聚丙烯改性剂对沥青混合料水敏性的热力学探究

洪勇

(如皋市交通运输局，江苏 如皋 226500)

沥青混合料水损害可以定义为沥青混合料由于水分的影响而丧失强度和耐久性。由于路面维修和维护所带来的高额成本，沥青混合料中的水损害是一个被普遍关注的问题。一般来说，沥青混合料发生水损害包含两个因素，一是水分导致集料与沥青的附着力和凝聚力丧失；二是由于与沥青相比，水的黏度和表面张力较小，使得集料倾向于临近的水，发生剥离现象。

在沥青混合料中使用有机新材料是可行方法，这些材料被认为可以减少因路面网络扩张、交通强度增加而导致的路面水损害现象。聚丙烯由于具有强度高、耐腐蚀和抗湿性良好的特性，被广泛应用于道路、桥梁工程中，但已有文献缺乏针对聚丙烯沥青混合料水稳定性能方面的内容。该研究通过不同聚丙烯含量沥青混合料的冻融劈裂试验和热力学试验评价聚丙烯提高混合料抗水损害能力，以期提出将聚丙烯应用到水分充沛地区道路工程建设中的合理建议。

一、原材料及配合比设计

（一）沥青与集料

该研究中使用的70#沥青，性能指标均满足规范要求。该研究试验混合料采用的集料为山东石灰岩，选用的矿粉为石灰岩磨制。沥青和集料的物理化学性能如表1和表2所示。

表1 70#沥青性能数据

表2 集料的物理化学性能

（二）聚丙烯

聚丙烯是目前应用最广泛、最基本的聚合物之一。在该研究中，聚丙烯的用量为沥青质量的2%和4%。要将聚丙烯添加到沥青中，首先应将沥青加热到160℃以降低黏度，提高与搅拌机中聚合物的混合均匀性；继续以8000rpm转速搅拌沥青和聚丙烯6min，从而实现聚丙烯与沥青拌和均匀。

（三）配合比设计

该研究在普通沥青混合料基础上掺加聚丙烯改性剂，级配曲线如图1所示。

图1 混合料级配曲线图

二、试验结果与分析

（一）水稳定性试验结果

该研究采用冻融劈裂试验研究添加聚丙烯的沥青混合料的水稳定性能。通过将试件分为干样品和湿样品，然后将湿样品置于-18℃的冷冻室中保存16h，然后保持在60℃的水浴中加热24h，而其他样品则保持在干燥条件下。将所有试样置于25℃的试验室温度下，对试样进行冻融劈裂试验得到劈裂强度RT，试验结果如图2所示。

图2 不同PP用量混合料劈裂抗拉强度结果

由图2可知，随着冻融循环次数增加，试样的劈裂抗拉强度逐渐降低，原因可能在于多次冻融循环影响了混合料内部的黏附力或内聚力。这是因为样品长时间暴露在潮湿环境中，内部由于水损害发生剥落。此外，添加聚丙烯可以提高混合料的劈裂抗拉强度，并且随着聚丙烯的用量提升混合料的强度也随之提高，表明聚丙烯作为防剥离材料会增加混合料的附着力和凝聚力。

由图3可知，聚丙烯沥青混合料冻融劈裂试验抗拉强度比（TSR），随着冻融循环次数的增加，逐渐呈下降趋势。沥青混合料的水稳定性能与冻融循环次数呈负相关，与实际情况相符合。同时，任意PP用量下，添加聚丙烯材料对试件劈裂抗拉强度有积极作用；添加2%的聚丙烯可以显著增加试件的TSR值；与2%聚丙烯用量相比，4%用量下对于TSR值的提升并不显著，这说明盲目提升聚丙烯的用量是不合适的，因为混合料成本会随着聚丙烯用量而增加，而且与2%聚丙烯用量制成的样品相比，更高用量的聚丙烯对于提高抗湿损性的作用较小。因此，添加2%聚丙烯可作为混合料的最佳掺入量。

（二）热力学试验结果

本文通过表面张力仪设备测定不同PP改性沥青和混合料的试验参数，热力学试验结果如表3和表4所示。

表3 70#和改性沥青的SFE试验结果

表4 混合料发生剥离时的剥离能

由表3可知，使用PP降低了沥青的接触角，使得PP改性后的沥青可以更好地覆盖集料。PP作为聚合物具有极性特征，而主要由碳氢重分子组成的沥青具有较低的极性活动和较高的非极性特征。PP提高了非极性表面自由能，而非极性成分的增加会使集料与沥青之间的共价和非极性连接在水分影响下不易被破坏，从而提高混合料的抗水损害能力。通过酸、碱性表面自由能结果，PP改性沥青表现出较高的酸性，从而增加了其与碱性集料之间的黏附性，当与碱性集料混合时可以表征出较好的裹覆效果。

在沥青混合料发生剥离时，所需要的剥离能同样是影响混合料抗水损害能力的重要因素。剥离能是指混合料内部沥青从集料表面分离所需的能量，不同PP用量混合料发生剥离时的剥离能如表4所示。可以发现，剥离能与集料与沥青间自由黏附能成正相关特性，且随PP用量的增加剥离能也随之提高。2%PP混合料剥离能较对照组提高了10.8%，而4%PP混合料相较于2%剥离能提高了0.5%，这表明PP的较佳用量为2%，当超过该值时对剥离能的提升效果较低。

三、结语

经过多次冻融循环后，聚丙烯改性试件表现出更强的抗水损害能力。与对照样品相比，使用2%的聚丙烯材料可以显著提高沥青混合料的抗水损害能力。同时，4%的聚丙烯用量可以进一步提高沥青混合料的抗水损害能力，但添加2%和4%聚丙烯的样品之间差异不明显。

聚丙烯作为沥青混合料的防剥离材料可以增加混合料中的黏附力和凝聚力，减少集料与沥青之间的剥离。2%PP混合料剥离能较对照组提高了10.8%，而4%PP混合料相较于2%剥离能提高了0.5%。PP的较佳用量为2%，当超过这个值时对剥离能的提升效果较低。

因此，在沥青混合料中推荐使用2%的聚丙烯作为抗剥落剂的最佳用量。