瀝青混合料的路用性能分析

高中鶴，靖喜波

(黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司)

瀝青混凝土路面作為高等級公路重要的路面結構形式，應用越來越廣泛，其行車舒適、施工期短、養護簡便等優點受到公路工程建設者的認同，但隨著交通量日益加大，超載現象隨處可見，瀝青混凝土路面早期破壞現象嚴重，車轍、各種裂縫、坑槽、啃邊、沉陷、擁包、搓板、脫皮、彈簧翻漿、拱起、表面裂紋、孔洞等病害時有發生。特別是我省特定的氣候環境，由于冬天氣溫可達到零下25℃以下，夏天溫度又可達到25℃以上，對瀝青路面的高溫穩定性、低溫抗裂性都有很高要求，改善瀝青混合料的路用性能，增強路面使用壽命是目前需要攻關重要項目。

在瀝青混合料的組成材料中，瀝青作為瀝青混合料的粘結劑，決定著瀝青混合料的性能屬性。從瀝青的材料組成分析，其主要成分為高分子碳氫化合物，可溶于二硫化碳。從分子結構來看，它由瀝青質、樹脂、芳香分、飽和分構成。在常溫下瀝青質是一種溫感性的脆性固體，是瀝青強度和彈性的來源;樹脂表現為溫感性的粘性的半固態或固態，可與瀝青油性成分相容且有良好的粘附能力，從而可使瀝青質均勻分散在瀝青中，它是瀝青粘性性質的來源之一;芳香與飽和族和稱為瀝青油性成分，芳香分起到分散溶解瀝青質及樹脂并將其粘結在一起的作用;飽和分沒有強度，主要控制瀝青的溫感性及老化性能，是瀝青柔性的來源。這幾種成分對瀝青的性能至關重要:瀝青將隨時間而老化，次序為飽和族—芳香族—樹脂—瀝青質，老化的結果是瀝青質含量越來越高，油性成分越來越低，瀝青則因為失去凝聚力而越來越脆，從而形成老化破壞。因此，瀝青是一種隨時間而老化硬化的典型的粘彈性材料，嚴格講，無論液態瀝青還是固態瀝青，從其力學性能看，都是一種粘彈性體，既具有彈性體的力學性質，也具有粘性體的力學性質。其材料性能與應力、溫度、時間、荷載頻率及溫度頻率等有關。在溫度低于瀝青的低溫脆化溫度的情況下，瀝青表現為彈性體的力學性質;在溫度高于瀝青的脆化溫度時，瀝青表現為粘彈性體的力學性質。基于瀝青的材料特性，瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，其在低溫時較小變形范圍內接近線彈性體，在高溫時較大變形活動范圍內表現為粘塑性體，而在通常溫度的過渡范圍內一般為粘彈性體。所有的瀝青混合料均為非彈性體，且在其實際工作范圍內主要表現為粘彈性題。粘彈性瀝青混合料的力學特征主要表現在以下三個方面:材料的力學特性與加載速度有關，隨著加載速度的增加，材料的強度與剛度均會增大;材料的力學特性對溫度十分敏感，隨著溫度的升高，材料的物理特征表現為變軟，強度和剛度變小;材料具有十分明顯的蠕變與應力松弛現象。瀝青混合料在低溫工作時必須解決裂縫的問題，在高溫工作時必須解決軟化變形的問題。而控制高溫變形的材料參數是彈性模量、粘度、相位角或者蠕變強度，控制低溫開裂的材料參數是屈服強度和斷裂韌性。瀝青混合料需要“增彈”、“增強”及“增韌”才能夠更好的滿足道路的使用要求，而讓瀝青路面達到使用要求，最有效的途徑就是使用改性瀝青混合料。

瀝青路面因其行車平穩舒適、噪聲低、易于養護和維修方便等優良的使用性能，在高等級公路中得到廣泛應用。然而普通瀝青混凝土是一種典型的流變性材料，其性能的發揮受時間、溫度的影響較大。在高溫時期，其勁度變小，在行車荷載反復作用下產生塑性變形，久而久之，塑性變形累積形成車轍;在寒冷時期，其勁度增大、脆性增強而柔性降低，變形能力減弱，當溫度應力或溫度疲勞應力累積超過其抗拉強度時，會產生細微裂縫，在行車荷載反復作用下裂縫逐漸擴展，路表水滲入后會導致路面迅速損壞。為改善普通瀝青的高溫、低溫性能，提高瀝青路面的使用性能和使用壽命，對瀝青進行改性已成為一種必然的趨勢。改性瀝青的路用性能優于普通瀝青，并可顯著改善瀝青路面的使用性能，然而改性瀝青的機理迄今尚未完全明確，一方面是由于對瀝青本身的結構組成認識不足，加入聚合物改性劑之后形成的微觀多相結構更趨復雜;另一方面由于常規的瀝青試驗方法及評價指標不能全部適用于改性瀝青。

改性瀝青屬于高分子材料的共混改性，目前針對高分子材料的共混改性，主要有以下兩種理論。界面理論認為:改性效果除與相容性有關外，還取決于材料本身的性質及改性劑-瀝青兩相界面的性質，界面性質又取決于兩相界面上局部擴散的深度及兩相的相互作用能。只有具備適當的相容性及良好的界面性質才能得到性質優良的改性材料。用界面理論來解釋聚合物復合材料的機理都基于界面層有效的應力傳遞這樣一個設想。應力傳遞主要通過以下幾種途徑。

溶解度理論，現實中兩種材料在共混時能夠完全相溶的情況極少，然而在生產實踐中通過對兩種材料的合理選擇，輔之以適當的生產工藝可以得到微觀多相、宏觀均勻分布的穩定體系。兩種材料共混，由于大分子間的相互擴散而使分子鏈段位移，形成過渡層，因而使體系穩定。

改性瀝青作為一種共混改性材料，其性能必然與基質瀝青的性質密切相關。因此，分析改性瀝青的機理首先需要從基質瀝青的結構入手。關于瀝青的結構，目前有兩種理論——膠體理論和高分子溶液理論。

現代膠體理論認為，瀝青的膠體結構以固態微粒的瀝青為分散相，液態的芳香分、飽和分為分散介質，半固態的膠質起著膠溶劑的作用。若干瀝青質微粒聚集在一起，吸附極性的膠質，形成“膠團”，膠溶于分散介質中，形成穩定的膠體。由于瀝青質分子量高，極性很強，所以不能直接膠溶于分子量低、極性弱的芳香分、飽和分組成的分散介質中，尤其是飽和分的膠凝作用會阻礙瀝青質的膠溶，而極性較強的膠質則在二者中間起到了過渡的作用。因此在瀝青的膠體結構中從瀝青質到膠質、乃至芳香分、飽和分，極性逐步遞減。從這種意義上來講，各組分的含量必須相匹配才能形成穩定的膠體。根據瀝青中各組分的化學組成和相對含量的不同，膠體結構可分為3種類型—溶膠結構、溶-凝膠結構和凝膠結構。該理論認為，瀝青是一種以高分子量的瀝青質為溶質，以低分子量的軟瀝青質為溶劑的一種高分子溶液。溶液的穩定性決定于瀝青質的含量、瀝青質與軟瀝青質之間溶解度參數的差異。改性瀝青的生產過程中，通常在高溫下將聚合物機械破碎為微米級的顆粒，高度分散在瀝青中，導致體系總表面能顯著增加。生產過程中對體系所做的功使其能量增加，以表面能的形式存在于體系中。聚合物破碎程度越高，粒子表面能越高，根據能量最低原理，體系有自發地降低表面能的趨勢。

改性瀝青混合料不僅有良好的路用性能，而且具有良好的經濟性能，改性瀝青混合料瀝青路面的推廣必將提高道路工程質量，提高社會效益和經濟效益，應用前景廣闊。