高模量沥青改性剂在武汉江北快速路中的应用

郭 鹏，邓 成，孙 聪，方四发，熊子佳，洪锦祥

(1.武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430023； 2.武汉市市政路桥有限公司，湖北 武汉 430015；3.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103)

0 引 言

使用高模量沥青混凝土是修筑高品质沥青路面的技术途径之一，最早起源于法国，中国在2001年引进了高模量的概念，经过十几年的发展研究和技术攻关[1-5]，已有小范围的推广应用。通常提高沥青混合料模量的方法主要有2种：一种是采用低标号的沥青；另一种是在沥青混合料中添加改性剂[6]。由于低标号沥青不具有普适性，应用不便，阻碍了高模量沥青路面的发展。因此笔者通过将硬质沥青与高分子聚合物复合，自主开发了MA103C高模量改性剂。本文以武汉江北快速路新建工程为依托，通过对沥青的高、低温性能及沥青混合料的动态模量、车辙、低温弯曲、水稳定性能进行试验分析，对比研究不同高模量沥青改性剂的综合性能。

1 试验原料与方法

1.1 原材料

(1)基质沥青。基质沥青选用70#重交石油沥青，其主要技术指标如表1所示。

表1 基质沥青的性能指标

(2)矿料。采用武汉的石灰岩集料和矿粉，基本性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

(3)高模量改性剂。自主研发的MA103C高模量改性剂是将硬质沥青、弹性体和少量无机材料复合，配合增溶助剂，通过熔融、挤出、造粒而成。另外选取了市售的国产高模量改性剂A、B、C与之进行性能对比。

1.2 制备方法

(1)改性沥青。将基质沥青置于135 ℃的烘箱中1 h，使沥青流动度较好。称取一定质量基质沥青加入搅拌锅，在油浴中一边搅拌一边升温至170 ℃，缓慢分批次加入7.1%掺量(占沥青质量百分比)的高模量沥青改性剂。选取高模量改性剂掺量为7.1%，是为了和混合料中的掺量保持一致，方便数据对比。以350 r·min-1的速度搅拌10 min，用上海弗鲁克FM300高速剪切机以4 500 r·min-1的速度搅拌30 min，即得到高模量改性沥青。

(2)改性沥青混合料。混合料级配类型为AC-20，油石比为4.4%，级配见表2。集料加热温度为175 ℃，沥青加热温度为140 ℃，混合料拌合温度为175 ℃。改性剂掺量是沥青混合料质量的0.3%。

表2 AC-20沥青混合料的配合比

1.3 试验方法

(1)改性沥青基本性能测试。软化点、5 ℃延度均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的试验方法进行：拉伸速度为10 mm·min-1，其中拉伸柔量f通过延伸度D除以拉伸峰值拉力Fmax得到；多应力重复蠕变恢复试验(MSCR)采用Anton Paar公司生产的MCR102型动态剪切流变仪(DSR)执行，测试温度为60 ℃，先在100 Pa应力水平下试验，再提高至3 200 Pa测定平均弹性恢复率，每个蠕变周期加载1 s，卸载9 s，重复10个周期。

(2)混合料动态模量测试。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求旋转压实成型直径150 mm、高170 mm的圆柱体试件，取芯、切割成直径100 mm、高150 mm的试件。采用IPC UTM-30型试验机，在无侧限条件下测试所需温度和加载频率下的动态模量。

(3)混合料车辙试验。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求成型车辙板，尺寸为长300 mm、宽300 mm、高50 mm。采用QCZ-2型全自动车辙试验仪测试动稳定度和最大车辙深度。试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，橡胶轮碾压速度为(42±1)次·min-1。

(4)混合料低温弯拉性能试验。采用UTM-30型材料试验系统，数据由系统自动采集。通过检测-10 ℃、加载速率50 mm·min-1时沥青混合料的弯拉强度、破坏应变和破坏劲度模量等指标，来评价沥青混合料的低温拉伸性能。

(5)混合料水稳定性试验。采用冻融劈裂强度比指标表征，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)。

2 高模量改性剂对沥青胶结料性能的影响

2.1 沥青高温稳定性能

高温稳定性能是沥青路用性能的重要方面，尤其是沥青路面抗车辙能力的重要影响因素。试验采用软化点、MSCR蠕变应变量2个指标来评价改性沥青的高温稳定性能。软化点越大或者MSCR蠕变应变量越小，沥青的高温性能越好。图1为掺加高模量改性剂的沥青软化点和蠕变应变测试结果。J表示70#基质沥青。从图1可以看出，基质沥青掺加MA103C高模量改性剂后，软化点提升为原来的2.1倍，3.2 kPa条件下的蠕变应变也大幅降低至原来的4.5%，高温稳定性能非常明显地增强。从不同高模量改性剂对比的结果来看，自主开发的高模量改性剂MA103C高温稳定性能虽不是最好，但属于上游水平。

图1 掺加高模量改性剂的沥青软化点和蠕变应变测试结果

2.2 沥青低温抗裂性能

低温抗裂性能也是沥青路用性能的重要组成部分，它对沥青路面抵抗开裂具有重要影响。试验采用5 ℃延度、拉伸柔量指标来评价改性沥青的低温抗裂性能。通常来说，5 ℃延度越大或拉伸柔量越大，说明改性沥青的低温抗裂性能越好。图2为掺加高模量改性剂的沥青5 ℃延度和拉伸柔量测试结果。从图2可以看出，基质沥青掺加高模量改性剂MA103C后，5 ℃延度增加为原来的3.3倍，拉伸柔量提高为原来的4.3倍，低温抗裂性能显著提升。从不同高模量改性剂对沥青低温性能的改善效果来看，自主开发的高模量改性剂在同类产品中是最优的。

图2 掺加高模量改性剂的沥青5 ℃延度和拉伸柔量测试结果

3 高模量改性剂对沥青混合料路用性能的影响

为了评价不同高模量改性剂对混合料综合性能的影响，对沥青混合料进行了以下试验。

3.1 动态模量和动稳定度测试

通过试验测试了掺加不同高模量改性剂的AC-20混合料的动态模量和动稳定度，图3为45 ℃、10 Hz条件下的动态模量。可以看出，普通AC-20沥青混合料的动态模量为1 343 MPa, 掺加0.3%高模量改性剂MA103C后，动态模量增长为7 214 MPa，为原来的5.3倍。与之相对应，混合料动稳定度的变化与动态模量数值的变化规律一致。从不同高模量改性剂提高混合料动态模量和抗车辙性能的效果来看，自主开发的高模量改性剂MA103C在同类产品中排在前列。

图3 不同高模量改性剂对AC-20混合料动态模量和动稳定度的影响

3.2 低温弯拉性能试验

沥青混合料是一种温度敏感型材料，随着温度的降低，其强度和劲度都会明显增大，但是变形能力会显著下降，并可能出现脆性破坏，从而导致铺装层出现低温开裂。通过-10 ℃低温弯曲试验评价沥青混合料的低温性能，试验结果如图4所示。可以看出，不同高模量改性剂对沥青混合料的低温性能均起到明显的改善作用，数值均高于2 500 με。这是由于改性剂的剪切屈服和裂纹铰接作用，使得混合料具有较高应变能，在荷载作用下产生黏弹性和塑性流动而消耗应变能，使裂缝钝化，且减慢裂纹的发展速度，从而提高了混合料的低温抗裂性。自主开发的高模量改性剂在改善混合料低温弯拉性能方面也是最优的。

图4 不同高模量改性剂对AC-20混合料低温弯拉应变的影响

3.3 水稳定性能试验

沥青混合料在使用过程中除受温度影响外，还受到水的影响。在水的长期作用下，沥青混合料的黏结力逐渐降低，沥青从集料表面剥离，使得混合料出现掉粒现象，继而在沥青路面上形成松散、坑槽等病害。因此，对沥青混合料的水稳定性进行分析很有必要。本文通过冻融劈裂试验对混合料水稳定性进行测试，结果如图5所示。由图5可知，AC-20沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于80%，说明石灰岩类沥青混合料具有良好的水稳定性，且高模量改性剂的加入增强了沥青与矿料之间的黏聚力，以及沥青混合料的整体性，从而使混合料的水稳定性得到改善。

图5 不同高模量改性剂对AC-20混合料冻融劈裂强度比的影响

图6 高模量AC-20沥青混合料摊铺施工

4 高模量改性剂在依托工程中的应用

武汉江北快速路工程位于汉口至阳逻，为城市快速路，部分路段与堤防结合，远期重载车辆较多，交通量大，因此在该工程的中面层AC-20沥青混合料中采用了MA103C高模量改性剂。图6为高模量AC-20沥青混合料摊铺施工照片。从工程铺筑效果和检测的数据来看，达到了预期目标，长期的服役效果还需持续观测。

5 结 语

(1)掺加高模量改性剂的沥青软化点可提升为基质沥青的2.1倍，5 ℃拉伸柔量提高为基质沥青的4.3倍。高模量改性剂对于沥青的高、低温性能均有改善效果。

(2)掺加0.3%高模量改性剂MA103C的沥青混合料在45 ℃、10 Hz条件下动态模量可达7 214 MPa，为基质沥青混合料的5.3倍，动稳定度可达13 754 次·mm-1，具有良好的高温模量和抗车辙性能，同时能够兼顾低温性能，-10 ℃弯拉应变大于2 500 με，冻融劈裂强度比为91.2%，综合性能优异。