直投式沥青混合料改性剂及其作用机理

刘 宁

(青海省公路科研勘测设计院，青海 西宁 810001)

0 引 言

随着中国公路事业的高速发展，沥青路面因其行车舒适性好、养护维修方便等优点，已逐步发展成为高等级公路的主要路面结构形式。近年来交通量迅速增长，车辆大型化、超载化及渠化现象日益突出，对沥青路面材料的技术性能提出了更高的要求[1]。现阶段通常采用对沥青改性的方法提高沥青路面的使用寿命，延缓大修时间，但常用的剪切机改性法制得的沥青存在易老化、储存稳定性差、改性工艺复杂等缺点[2]。直投式改性沥青剂不需要高温剪切改性，可直接投入锅中与集料干拌，然后再加入沥青湿拌，改性工艺简单，且提高了混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性，已成为国内外研究者关注的热点[3]。

直投式沥青改性剂按材料组成分为纤维类和高模量剂类。纤维类主要包含天然木质素纤维、玄武岩矿物纤维及聚丙烯腈纤维；高模量剂类主要有法国生产的PR-M和PR-S、德国生产的Duroflex及辽宁交通科学研究院生产的路宝。工程应用表明，在一定掺量范围内，直投式沥青改性剂的改性效果比SBS更优异[4]。本文通过分析2类直投式沥青改性剂的特点、作用机理及其对沥青混合料性能的影响，为直投式沥青改性剂的选用和性能优化提供参考。

1 纤维类直投式沥青改性剂及其混合料性能

1.1 木质素纤维改性剂及其混合料性能

天然木材经过物理、化学处理得到的木质素纤维一般呈絮状或松散状[5]。 通过扫描电镜观察木质素纤维的微观结构，发现其总体上呈纤维状网络结构，多枝相互搭接缠绕，表面粗糙、凹凸不平，多孔，质地松散，多为带状、弯曲状，交叉处是扁平的，化学性质相对稳定，难以被一般的酸、碱腐蚀，有良好的韧性、分散性和非常优秀的增稠抗裂性能，是一种环境友好型、经济适用型材料[6]。但是，木质素纤维较多的孔结构使其易吸水腐烂，耐磨耐热性差，在搅拌过程中需要更多的沥青填充孔径，导致沥青混合料的高温性能下降；增加沥青用量使吸附在矿料上的沥青膜变厚，沥青与集料的黏结作用力及沥青与集料界面膜抵抗水分剥离作用的能力增强,沥青混合料的抗水损害能力提高[7]。由于纤维具有抗拉能力，掺加纤维的沥青混合料在受到张拉应力时，将部分张拉应力传递给纤维，延迟沥青混合料的开裂时间，提高了其低温抗裂性能[8]。为使混合料的各项性能达到均衡，需要选择合适的沥青掺量。

1.2 玄武岩矿物纤维改性剂及其混合料性能

玄武岩纤维是以天然的基性玄武岩矿石为原料，将其破碎后加入到1 450 ℃～1 500 ℃熔窖中熔融，通过铂铑合金拉丝漏板等加工工艺制成的一种高性能无机矿物纤维。玄武岩纤维制造工艺复杂，生产难度和成本较高，在道路材料中应用的时间比较短，应用规模有限。但与其他路用纤维相比，玄武岩纤维具有良好的耐热性能、耐腐蚀性能和抗老化性能，抗拉强度高，不吸水，不易受潮[9]。通过扫描电镜观察，玄武岩矿物纤维一般以单根或集束状分布，单根纤维形态多呈圆柱状或长方体状，表面较光滑，直径一般在1～50 μm之间[10]。集束状的纤维受生产加工过程中处理工艺或环境条件变化的影响，呈杂乱无章状态分布，直径和长度也都不相同。

玄武岩纤维在沥青混合料中的掺量有一个临界值，当小于临界值时，掺入的矿物纤维可以充分分散于沥青混合料中，相互交错、搭接形成稳定的空间网架结构，增强沥青的黏弹性，矿物纤维较高的韧性还可以在沥青混合料中形成加筋作用，有效分散温度应力，避免应力集中，延缓开裂发展，从而提高沥青混合料的高温抗变形能力[11]。但是，当掺量超过这一临界值时，矿物纤维以结团的形式混乱分散于混合料当中，不能形成稳定的网络结构，集料与结合料的摩擦力减小，分散温度应力的作用减弱，沥青混合料的高温稳定性降低。矿物纤维在混合料中均匀分散，可吸收沥青中的轻质油分，使结构沥青的比重增加，沥青结合料的黏稠度增大，沥青与矿料之间的黏结力增强；矿物纤维形成的网架结构能增强混合料的力学强度，沥青混合料的抗水损害能力大幅度提高。

1.3 聚丙烯腈纤维改性剂及其混合料性能

聚丙稀腈纤维是由85%以上的丙稀腈与其他第二、第三单体均聚或共聚，经湿法纺丝合成制得。丙稀腈单体聚合成的聚丙稀腈纤维分子链中含有大量的电负性较大的氰基，使丙稀腈均聚大分子刚性较大，因此聚丙稀腈纤维有强度高、模量高、耐酸碱腐蚀、化学性能稳定和分散性好的特点，被广泛应用在公路工程领域[12]。在扫描电镜下观察到聚丙稀腈纤维的长度和直径都比较均匀，分别为6 mm、18 μm；横截面近似为圆形，沿纤维纵向具有粗糙且明显的结构表面，能增强与沥青之间的握裹力或黏结力；纤维的端部具有比较明显的“突起”，有利于相互搭接。聚丙烯腈纤维的微观结构特点验证了其在沥青混合料中表现出的稳定、加筋和吸油作用，从而提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。当纤维超过一定掺量时，在混合料中分散的均匀性变差，部分纤维结团形成薄弱区，混合料容易离析，高温稳定性、低温抗裂性变差，水稳定性降低[13]。

1.4 纤维混合料的作用机理

纤维在一定掺量范围内时可以均匀分散在沥青混合料中，大多数呈三维网络状，少数以单根或单束分布，在搅拌的过程中相互移动、挤压、搭接，形成一个相对稳定的空间网络状结构。混合料受到外部荷载时，网络结构相互挤压、位移，使路面整体形成一个稳定的空间体系，反过来阻碍矿质材料的相对运动[14]。

纤维沥青混合料中的纤维通过基体来传递荷载，混合料受到外力作用时，首先传递给矿质材料，随着荷载的增大，将会传递到沥青与集料的界面处，界面处的剪切应力传递给纤维，纤维受拉产生拉伸变形。由于纤维本身的劲度模量较大，弹性恢复能力较强，作用力减小或消失后，纤维就会发生弹性回复变形，使得沥青混合料路面的裂纹自愈合能力得到提高；纤维的凹凸不平及其对沥青的吸附作用，使沥青与矿料界面的黏附力增大，减少低温下裂缝的产生。添加纤维后混合料的空隙率有所减小，这样就进一步减小水分进入混合料内部的几率，降低水分对沥青与矿料界面产生的破坏，提高沥青混合料抗水损害的能力。

2 高模量剂类直投式沥青改性剂及其混合料性能

2.1 PR-module直投式沥青改性剂及其混合料性能

PR-module是由法国公司生产的一种黑色、固体颗粒状的沥青混合料添加剂，直径大约5 mm，密度为0.91～0.965 g·cm-3，熔点为140 ℃～150 ℃，其中95%为纤维聚合物，5%为填充物。PR-module是一种直投式沥青改性剂，会对沥青混合料产生加筋和胶结作用，使沥青和集料之间的黏结力增大，沥青混合料的动稳定度随改性剂掺量的增大逐渐提高，掺量越多加筋作用和胶结作用越明显，动稳定度越大[15]。沥青混合料的抗弯拉强度和弯拉应变随PR-module掺量的增大先增大后减小，当PR-module掺量小于临界值时，掺量越多，沥青和矿料之间的黏结力越大，沥青结合料的弹性变形越好，混合料的低温抗裂性越优异；当掺量高于临界值时，PR-module在混合料中分布不均匀，多余的PR-module会撑开混合料的骨架，导致混合料内部出现较多的薄弱点，在外力作用下薄弱点因应力集中而失稳破坏，混合料的低温抗裂性变差，水稳定性降低[16-17]。在一定范围内增大PR-module的掺量，一方面可填充混合料中的部分孔隙，提高密实度；另一方面增大沥青的黏度和沥青混合料的黏结力，能提高沥青混合料的水稳定性。

2.2 Duroflex直投式沥青改性剂及其混合料性能

Duroflex加入混合料中可形成分散的聚合物晶体，使沥青的黏稠度和黏聚力增大，同时矿料颗粒和沥青胶浆之间形成聚合体搭桥，沥青混合料的抗车辙能力和沥青路面的高温稳定性提高，高温条件下抵抗行车荷载反复作用产生的沥青路面变形能力增强。Duroflex添加剂含有的聚合物成分，能使Duroflex沥青混合料具有和SBS改性沥青混合料同样的低温抗裂能力；含有的纤维素成分呈三维网状随机分布，对混合料的开裂起到阻滞作用，提高沥青路面裂纹的自愈能力，减少裂缝的出现。Duroflex可与沥青之间形成界面过渡层，过渡层黏度较大、极性较强，一侧与石料紧密黏结，另一侧与沥青极性相吸，过渡层与沥青通过高温熔合、渗透、扩散，形成极性由强到弱、黏度由大到小、没有明显分界的渐变胶结料膜。这种胶结料膜具有极性更强的表面活性物质，与纯沥青相比，对集料的吸附作用更强，使沥青和Duroflex共同构成的胶结料与集料的黏聚力更大、黏附性更好[18]。Duroflex与沥青的相溶性较好， Duroflex在高温下均匀地分散于沥青中，在与集料搅拌的过程中，仅有部分Duroflex裹覆在集料表面，另一部分在剪切、摩擦、撞击等综合作用下变成小颗粒，形成新的胶浆体系，增大沥青的黏结能力，提高沥青混合料的水稳性能。

3 直投式沥青改性剂的研究趋势

(1)性能突出、经济环保的直投式沥青改性剂的研制。根据不同地区沥青路面的性能要求，基于改性剂本身物化特性和对混合料的改性机理，使用新材料、新工艺研制高效、经济、环保、施工工艺简单的直投式沥青改性剂是今后技术发展的方向。

(2)改性剂在极端地区路面的应用。直投式沥青改性剂根据自身的特性可应用于寒区、热区、高原高海拔、强降雨区路面，发挥自身特有的改性效果。

4 结 语

本文分析了国内外直投式沥青改性剂的特点及其对混合料的改性机理，论证了直投式沥青改性剂能显著改善沥青混合料的性能。结合路用性能、经济环保性、可操作性、耐久性等指标，提出今后改性剂的研发应以高性能、经济、环保为核心，以聚丙烯腈纤维类改性剂为研究重点。基于直投式改性材料的物化特性，结合各地区对沥青路面性能的要求，应重点研究直投式沥青改性剂在极端环境地区路面的应用。