直投改性剂对高模量沥青混合料应用性能的影响研究

程金梁，江磊，龚明辉，洪锦祥

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

0 引 言

高模量沥青混凝土具有高动态模量、优异的抗车辙和抗剪强度以及可减薄路面厚度等特点，近年来得到广泛的关注[1-3]，已大量应用在长大纵坡、交叉口等重载路段。特别是在长寿命路面[4]研究背景下，高模量沥青混凝土可作为长寿命路面的典型结构形式，具有广阔的发展空间。

高模量沥青路面技术最早由法国引入，主要是指动态模量（15 ℃，10 Hz）≥14 000 MPa 的沥青混凝土。随后辽宁省于2009 年提出了国内高模量沥青混合料的施工技术规范，根据国内气候特点增加了动态模量（45 ℃，10 Hz）大于2000 MPa的要求。近年来，高模量技术在国内应用较多[5]，但多关注混合料的动态模量，对重载特殊应用场景的抗车辙性能[6]关注不多，此外，高模量沥青混合料的抗疲劳性能较差。苏交科在消化吸收国内外高模量沥青技术的基础上，负责起草了GB/T 36143—2018《道路用高模量抗疲劳沥青混合料》及团体标准T/CHTS 10004—2018《公路高模量沥青路面施工技术指南》，通过连续级配、高油石比、低空隙率和高模量胶结料等技术途径可实现混合料高模量和高疲劳性能的兼顾，能够有效延长路面服役寿命。

高模量路面技术中使用的高模量沥青胶结料主要有以下3 类：直接采用湿法的低标号沥青或高模量沥青[7]；采用直投式硬质沥青母粒或硬质沥青高模量剂；采用直投式高模量沥青改性剂[8]。低标号沥青、高模量沥青适用于大规模工程，此外对混合料高温性能提升有限。直投硬质沥青类胶结材料使用掺量高，为混合料的1%~1.2%，必须采用投料机加料且在加料过程中存在易结团的风险。直投高模量沥青改性剂作为聚合物类材料掺量适中、使用方便，可有效提高混合料动态模量和高温抗车辙性能。

目前，关于高模量沥青混合料的应用技术研究较多，但同时兼顾高模量、抗疲劳和高抗车辙的研究相对较少。本文以3种不同类型的直投高模量沥青改性剂为研究对象，研究不同直投高模量沥青改性剂种类、掺量对混合料动态模量和其他应用性能的影响规律，探究高模量混合料生产制备过程中影响性能的关键因素，为高模量抗疲劳沥青路面的应用提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

70#基质沥青：韩国SK 集团生产，基本技术性能见表1。3种直投高模量沥青改性剂：自制，根据产品组成分别定义为聚合物类、聚合物/沥青复合类和多元复合类高模量剂，物性参数见表2，3 种改性剂制备的高模量沥青混合料最佳油石比分别为5.4%、5.3%和5.3%。聚合物类高模量剂主要通过聚烯烃材料与增弹等组分熔融共混造粒制备而成；聚合物/沥青复合类高模量剂是在聚合物类高模量剂基础上引入特种低标号沥青熔融共混造粒制备而成；多元复合类高模量剂是通过聚合物、特种沥青和增塑流动等助剂多元熔融共混造粒制备而成。玄武岩集料和石灰石矿粉，南京天印市政工程材料有限公司生产，技术性能均符合JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表1 70#基质沥青的基本技术性能

表2 3 种高模量改性剂物性参数

1.2 高模量沥青混合料级配

采用GB/T 36143—2018 中推荐的级配，混合料级配见表3。

表3 高模量沥青混合料级配

1.3 高模量沥青混合料制备

将提前加热的集料加入拌和锅，在185 ℃投入直投高模量沥青改性剂与集料干拌90 s，然后加入计算量的70#沥青拌和90 s，最后加入矿粉拌和90 s 制备高模量沥青混合料。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》及GB/T 36143—2018 进行混合料的成型。

1.4 性能测试方法

按照JTGE20—2011 中T0705、T0738、T0719、T0729、T0715、T0739 分别对混合料试件空隙率、动态模量、动稳定度、冻融劈裂强度比、低温应变、四点弯曲疲劳寿命进行测试。

2 结果与分析

2.1 改性剂掺量对混合料动态模量的影响

控制沥青混合料的空隙率在3%左右，研究直投高模量沥青改性剂掺量对混合料动态模量的影响规律，结果见表4。

表4 改性剂掺量对混合料动态模量的影响

由表4 可知，对于3 种不同的直投高模量沥青改性剂，混合料45、20 ℃动态模量整体随掺量增加呈逐渐提高的趋势。3种改性剂掺量为0.60%和0.75%时，混合料45 ℃动态模量均符合GB/T 36143—2018 要求（＞4000 MPa）。多元复合类高模量改性剂掺量为0.75%时，混合料20 ℃动态模量符合GB/T 36143—2018 要求（＞15 000 MPa）。

高模量沥青混合料的45 ℃动态模量更容易实现，而20 ℃动态模量较难实现。根据我国气候特点，更需关注45 ℃动态模量，而20 ℃动态模量尽可能接近即可。综合考虑及结合不同高模量改性剂特性，高模量沥青改性剂的最佳掺量为0.6%~0.75%。

2.2 空隙率对混合料动态模量的影响

通过调控高模量沥青混合料的成型温度，制备了一系列具有不同空隙率的高模量混凝土试件，聚合物类、聚合物/沥青复合类高模量改性剂掺量为0.60%，多元复合类高模量改性剂掺量为0.75%，研究空隙率对沥青混凝土动态模量的影响规律，结果见图1。根据我国高温特点和相关行业标准，同时关注45 ℃和20 ℃的动态模量。

图1 空隙率对混合料动态模量的影响

由图1 可知，对于3 种不同的直投高模量沥青改性剂，随着旋转压实试件空隙率的增大，动态模量呈线性降低的趋势。采用聚合物类高模量改性剂，空隙率从2.7%增加至5.6%时，混合料45 ℃动态模量从4226 MPa 降低至2243 MPa，20 ℃动态模量从12 156 MPa 降低至8586 MPa，下降幅度分别为46.9%和29.4%。采用聚合物/沥青复合类高模量改性剂，空隙率从3.0%增加至6.8%时，混合料45 ℃动态模量从4632 MPa 降低至2386 MPa，20 ℃动态模量从13 620 MPa 降低至8852 MPa，下降幅度分别为48.5%和35.0%。采用多元复合类高模量改性剂，空隙率从2.7%增加至4.8%时，混合料45 ℃动态模量从7028 MPa 降低至5096 MPa，20 ℃动态模量从15 760 MPa 降低至12 722 MPa，下降幅度分别为27.5%和19.3%。高模量沥青混合料的空隙率对动态模量影响较大。当高模量混合料空隙率在3%左右时，混合料的密实程度较好，45 ℃和20 ℃的动态模量最高。当空隙率超过4%以上，混合料动态模量即会明显降低。

此外，高模量沥青混合料由于采用较多的添加剂，会造成混合料黏度较大，温度下降较快，难以压实。因此，在实际工程项目实施阶段为保证工程质量，需要通过控制混合料生产温度和现场碾压工艺，实现施工空隙率与设计基本一致。另外，开发易密实的高模量添加剂也是改善施工和易性，保证工程质量的有效途径。

2.3 改性剂种类对混合料性能的影响

2.3.1 改性剂种类对混合料动态模量的影响

由表4 可知，控制沥青混合料空隙率均在3%左右，3 种改性剂掺量均为0.6%时，多元复合类高模量沥青改性剂的45、20 ℃动态模量均最大，而聚合物类高模量沥青改性剂的45、20 ℃动态模量最小。分析原因，与不同高模量沥青改性剂的材料特性与配方组成有一定关系。多元复合类高模量沥青改性剂体系中引入特种沥青和增塑流动助剂，改性剂的190 ℃熔融指数大于30 g/10 min，可保证改性剂在直投干拌过程中充分熔融，与沥青有较好的相容性，以实现最大改性效果。此外，引入的低标号特种沥青和特种增塑组分具有提高混合料模量、降低沥青黏度等作用，通过多元组分协同作用，实现了易密实、高模量的技术效果。在高模量沥青改性剂的选择中，应尽可能选择与沥青高相容、熔融流动性好、易密实的添加剂。

2.3.2 改性剂种类对混合料抗车辙性能的影响

以往研究中对高模量沥青混合料的抗车辙性能关注不足，高模量沥青混合料一般用于路面中面层，受到的剪应力最大，容易产生车辙病害。特别是在高温、重载、渠化路段的应用，研究高模量沥青混合料的抗车辙性能很有必要。控制沥青混合料的空隙率均在3%左右，改性剂掺量为0.6%，对3 种高模量沥青混合料进行60、70 ℃的动稳定度测试，结果见表5。

表5 改性剂种类对混合料抗车辙性能的影响

由表5 可知，改性剂掺量为0.6%时，3 种高模量沥青混合料的抗车辙性能优异，其中60 ℃动稳定度均大于10 000次/mm，70 ℃动稳定度均大于7000 次/mm。聚合物类高模量沥青混凝土高温性能最优，70 ℃动稳定度大于10 000 次/mm，可有效抵抗高温车辙。聚合物/沥青复合类改性高模量混合料高温性能低于聚合物类，主要是体系中引入抗车辙性能低于聚合物的特种低标号沥青。多元复合类高模量沥青混凝土高温性能相对较差，分析原因是体系组成中引入过多降黏增塑的组分，导致高温性能下降。因此，在产品的开发和配方选择中需综合兼顾多种性能。

2.3.3 改性剂种类对混合料其他性能的影响

关于高模量沥青混凝土的性能，国内以往存在过多关注动态模量而忽视疲劳性能的误区，导致高模量路面出现疲劳开裂的问题，高模量沥青混合料的抗疲劳性能对服役寿命至关重要。固定改性剂的掺量为0.6%，控制成型后的高模量沥青混合料试件空隙率为3%左右，进行高模量沥青混合料其他性能对比研究，结果见表6。

表6 高模量沥青混合料的其他应用性能

由表6 可知：（1）在15 ℃、10 Hz、230 με 测试条件下，3 种高模量沥青混凝土的疲劳寿命均大于100 万次，疲劳性能优异，满足GB/T 36143—2018 的技术要求。（2）3 种高模量沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于80%，相差不大。-10 ℃低温应变均大于2000 με，其中聚合物/沥青复合类高模量混合料低温应变稍大于聚合物类，分析原因是特种沥青的引入增加了混合料的有效沥青含量，以及直投改性剂与沥青的相容性。多元复合类低温性能最差，分析原因是多元复合类改性剂中引入的流动性组分对混合料低温性能有轻微影响。

3 结 论

（1）高模量沥青混凝土的空隙率对动态模量影响较大，空隙率大于4%动态模量下降明显。为保证混合料高动态模量，建议将高模量混凝土的空隙率控制在3%左右。为保证压实，需要对混合料的生产及施工温度进行控制。

（2）高模量沥青混合料具有优异的应用性能，可实现高动态模量和高疲劳性能的兼顾。不同直投高模量沥青改性剂制备的混合料动态模量随改性剂掺量增加逐渐提高。改性剂最佳掺量为0.60%~0.75%。

（3）不同直投高模量沥青改性剂性能有所不同，在改性剂选择中推荐采用与沥青相容性好、较好熔融流动性、易密实的聚合物/沥青复合类和多元复合类高模量改性剂。此外需根据应用场景和对动态模量、高低温以及抗疲劳性能需求的不同，进行改性剂的优选和改进。