沥青混合料低温抗裂性能提升方法综述

刘益丰 沈菊男 丁 灿

(苏州科技大学，江苏 苏州 215000)

1 概述

在各种路面病害中，低温开裂是一种比较突出的路面病害形式。低温开裂是由于在温度降低时，沥青路面中将会产生温度应力，而在低温下沥青路面的应力松弛较差，当温度收缩应力超过沥青混合料的抗拉强度，又不能通过应力松弛将温度收缩应力释放掉时，将在路面上产生裂缝[1]。裂缝产生后，随着车辆荷载或地基沉降等因素的作用，裂缝将会不断地扩展，最终导致路面结构的破坏，降低路面的使用寿命，增加维护费用的同时也影响行车安全性和舒适性。为了避免路面结构在低温下产生开裂，在路面设计时就需要做好对路面低温开裂的预防，对材料的低温抗裂性能进行评定，并进行低温抗裂性能试验[2]。目前常用的提升沥青混合料低温性能的方法主要是通过掺加纤维材料、纳米材料、生物材料等，对沥青或对混合料进行改性，提升沥青混合料的低温性能。本文综述了近年来国内相关学者进行的试验研究，对试验材料、试验方法和试验效果等进行比较，为未来深入研究提供参考。

2 对沥青的改性

沥青的性能在一定程度上影响着沥青混合料的性能，为了使沥青路面获得更好的低温抗裂性能，可对沥青进行改性。常见的对沥青进行改性的材料有纳米材料、增塑剂以及采用生物沥青来进行协同改性等。纳米材料因为比表面积较大，具有较高的表面活化能，也具有良好的表面效应和量子尺寸效应，能够与沥青有效地结合，从微观尺度上改善沥青的各项性能。近年来，已经有越来越多的研究者通过添加纳米材料来改善沥青的性能[3-5]。增塑剂作为塑料橡胶制品的助剂，可以改善聚合物的柔韧性、拉伸性及抗冲击性，提升低温抗裂性能，并且具有价格低廉、绿色环保等优点，不会对人体或环境造成危害。生物沥青是由生物油升级和处理后制得的一种具有可再生、环境友好等特点的沥青[6]，可替代部分石油基沥青。它们都可作为改性材料，提升沥青的低温性能。

陈渊召等[7]在沥青中掺加纳米氧化锌，制备级配为AC-13的沥青混合料，比较纳米氧化锌掺量为0%，1%，4%，7%的沥青混合料的低温性能。试验结果表明，随着纳米氧化锌掺量的增加，弯曲劲度模量表现出下降的趋势，最大弯拉应变表现出先上升后下降的趋势，如图1所示。这与改性沥青三大指标所反映出的结果相一致。3种掺量的纳米氧化锌均能改善其改性沥青混合料的低温性能，从性能提高幅度的角度看，纳米氧化锌的最佳掺量是4%，此时的弯拉应变为3 367.2 με。

江锋[8]研究了用纳米SiC对基质沥青进行改性，进而对沥青混合料低温性能产生的影响。选用的纳米SiC掺量为0，2%，4%，6%，8%，10%，在基质沥青中以160 ℃剪切60 min，制备成纳米SiC改性沥青。对各组改性沥青进行延度试验发现，随着纳米SiC掺量的增加，延度呈现出先增大后减小的规律。由于纳米SiC是一种无机刚性的纳米粒子，在受力时不会产生较大的形变。因此在纳米SiC含量较高时，纳米SiC与沥青会发生脱黏现象，从而产生应力集中，进而在沥青中出现脆断现象，这也是改性沥青延度随纳米SiC掺量的增加出现先增大后减小现象的主要原因。接着用6种纳米SiC掺量的沥青制备级配为AC-20的沥青混合料，进行低温小梁弯曲试验。结果表明，随纳米SiC掺量的增大，抗弯拉强度与最大弯拉应变均呈现先增大后减小的趋势，并在掺量为4%时获得最大值，此时的弯拉应变为3 740.4 με，如图2所示。这主要是因为纳米SiC能够与沥青产生良好的界面效应，从而提高沥青黏度，降低其温度敏感性，表现为抗弯拉强度及最大弯拉应变的提高。

季坤等[9]分析了生物沥青(Bio)和特立尼达湖沥青(TLA)对基质沥青与沥青混合料的协同改性作用，并研究了级配为AC-16的沥青混合料的低温性能。研究发现，掺加TLA可显著减小复合改性沥青的蠕变柔量和针入度，同时增大复合改性沥青的抗车辙因子和软化点。掺加Bio可显著增大沥青的蠕变斜率和5 ℃延度，降低蠕变劲度模量，改善沥青的低温流变性能。通过低温小梁弯曲试验发现，在基质沥青中添加40%Bio和30%TLA后制备成复合改性沥青混合料，-10 ℃下的弯曲应变达到了4 171.5 με，具有优异的低温抗裂性能。将Bio与TLA复配，不仅实现了沥青混合料较好的低温性能，也同样具备较好的高温性能与水稳定性。

傅珍等[10]采用环保型增塑剂环己烷二甲酸二异丁酯(DIBCH)对基质沥青进行改性，研究改性沥青混合料的低温抗裂性能。这种增塑剂可以改善聚合物的热变形能力及低温柔韧性能，且具有成本低、相容性好等特点，是一种绿色清洁、成本低廉。DIBCH改性剂的掺量选择为0,1.5%,2%,2.5%,3%，试验结果表明，最大弯拉应变随增塑剂掺量增大而逐渐提高，当将DIBCH掺量提高到3%时，最大弯拉应变较基质沥青提高了42.5%，且此时抗弯拉强度达到最大值，在原基础上提高了16.5%。改性沥青混合料弯曲劲度模量随增塑剂掺量的增大出现不同程度的降低，这说明通过DIBCH改性后，沥青混合料较基质沥青混合料其低温抗裂性能有所提升。

研究表明，对沥青采用不同的改性方法均可提升沥青混合料的低温抗裂性能。纳米材料通过高速剪切后均匀的分散在沥青中，可以从微观层面提升沥青的低温性能，进而提升沥青混合料在低温下的抗开裂能力。常用的纳米改性材料有纳米氧化锌、纳米碳化硅、纳米碳酸钙和纳米二氧化钛等，它们都对沥青的性能起到一定的提升作用。不同的纳米材料一般都具有一个最佳掺量，使得沥青和沥青混合料具有最佳的低温抗裂能力。根据已有的研究成果，纳米氧化锌和纳米碳化硅的最佳掺量一般均为4%。纳米材料的成本相对较高，若在道路工程中广泛采用纳米改性沥青，将大幅提高工程造价。增塑剂在改善沥青及沥青混合料柔韧性的同时，具备绿色环保、价格低廉等优势，其最佳掺量一般为3%，此时沥青混合料通过低温小梁弯曲试验表现出的弯拉应变值与纳米改性材料制成的沥青混合料相当，达到3 000 με，而用生物沥青进行调和后的改性沥青其值可以达到4 000 με，远高于通过纳米材料和增塑剂进行改性的沥青混合料。

根据已有的研究成果，为了使沥青混合料获得更好的低温抗裂性能，可从以下方面针对沥青进行改性：

1)使用纳米材料对沥青进行改性，纳米材料的掺量可选为4%。纳米材料可从微观层面通过表面效应和量子尺寸效应充分与沥青结合，增强低温性能，降低沥青混合料在低温条件下开裂的可能性；

2)使用增塑剂对沥青进行改性，增塑剂的掺量可选为3%。由于增塑剂易与沥青相混相容，因此其提升沥青混合料低温性能的效果更容易得到保证。同时增塑剂还具有绿色清洁和成本低廉等优点；

3)使用生物沥青和基质沥青进行复配，复配比例可选为1∶1。生物沥青的成分可以改善沥青的蠕变劲度模量和低温流变性能，从而提高沥青混合料的低温柔韧性和抗裂性；

4)在采用生物沥青和基质沥青进行复配的同时，加入纳米材料或增塑剂进行进一步的改性。

但已有的研究成果还不足以解决以下问题：由于纳米材料和增塑剂的种类众多，不同的纳米材料和增塑剂是否可以通过协同改性进一步提升沥青和混合料的低温性能，以及在提升低温性能的同时，是否会损失其高温性能；生物沥青的原材料选取、制备过程、复配工艺和复配比例等尚不够明确和完善。这些疑问还有待更深入的研究。

3 对沥青混合料的改性

除了针对沥青进行改性外，直接提升沥青混合料在低温下的柔韧性也是延缓路面出现裂缝的方法之一[11]，而加入不同种类和掺量的纤维可以不同程度地增强沥青混合料的低温变形能力，这是一种通过对混合料进行改性的办法。由于添加纤维可以增大沥青混合料吸附的沥青量，纤维通常与集料一同拌合，使其均匀分散在集料中，起到一定的加筋的作用，增强韧性，从而提高沥青混合料的低温抗裂性能。近年来，有关学者研究了在不同级配的沥青混合料中掺加聚酯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等对其低温性能的影响，发现当沥青混合料的最大粒径越小时，纤维对混合料的改性效果越明显，通过-10 ℃下的低温小梁弯曲试验测得的弯拉应变最大值通常均大于3 000 με。

陈奕琛等[12]研究了不同掺量的聚酯纤维对沥青混合料低温性能的影响。通过低温弯曲试验，研究聚酯纤维掺量为0，0.25%，0.35%，0.45%时的最大弯拉应变和劲度模量的变化规律。试验表明，随着纤维掺量的增加，沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变也随之增加。当聚酯纤维掺量为0.45%时，最大弯拉应变和抗弯拉强度均达到最大，而当掺量为0.35%时，劲度模量最小，这说明当采用不同的评价指标时，可能得出不同的纤维最佳掺量。

顾倩俪等[13]在SMA-13,SUP-20,SUP-25三种级配的沥青混合料中掺入玄武岩纤维，通过低温小梁弯曲试验来判定沥青混合料的低温抗裂性能。试验结果表明，玄武岩纤维对沥青混合料低温抗裂性能有明显提升效果，并且由于矿料级配的不同，纤维对沥青混合料的低温性能的提升效果也有所不同。随着最大粒径的降低，其抗弯拉强度逐渐增大，如图3所示。其中SMA-13级配沥青混合料的提升效果最好，并得出了以破坏应变或劲度模量作为评价低温性能的指标时结果相一致的结论。

王锋[14]通过对掺加玻璃纤维的AC-13级配沥青混合料进行低温小梁弯曲试验，研究玻璃纤维对沥青混合料低温性能的影响，所选取的玻璃纤维长度为12 mm，掺量为0,0.1%,0.2%,0.3%。试验结果表明，玻璃纤维对沥青混合料的抗弯拉强度无明显影响，而随着玻璃纤维掺量的增加，最大弯拉应变呈现出先增大后减小的规律，并在掺量为0.2%时达到最大，与不掺加时相比提升了21%，如图4所示。当掺量较小时玻璃纤维在沥青混合料中的分散性较好，能够与沥青形成交织的网状结构，起到加筋、增韧阻裂的作用，从而提高沥青混合料的低温抗裂性。当掺量过大时，玻璃纤维的分散性差，在沥青混合料中出现结团现象，产生应力集中，从而削弱了混合料低温时抵抗开裂的能力。

研究表明，掺加不同的纤维如聚酯纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维等，都可以增加集料吸附的沥青数量，增加沥青包裹集料的厚度，提高柔韧性，增强低温下的抗弯拉强度。由于不同类型的纤维其本身的强度、韧性以及吸油性均有所不同，因此不同类型纤维的最佳掺量也有所差异，该值与纤维的种类以及评价方法有关，根据已有研究成果，纤维的最佳掺量通常为以下值：木质素纤维为0.5%，聚酯纤维为0.4%，玄武岩纤维为0.4%，玻璃纤维为0.2%。同一掺量下的同种纤维对不同级配的沥青混合料也会起到不同的低温增强效果，当级配中最大粒径越小时，集料的比表面积越小，所需要的沥青越多，沥青膜的厚度越大，具有更好的弹性和韧性，纤维提高沥青混合料的低温抗裂能力也越大。

根据已有的研究成果，为了使沥青混合料获得更好的低温抗裂性能，可从以下方面针对沥青混合料进行改性：

1)使用纤维对沥青混合料进行改性，掺量根据纤维种类进行选择。在集料拌合过程中投入纤维一同搅拌，使纤维均匀地分散在集料中，再投入沥青，可增加沥青的用量，并使沥青充分、均匀地包裹集料和纤维，提升沥青混合料在低温下抗开裂性能；

2)使用最大粒径较小的级配，如SMA-10或SMA-13等。在相同情况下，集料的粒径越小，比表面积越大，所需要的用来包裹集料的沥青也越多，沥青膜的厚度越大，劲度模量降低，具备更强的低温韧性。

但已有的研究成果还缺乏针对同一级配采用不同纤维时的改性效果的研究，没有形成系统的同级配比较，从而得出不同纤维提升沥青混合料低温性能的能力强弱，而用不同级配的沥青混合料来相互比较纤维对其低温抗裂能力的影响是不严谨的。除了常用的纤维材料外，是否还有其他性能优异、价格低廉的纤维材料也值得进一步探寻。

4 结语

沥青混合料的低温性能一直是各位学者研究的重点领域。不论是北方还是南方地区，都需要考虑沥青混合料的低温性能，避免在冬季寒冷季节因温度应力过大，导致沥青路面开裂，影响路面结构的正常使用。改善沥青混合料低温性能的方式有很多种，如采用纳米材料、增塑剂、生物材料对沥青进行改性，以及采用纤维材料对混合料进行改性等。但已有研究都还存在一些尚不完善的地方，如不同改性材料和改性方式是否可以协同改性，在提升沥青混合料低温性能的同时，是否会对其他性能造成损害等，都还有待通过更多的试验研究来得出结论。在实际工程应用中，根据实际情况，综合考虑改性效果、难易程度、绿色节能和经济效益，优选出一种适于大范围推广使用的沥青混合料低温抗裂性能改性方式，将是未来需要继续深入研究的方向。