高模量改性瀝青改性機理與混合料性能試驗研究

梁 磊

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國經濟的發展，交通量也快速增長，重載和渠化交通進一步加重了路面的早期車轍損壞[1]。車轍的出現嚴重影響了路面使用壽命，也降低了路面的服務水平，影響了車輛的行駛安全。高模量改性劑PR MODULE（以下簡稱PRM）和抗車轍劑PR PLAST.S（以下簡稱PRS）對瀝青混合料高溫穩定性良好的改善作用，引起越來越多的關注[2]。國內自從2000年先后引進了這兩種改性劑之后，在兩種瀝青混合料路用性能和施工工藝等方面展開了大量的研究[2-4]。由于普遍認為這兩種改性劑是“對混合料的改性”，因此并沒有展開對改性瀝青的研究。PRM和PRS改性劑雖然是通過直接與熱集料中進行干拌之后再加入瀝青進行濕拌，并未像SBS改性瀝青那樣直接對瀝青進行改性。但是對于整個瀝青混合料來說，隨著改性劑的加入，瀝青性能必然隨之發生變化，而其改變是從成分組成與內部結構帶來的。本文從改性瀝青的微觀結構入手，從材料學角度分析研究改性劑與基質瀝青的改性機理及相互作用，結合微觀試驗分析結果對改性瀝青混合料路用性能進行了評價。

1 原材料

研究中集料采用優質石灰巖，基質瀝青為埃索70號A級道路石油瀝青，性能指標如表1所示。改性劑分別為法國PR公司生產的PR MODULE和PR PLAST.S，技術指標如表2所示。

表1 埃索70號瀝青性能指標

表2 PRM和PRS改性劑技術指標

選取AC—20為研究級配。混合料采用拌和方法為先將加熱的集料與改性劑干拌15 s，再加入瀝青進行濕拌。油石比是按照馬歇爾方法確定的，結果如表4所示。

表3 AC—20瀝青混合料級配設計表 %

表4 不同瀝青混合料油石比

2 改性機理分析

2.1 改性瀝青制備

本文采用高速剪切設備制備所需改性瀝青。設定油石比為4.1%，改性劑摻量為0.4%時，改性劑與基質瀝青用量比約為10%，故本文改性劑與基質瀝青用量比選定為10%，制備PRM和PRS改性瀝青。另外制作摻量為4%的SBS改性瀝青進行對比。制備步驟具體為：將基質瀝青加熱到175±3℃，使其充分融化。將事先稱量好改性劑少量多次加入基質瀝青中，以防改性劑結團。同時手動勻速攪拌15 min。利用高速剪切設備進行剪切，剪切轉速為3 000～4 000 轉 /min，時間為 45 min，使改性劑與基質瀝青充分混融。

2.2 機理分析

瀝青是一種十分復雜的烴類和非烴類混合物，其組成成分的分子性質、大小和結構各不相同。而瀝青整體是一個膠體平衡體系。當外來因素對瀝青體系產生影響時，這種平衡將被打破，平衡體系隨之發生變化，并動態趨于新的平衡[5]。

根據能量最低原理，體系有自動降低表面能的趨勢。這種趨勢可以通過兩種途徑實現：一是通過縮小自身的比表面積，從而降低表面自由能；二是吸附某些性質相近的組分來降低表面能[6]。

改性劑加入基質瀝青中，改性劑與瀝青的混合包括兩個過程，一個過程是改性劑粒子在瀝青中輕質組分作用下發生溶脹。另外一個過程是作為分散相的改性劑粒子表面能量大，粒度小，吸附瀝青中的性質接近的組分能以降低表面能，形成一種穩定的界面吸附層[7]。

當PRM和PRS改性劑加入到瀝青當中后，會吸收和吸附瀝青中部分輕質油分發生溶脹，瀝青中的飽和分和芳香分的含量會相對減少，而膠質和瀝青質的含量會相對增加，瀝青原有的膠體平衡體系就被打破。體系將通過降低自身表面能的方式而趨于新的平衡。瀝青建立新的膠體平衡體系后，自身的物理力學性能隨之發生變化。

改性劑在瀝青中的溶脹程度、即吸收和吸附作用發生的強度，受到瀝青的組分和改性劑自身的材料和性質的影響。瀝青中飽和分和芳香分的含量越多、改性劑與瀝青組分成分越接近，溶脹程度越高。基質瀝青相同情況下，由掃描電鏡和熒光顯微試驗可知PRS溶脹程度大于PRM改性劑。而溶脹程度將直接影響到改性瀝青的性能。對于改性瀝青而言，經過改性劑的吸收和吸附作用，瀝青質和膠質含量相對增加，有利于增加瀝青的黏度，而黏度的增加勢必會改善瀝青混合料的水穩性能。

改性劑在不斷溶脹的同時，會有部分表面高分子鏈段擴散到瀝青當中。在改性劑微粒巨大表面能的作用下，擴散入瀝青中的高分子鏈段和吸收到改性劑內部成為內含溶劑的瀝青組分構成了界面層。PRS界面層較厚，作用力較強，在溶脹展開過程中形成空間網絡雛形。PRM界面層較薄，仍以顆粒形式分布。

由于界面層的存在，距離微粒表面越近的，瀝青分子受到的分子力作用越大，分子運動也會相應地減慢，從宏觀上的表現為抵抗外力形變的能力越強。在瀝青路面使用溫度范圍內，當溫度升高時，界面層限制了瀝青的流動，改性瀝青中固態向液態轉變的組分相較于基質瀝青的少，從而有利于提高瀝青的高溫性能；而在低溫時，界面層可以吸收和傳遞應力，增加瀝青低溫變形能力。綜合而言，界面層改善了改性瀝青的感溫性能。

3 混合料路用性能研究

3.1 高溫性能

車轍已經是我國瀝青路面早期損壞主要的形式之一。PRM和PRS兩種改性劑均具有改善瀝青混合料抵抗高溫永久變形的作用。采用60℃車轍試驗[8]對不同摻量的PRM和PRS改性瀝青混合料、基質瀝青混合料以及SBS改性瀝青混合料進行了車轍試驗。并采用動穩定度和相對變形率2個指標對瀝青混合料高溫性能進行評價。試驗結果圖1、圖2所示。

圖1 車轍試驗動穩定度

圖2 車轍試驗相對變形率

相較于基質瀝青混合料，摻加PRM和PRS的改性瀝青混合料動穩定度得到顯著的提高。在試驗摻量范圍內，隨著摻量增加，動穩定度逐漸增大。但并不是等比例增加，在0%～0.4%范圍內增幅較大，而0.4%～0.6%范圍內增幅平緩。在相同摻量情況下，PRS瀝青混合料的動穩定度均大于PRM。PRM和PRS在工程常用摻量0.4%情況下，動穩定度相對于SBS改性瀝青混合料也有較大程度的提高。動穩定度大小順序為PRS＞PRM＞SBS＞基質。相對變形率大小順序剛好與之相反。

3.2 水穩性能

水穩定性是瀝青混合料的重要的路用性能之一。國內評價水穩定性的方法很多，本文采用凍融劈裂試驗檢測混合料的水穩性能，并利用凍融劈裂強度比TSR對混合料的水穩定性進行評價。試驗結果如圖3所示。

圖3 凍融劈裂試驗TSR

在試驗摻量范圍內，TSR隨著PRM和PRS摻量增加而增大，說明摻加PRM和PRS改性劑對改善瀝青混合料的水穩定性起到了一定的作用。在摻量為0.4%時，PRM的TSR小于SBS，PRS大于SBS，均遠大于規范要求的75%。

3.3 低溫性能

本文采用低溫彎曲試驗[9]，利用彎曲破壞應變來評價混合料的低溫性能。試驗采用由輪碾法成型的車轍板切割而成的30 mm（寬）×35 mm（高）×250 mm（長）棱柱體小梁試件，采用試驗設備自帶環境箱控溫-10℃，加載跨徑為200 mm，加載速率為50 mm/min。試驗結果如圖4所示。

圖4 低溫彎曲試驗破壞應變

我國規范中以小梁最大彎拉破壞應變表征瀝青混合料抵抗低溫開裂的能力，破壞應變越大表征該種瀝青混合料的低溫抗裂能力越好。從破壞應變角度分析，加入高模量改性劑后，破壞應變亦有一定程度的提高。在試驗摻量范圍內，隨著PRM和PRS摻量的增加，破壞應變都隨之增加，但增幅均較小。摻量為0.4%時彎拉破壞應變大小順序為SBS＞PRS＞PRM＞基質。

4 結論

a）PRM和PRS改性瀝青微觀機理主要有吸收和吸附作用以及界面層作用。有利于提高瀝青的黏度和改善感溫性能。PRS溶脹程度大于PRM，界面層厚度亦大于PRM，這是由于兩者自身材料分子結構以及材料組成不同造成的。

b）摻加PRM和PRS改性劑對混合料高溫性能和水穩性能有顯著提高，對低溫性能有一定的改善作用。PRS對混合料路用性能的改善優于PRM。