交联聚乙烯改性沥青混合料水稳定性研究*

索颖浩 卜宇翔 叶群山

(1.广东冠粤路桥有限公司 广州 511400； 2.长沙理工大学交通运输工程学院 长沙 410114 )

随着我国经济的飞速发展，交通量日益增加，公路交通所承受的压力日益增大，同时在气候环境等因素的影响下，我国沥青道路遭受着不同程度的损害，导致沥青路面的寿命急剧缩减。其中由于沥青路面的水稳定性不足引起的水损害是沥青路面的典型病害之一，常常导致道路在通车投入使用前期就出现路面集料剥落形成坑槽，缩短路面使用寿命[1]。

沥青混合料水稳定性是指沥青与集料拌和后，沥青的粘附性将集料胶结成一个整体[2]。而沥青路基面的水损害是指路面在有水存在的状态下，由于水在集料表面的附着力远远大于沥青，所以当其进入沥青与集料的胶结界面后会替代沥青附着在集料表面，进而引起沥青膜剥落，最终形成破坏，降低路面强度[3]。

工程实践表明，导致沥青面层水损坏的原因主要包括沥青路面水环境、施工工艺及沥青路面材料特性[4]。其中，路面材料特性主要包括沥青的性能、集料的酸碱性、矿料的表面性质和混合料的级配类型等多个因素。而沥青的技术指标是影响混合料水稳定性的主要因素，添加改性剂会提高沥青的粘附性，有利于沥青在集料表面形成致密的沥青膜，有效阻止水分渗入。

本文所使用的交联聚乙烯改性剂是通过物理或化学方法将线性的聚乙烯分子通过共价键交联成三维空间网状结构的一种改性聚乙烯[5-8]，其材料的硬度、强度、耐磨损和抗冲击性能都得到显著的提高，而交联聚乙烯所具有的稳固的三维空间网状结构有效提升了材料的抗酸碱腐蚀与抗油腐蚀性能。因此，相较于传统聚乙烯，交联聚乙烯具有更好的耐热性、更强的机械性能及更稳定的化学性能。根据以上分析，以交联聚乙烯作为改性剂可有效改善沥青基本特性，提高沥青混合料的路用性能，有效降低路面病害发生的可能性。

1 沥青粘附性试验

1.1 沥青性能指标

本文采用埃及石化(54503)交联聚乙烯料对沥青进行改性，XLPE 的掺量分别为3%，5%，7%，通过相关试验，获得不同掺量的XLPE改性沥青的性能。其主要技术指标见表1。

表1 不同掺量XLPE改性沥青技术指标检测结果

为更直观地了解交联聚乙烯改性沥青的水稳定性，本文同时选取了3个对比组，分别为70号基质沥青、SBS改性沥青和5%PE改性沥青。其主要技术性能见表2。

表2 对比组沥青技术指标检测结果

1.2 沥青与粗集料的粘附性试验

本试验采用水煮法评价XLPE改性沥青与集料的粘附性，根据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规范要求选取粒径为13.2～16 mm的粗集料，烘干后浸入130～150 ℃的沥青中45 s，在取出并冷却至室温后放入沸水中水煮3 min，取出集料观察水煮后沥青膜脱落情况，并对其粘附性等级进行评定。

本文采用沥青膜剥落比评价各组沥青与集料的粘附性，试验结果如表3所示。

表3 粘附性试验结果

图1 基质沥青剥落试验前后对比

试验结果表明，裹覆在集料上的基质沥青和5%PE改性沥青部分脱落，因此，评定其沥青的粘附等级为4级。基质沥青在试验前的裹覆状态见图1a)，可见其表面有镜面光泽圆润，集料表面沥青膜厚度均匀；基质沥青经过水煮后的裹覆状态见图1b)，可以看出原有镜面光泽暗淡，沥青膜厚度上下不一致，且系集料的细线上裹覆了一层沥青，沥青与集料的粘附性较差。而SBS改性沥青和XLPE改性沥青，在试验前后集料表面上裹覆的沥青膜基本没有变化，沥青粘附等级均为5级。5%XLPE改性沥青的具体裹覆状态见图2。

图2 5%XLPE改性沥青剥落试验前后对比

在实验过程中，未出现沥青上浮到水面的现象，而试验前后其表面的镜面光泽和沥青油膜厚度基本一致，这表明SBS和XLPE改性剂能够增强沥青与集料的粘附性。

水煮法实验结果虽然能大致反映沥青与集料的粘附性，但仅能够区别水稳定性差别较大的沥青。对于XLPE改性沥青，通过水煮试验能够测定其与集料的粘附性较好，但是不能反映XLPE掺量对沥青粘附性的影响规律。因此，沥青油膜剥落比仅作为一个检测值，XLPE改性沥青混合料水稳定性的具体表现还需进一步研究。

2 沥青混合料水稳定性

2.1 沥青混合料级配

试验采用的级配为AC-13型，通过选取质地优良且技术性质达标的粗集料、细集料和填料以形成骨架密实结构，其级配组成见表4。同时通过马歇尔试验，可以得出基质，5%PE，SBS，3%XLPE，5%XLPE和7%XLPE改性沥青混合料的最佳油石比分别为5.2%，5.3%，5.3%，5.3%，5.2%，5.3%。

表4 AC-13级配组成

2.2 冻融劈裂试验

XLPE改性沥青混合料水稳定试验按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》冻融劈裂试验要求制备基质和各改性沥青混合料，每种混合料分为2组，每组3个试件。第1组为对照组，置于室温下保存。第2组试件经过饱水(1 h)、冷冻(16 h，(-18±2)℃)、高温融化(水浴24 h，(60±0.5)℃)3个过程，以模拟实际的沥青路面工作环境。将2组试件浸入(25±0.5)℃的恒温水浴2 h，取出后采用UTM材料试验机在50 mm/min的加载速率下加载至破坏，测定其劈裂荷载极值，计算出劈裂抗拉强度和冻融劈裂强度比，以此来评价XLPE改性沥青混合料的水稳定性。试验结果见图3。

图3 混合料冷冻劈裂前后试验对比

由图3可见，基质沥青在未经冻融的情况下，其试件破坏界面黑色部分居多，经过冻融后，其界面绝大部分为黑色，表现为沥青脱落的破坏。这表明基质沥青与集料的粘附性较差，受到水分侵蚀后，其粘附性更差。PE，SBS，XLPE改性沥青混合料在冻融前后，其界面上黑色部分有少许增加，但趋势不明显，这说明改性剂的掺入，增强了沥青与集料的粘附性，在饱水环境中，具有抵抗水浸入的能力，经改性后的沥青混合料的水稳定性较好。

冻融劈裂强度实验结果如表5和图4所示。

表5 冻融劈裂试验结果

图4 沥青混合料劈裂抗拉强度变化图

由表5和图4可见，基质沥青冻融前后的劈裂抗拉强度均为最低，分别为0.96，0.82 MPa，且下降幅度最大，达到13.9%，其水稳定性最差。通过掺入改性剂后，沥青混合料冻融前后的劈裂抗拉强度均有一定提升。其中以SBS改性沥青混合料最优，其相应强度分别达到1.22，1.12 MPa。对比3种不同掺量的XLPE改性沥青混合料劈裂抗拉强度，3%XLPE改性沥青混合料最低，仅略高于基质沥青，而5%XLPE改性沥青混合料仅次于SBS改性沥青混合料，改善效果明显。

5%PE改性沥青、SBS改性沥青、3%XLPE改性沥青、5%XLPE改性沥青、7%XLPE改性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比分别为89.2%，92.2%，87.9%，92.9%，90.8%，其中以5%XLPE改性沥青混合料的下降幅度最小。

因此，从以上2个方面分析得出，SBS改性沥青混合料用于路面铺筑初期，其水稳定性较优，但随着时间的推移，性能下降较快，而XLPE改性沥青混合料的水稳定性取决XLPE改性剂的掺量，掺量为5%其性能较好，冻融后性能降幅也较缓，与SBS沥青混合料相比，各有优势。

3 结论

1) 通过水煮法试验，较直观地表现出了经过XLPE改性后的沥青相比于基质沥青具有更加优异的粘附性。

2) 5%XLPE改性沥青混合料的劈裂抗拉强度虽略低于SBS改性沥青混合料，但5%XLPE改性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比下降幅度相对较缓。因此，与SBS沥青混合料相比，各有优势。

3) 经XLPE改性过后的沥青混合料水稳定性具有一定提升，且XLPE改性剂的掺量是影响其沥青混合料水稳定性的关键点，具体表现为随着XLPE掺量的不断增加，其混合料的劈裂抗拉强度和冻融劈裂抗拉强度比均呈先上升后下降的规律，当XLPE掺量为5%时，其混合料水稳定性最优。

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面的水损害及其防治措施[J].国外公路，2000，20(3)：1-4.

[2] 沈金安.改性沥青与SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

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[4] 彭波，李文瑛，危拥军.沥青混合料材料组成与特性[M].北京：人民交通出版社，2007.

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[6] 肖庆一. 掺加抗车辙剂沥青混合料技术性能及其数值模拟研究[D].西安：长安大学，2006．

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[8] 陆腾飞，叶群山.基于DSR的交联聚乙烯改性沥青流变性能研究[J].西部交通科技，2015(12)：15-18．