯纤维2.0%RET+3‰聚酯纤维2.5%RET+3‰聚酯纤维2.5%RET4.5%SBSRT1/MPa0.971.151.221.271.371.281.34RT2/MPa0.8080.9961.0761.1321.241.1441.198TSR/%78.186.788.289.190.589.489.5

表5试验结果表明：与基质沥青混合料相比，1%、1.5%、2%、2.5% RET掺量的复合改性沥青混合料冻融后的劈裂强度比分别提高了1.28、1.33、1.40、1.47倍，可见随着RET掺量的增大，RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的水稳定性提高，RET与聚酯纤维复合改性方案能够改善沥青混合料的水敏感性；2.0%RET+3‰聚酯纤维改性方案下复合改性沥青混合料的冻融前后劈裂强度、TSR均可与4.5%SBS改性沥青混合料相媲美，此外，RET掺量达到2.5%后，复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度和TSR远大于SBS改性沥青混合料。

3.4RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料耐久性

RET改性沥青及其混合料在我国的发展处于起步阶段，其路用性能耐久性仍然未得到验证，导致在使用时难免存有疑虑，本文采用三点加载小梁疲劳试验评价RET改性沥青混合料的抗疲劳耐久性，并将其与基质沥青、聚酯纤维改性沥青、4.5%SBS改性沥青混合料进行了对比。小梁疲劳试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定轮碾法成型并切制成4 cm×4 cm×25 cm试件，疲劳试验条件如下：

加载波形和频率：10 Hz连续式正弦波，不插入间歇时间；

加载方式：中点加载，有效间距20 cm，应力控制方式；

试验环境：15 ℃保温箱；

应力水平：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5共5个应力比；

图1　RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料疲劳试验双　　　对数拟合结果Figure 1　RET and polyester modified asphalt mixture composite 　　　double logarithmic fitting fatigue test results

从图1拟合结果可以看出：混合料的疲劳试验参数K值从高到低依次为2.5%RET+3‰聚酯纤维、4.5%SBS、2.0%RET+3‰聚酯纤维、1.5%RET+3‰聚酯纤维、1.0%RET+3‰聚酯纤维、聚酯纤维 改性沥青、基质沥青混合料，n值与K值的变化规律相反。K值越大，疲劳曲线的线位越高，表明混合料的疲劳寿命越大，由此可知：RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的疲劳寿命远大于聚酯纤维改性沥青混合料以及基质沥青混合料。在四种复合改性沥青混合料中，随着RET改性剂掺量的增大，疲劳试验双对数拟合曲线K值增大，n值减小，2.5%RET+3‰聚酯纤维改性方案下的复合改性沥青混合料疲劳寿命甚至要高于SBS，可见RET与聚酯纤维复合改性方案可显著提高沥青混合料的抗疲劳性能。分析RET与聚酯纤维复合改性沥青的改性机理，RET与沥青分子中的活性位(羟基、亚胺基、巯基)发生反应，使得沥青质团簇被打破，沥青质在沥青软组分中的分散度得到增强，分散的沥青质之间可以形成稳定的空间网络，从而使沥青的复合模量提高，其弹性行为也得到改善，疲劳寿命提高[16]。此外，RET改性沥青沥青混合料中加入纤维后，纤维均匀分布，在集料与沥青间产生许多细小的加筋网。加筋网是一种网孔结构，对网孔范围内的沥青混合料可以起到一种“箍锁”作用，克服沥青混合料中颗粒间的错位与移动。并且当因荷载作用而出现裂纹延伸至加筋网时，加筋网则变成一种隔离层，把受损区域进行隔离，使裂纹的变形受到约束，阻碍了裂纹的继续发展；此外因纤维自身具备较好的柔韧性，加筋网可以承受来自横向与纵向的推挤力和拉力，外力荷载作用时，加筋网的“箍锁”和隔离功能可以大幅减小应力集中，阻止反射裂缝的产生和发展，减小沥青路面的表面弯沉，增强沥青路面的高温抗车辙性能，并同时增加沥青路面的整体性和刚度。

4结论

① RET与聚酯纤维复合改性方案能够显著改善基质沥青、聚酯纤维改性沥青混合料的高温稳定性，且随着RET掺量增加，复合改性沥青混合料车辙试验60 min总变形量减小，车辙试验动稳定度增大，相比SBS改性沥青混合料，1.5%RET+3‰聚酯纤维、2.0%RET+3‰聚酯纤维复合改性方案下的复合改性沥青混合料动稳定度可与4.5%SBS改性沥青混合料相媲美，2.5%RET掺量下RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的动稳定度甚至超过了4.5%SBS改性沥青混合料。

② 随着RET掺量增大，RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料低温性能改善效果并不明显，复合改性沥青混合料的低温性能主要取决于聚酯纤维，从低温抗裂性角度出发，复合改性沥青适宜的RET掺量为1.5%-2.0%。

③ 随着RET掺量增大，RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料冻融前后劈裂强度和TSR均明显提高，RET掺量达到2.5%后，复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度和TSR远大于SBS改性沥青混合料。

④ RET与聚酯纤维复合改性剂可显著改善沥青混合料的抗疲劳性能，且随着RET掺量增大，双对数疲劳曲线拟合斜率减小，截距增大，2.5%RET掺量下RET与聚酯纤维复合改性沥青混合料的抗疲劳性能可可超过4.5%SBS改性沥青混合料。

⑤ 考虑到RET掺量对复合改性沥青混合料综合路用性能的影响，RET与聚酯纤维复合改性方案可取代或部分取代SBS改性沥青，推荐适宜的复配方案为2.0%RET+3‰聚酯纤维。

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Study on the Road Performance and Modification Mechanism of RET and Polyester Composite Modified Asphalt Mixture

LIU Ranran， CHENG Xingyan

(Yellow River Conservancy Technical College of Water Resources Department， Kaifeng， Henan 475004， China)

[Abstract]RET(Reactive Elastomeric Terpolymer)is a new chemical polymer asphalt modifier，after RET modified asphalt distributed increase viscosity，high temperature performance has a more significant increase，lower temperature sensitivity，aging capacity increased.however its low temperature cracking resistance of asphalt mixture the improvement is not obvious，this article proposes the use of RET and polyester complex methods，respectively，modified bituminous asphalt and 4.5% SBS mixes as a reference object，in-depth study of the RET and polyester composite modified asphalt mixture high temperature stability，low temperature cracking resistance，water stability and fatigue performance analysis to evaluate the content of RET composite modified asphalt pavement performance improvement effect，and ultimately based on to recommend an integrated way with polyester RET complex change with performance test asphalt mixture best complex solutions.

[Key words]road engineering； RET modified asphalt mixture； polyester； composite modified asphalt； road performance

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0245—06

[作者简介]刘冉冉(1983—)，女，河南郑州人，硕士研究生，研究领域：安全工程技术。

[收稿日期]2015—01—23