PE／TLA复合改性高模量沥青混合料的结构特性

刘艳雄，郭朋朋，栗 威

（1.河南省公路工程局集团有限公司，河南 郑州 450006；2.河南交通职业技术学院，河南 郑州 450009；3.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450006；4.长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室，湖南 长沙 410076）

0 引 言

随着中国高速公路建设规模与日俱增，超载现象及交通渠化现象越来越严重，沥青路面的耐久性能在现代交通运输发展过程中经受着严峻的考验。

针对沥青路面材料结构特性及抗车辙性能等问题，法国率先研究了高模量硬质沥青抗车辙路面并形成了相应的技术规范。近年来，中国科研工作者对高模量沥青混合料的研究也逐渐重视起来，但仍处于初期阶段，对高模量沥青路面结构的材料组成和性能评价缺乏系统的了解。邹桂莲等［1］提出了抗水损害的硬质改性沥青，并对其路用性能进行了研究，提出了改善水稳定性能的具体方法。王昊鹏等［2］采用DSR流变仪分析了高模量沥青结合料的高温性能，并提出了采用改进型车辙因子和等抗车辙因子临界温度评价高模量改性沥青的抗车辙能力。沙爱民、周庆华等［3－5］分析了法国高模量沥青混凝土设计方法与中国方法在级配类型、成型方法、配合比设计和性能验证试验等方面的差异，针对高模量沥青混合料的配合比设计进行了系统研究，并提出增加力学性能试验作为高模量沥青混合料的性能验证项目。王忠锋、崔华杰等［6－7］分析了硬质沥青、湖沥青制备高模量改性沥青的技术工艺，提出采用小梁弯曲试验和J积分试验能够较好地评价高模量沥青混合料的低温抗裂性能。

本文通过对PR高模量沥青添加剂和自主研发的PE／TLA添加剂进行对比，采用不同的试验方法对PE／TLA高模量沥青混合料结构特性进行研究，分析温度、频率、应变水平等参数对结构特性的影响规律，并验证路用性能，为高模量沥青添加剂的研发和设计提供参考。

1 试验材料及方案

1.1 原材料的选择

试验选择壳牌70＃基质沥青作为基质沥青，添加剂分别选择湖沥青（TLA）、SBS改性剂、PE改性剂，以及法国PRR改性剂，以制备成品高模量沥青，其各项检测指标均符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的相关要求，试验结果见表1～3。集料选择花岗岩，矿粉以石灰岩研磨而成，其技术指标均满足规范要求。

1.2 试验方案

本文通过采用不同类型改性剂材料生产高模量沥青，并对其进行路用性能研究，具体方案如下。

（1）高模量沥青制备。采用湿法制备高模量沥青，首先将基质沥青加热至160℃～170℃，选择高速剪切乳化机保持转速15 000～20 000r·mim－1持续剪切60min，剪切搅拌过程中均匀加入PE、TLA等添加剂（5～10min完成），剪切温度可依据沥青流动状态提高5℃～10℃；剪切搅拌完成后，置于烘箱中恒温100℃～120℃静态发育30min。

表1 TLA技术指标

表2 PR和PE技术指标

表3 SBS改性剂（星型）技术指标

（2）选择沥青路面中面层结构，以AC-20为研究对象，合成级配见表4。试件采用马歇尔试验方法成型，拌合温度为175℃～180℃，搅拌时间为70 s，成型温度控制在170℃～175℃。

（3）试验方法选择。结合相关文献研究成果，本文选择静态模量和动态模量指标评价混合料的高模量特性，利用最大弯拉应变指标评价低温抗裂性能，根据疲劳作用次数指标分析抗疲劳效果，利用累积总变形指标和残留强度指标分析高温抗车辙性能、水稳定性能。

表4 AC-20级配设计

2 试验结果与分析

2.1 抗压回弹模量分析

通过对高模量沥青混合料的抗压回弹模量进行分析评价3种材料的结构特性。试验结果见图1、2。

图1 抗压回弹模量与动态模量试验结果

图2 三种高模量沥青混合料的动态模量变化（60℃）

由图1、2可知以下几点。

（1）高模量沥青混合料的抗压回弹模量和动态模量值均高于SBS改性沥青混合料，其中掺加PE／TLA改性剂的沥青混合料模量值大于PR改性沥青。这说明采用自主研发的高模量添加剂能够使基质沥青改性达到高模量沥青的技术要求，且材料结构的模量值高于PR改性沥青。PE／TLA高模量沥青混合料的抗压回弹模量和动态模量值相较于SBS改性沥青提高了约47%和46%（15℃）；随着温度的升高，抗压回弹模量呈下降趋势，其中SBS改性沥青混合料降低幅度最大，PR改性沥青次之，PE／TLA最小。这说明PE／TLA高模量沥青混合料受温度影响较小。

（2）随频率的增加，高模量沥青混合料的动态模量值呈指数函数关系增加，即在车辆速度增加的过程中，高模量沥青混合料的性能接近于弹性，其模量值较高；当频率降低（车速下降），高模量沥青混合料的模量较低，材料接近黏性，对路面结构的变形产生不利影响［8］。其中，SBS改性沥青混合料动态模量值变化幅度较大，PE／TLA改性沥青和PR改性沥青的模量值变化较为均衡，且PE／TLA改性沥青的动态模量值高于PR改性沥青。如，荷载作用频率在1Hz时，PE／TLA改性沥青的动态模量值是SBS改性沥青的6.18倍，是PR改性沥青的4.77倍。由此可知，PE／TLA高模量沥青混合料的高温抵抗变形能力优于PR高模量沥青混合料。

2.2 低温抗裂分析

本文采用小梁低温弯曲试验对高模量沥青混合料的低温性能进行评价，温度选择－10℃，加载速率为50mm·min－1，试验结果见图3。分析图3可知以下几点。

图3 最大弯拉应变和极限劲度模量试验结果

（1）高模量沥青混合料的低温抗裂性能低于SBS改性沥青混合料，PE／TLA和PR改性剂一定程度上降低了混合料的低温性能，PE／TLA沥青混合料最大弯拉应变降低约5.2%，PR混合料降低约9.5%，但二者的最大弯拉应变值仍满足规范要求。这主要因为PE改性剂与沥青中的石蜡基具有良好的相溶性，而湖沥青（TLA）的加入一定程度上也提高了沥青的刚度，降低了沥青混合料的低温韧性。

（2）与弯拉应变指标相比，极限劲度模量的劣化程度更为显著，尤其对于PR高模量沥青混合料，其劲度模量值降低了46.7%，而PE／TLA沥青混合料降低了约11%。这说明采用自主研发复合改性剂PE／TLA的高模量沥青混合料的低温抗裂性优于PR高模量沥青混合料。

2.3 疲劳-累积耗散能分析

以沥青混合料的疲劳性能作为推荐耐久性沥青路面结构的重要参考之一，对路面结构中、长期性能进行研究［9－11］。试验荷载作用频率选择10Hz（模拟行车速度60～65km·h－1），温度为15℃，应变水平分别为200、400、600（10－6），以劲度模量劣化降低到初始值的50%作为疲劳破坏的标准，试验结果见图4、5。

图4 累积耗散能指标与应变的关系曲线

图5 累积耗散能和疲劳作用次数试验结果

由图4、5可知以下几点。

（1）高模量改性剂对沥青混合料累积耗散能影响显著，掺加PE／TLA的高模量沥青混合料累积耗散能值最大，SBS沥青混合料次之，PR高模量沥青混合料最小。这说明掺加改性剂提高了沥青混合料的累积耗散能。与SBS沥青混合料相比，PE／TLA高模量沥青混合料的累积耗散能提高了约80.5%。

（2）SBS改性沥青混合料的疲劳寿命最佳，PR高模量沥青混合料最差，掺加高模量改性剂降低了沥青混合料的抗疲劳性能，疲劳寿命作用次数显著降低；与SBS改性沥青相比，PE／TLA和PR沥青混合料的疲劳作用次数分别降低了6.5%和23.5%。

（3）随应变增加，累积耗散能呈幂函数关系下降。其中，PE／TLA高模量沥青混合料的劣化程度最为显著，降低了约83.6%，PR高模量沥青混合料降低约82.8%，SBS改性沥青混合料降低了78.0%，由此可见高模量沥青混合料受应变劣化效果更为显著。

2.4 高温累积变形分析

鉴于高模量沥青混合料具有良好的高温稳定性，为辨析温度对其产生的影响，温度选择60℃、70℃，采用累积变形指标进行分析，试验结果见图6。由图6可知以下几点。

图6 不同温度下累积变形随作用次数变化

（1）高模量添加剂种类、温度及作用次数等因素均对混合料累积变形产生显著影响，随作用次数的增加，沥青混合料累积变形呈对数函数关系增加；随温度的增加，累积变形值呈下降趋势。其中，SBS改性沥青混合料累积变形值最大，PR沥青混合料次之，PE／TLA沥青混合料最小，作用次数为3 500次时，3种沥青混合料累积变形值分别为1.55、1.3、1.08mm。

（2）PE／TLA高模量沥青混合料受作用次数影响幅度最大，PR沥青混合料次之，SBS沥青混合料最小。这说明PE／TLA沥青混合料对荷载作用频率具有较强的敏感性，作用次数为3 500次时的累积变形值分别提高了120%、88%和55%（60℃）。

（3）随温度的增加，SBS改性沥青混合料的累积变形所受影响较大，PR沥青混合料次之，PE／TLA沥青混合料最小。70℃时，3种沥青混合料的累积变形值分别提高了167%、158%和143%。这说明高模量改性沥青在70℃时仍具有较高的抗车辙能力，累积变形值远低于SBS改性沥青混合料，与60℃相比，累积变形值分别增加了4.67、2.67、2.0mm。

2.5 残留强度比分析

选择冻融劈裂试验对高模量沥青混合料的抗水损害能力进行评价，试验结果见图7。由图7可知，掺加高模量添加剂一定程度上降低了沥青混合料的残留强度比，劣化了水稳定性能，其中SBS和PR混合料的残留强度比较好，PE／TLA沥青混合料的劣化程度最严重。PE／TLA沥青混合料冻融劈裂后的残留强度为85.6%，降低了7.3%（与SBS改性沥青相比）。这说明PE／TLA高模量添加剂降低了沥青混合料抗水损害能力，但仍满足规范要求（≥75%），建议具体施工过程中采用添加抗剥落剂等技术措施进行改善。

图7 残留强度比试验结果

3 结 语

（1）PE／TLA高模量添加剂显著提高了沥青混合料的抗压回弹模量和动态模量，具有优良的高温稳定性能、高温抗车辙和抗疲劳性能，对沥青混合料的低温抗裂性能、水稳定性能具有一定的劣化作用，尤其对水稳定性能影响更为明显，但PE／TLA高模量沥青混合料路用性能各项指标均满足规范要求。

（2）PE／TLA高模量沥青混合料具有较低的温度敏感性，随温度的上升，抗压回弹模量呈缓慢下降趋势；随荷载作用频率的增加，动态模量值呈指数函数关系变化；高温累积变形随荷载作用次数增加而显著提高。

（3）PE／TLA高模量沥青混合料低温破坏所需的累积耗散能显著增加，提高了约80.5%，而疲劳寿命作用次数有所下降（与SBS改性沥青混合料相比）。