交聯(lián)聚乙烯改性瀝青混合料水穩(wěn)定性研究*

索穎浩 卜宇翔 葉群山

(1.廣東冠粵路橋有限公司 廣州 511400； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114 )

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通量日益增加，公路交通所承受的壓力日益增大，同時(shí)在氣候環(huán)境等因素的影響下，我國(guó)瀝青道路遭受著不同程度的損害，導(dǎo)致瀝青路面的壽命急劇縮減。其中由于瀝青路面的水穩(wěn)定性不足引起的水損害是瀝青路面的典型病害之一，常常導(dǎo)致道路在通車投入使用前期就出現(xiàn)路面集料剝落形成坑槽，縮短路面使用壽命[1]。

瀝青混合料水穩(wěn)定性是指瀝青與集料拌和后，瀝青的粘附性將集料膠結(jié)成一個(gè)整體[2]。而瀝青路基面的水損害是指路面在有水存在的狀態(tài)下，由于水在集料表面的附著力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瀝青，所以當(dāng)其進(jìn)入瀝青與集料的膠結(jié)界面后會(huì)替代瀝青附著在集料表面，進(jìn)而引起瀝青膜剝落，最終形成破壞，降低路面強(qiáng)度[3]。

工程實(shí)踐表明，導(dǎo)致瀝青面層水損壞的原因主要包括瀝青路面水環(huán)境、施工工藝及瀝青路面材料特性[4]。其中，路面材料特性主要包括瀝青的性能、集料的酸堿性、礦料的表面性質(zhì)和混合料的級(jí)配類型等多個(gè)因素。而瀝青的技術(shù)指標(biāo)是影響混合料水穩(wěn)定性的主要因素，添加改性劑會(huì)提高瀝青的粘附性，有利于瀝青在集料表面形成致密的瀝青膜，有效阻止水分滲入。

本文所使用的交聯(lián)聚乙烯改性劑是通過物理或化學(xué)方法將線性的聚乙烯分子通過共價(jià)鍵交聯(lián)成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一種改性聚乙烯[5-8]，其材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨損和抗沖擊性能都得到顯著的提高，而交聯(lián)聚乙烯所具有的穩(wěn)固的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效提升了材料的抗酸堿腐蝕與抗油腐蝕性能。因此，相較于傳統(tǒng)聚乙烯，交聯(lián)聚乙烯具有更好的耐熱性、更強(qiáng)的機(jī)械性能及更穩(wěn)定的化學(xué)性能。根據(jù)以上分析，以交聯(lián)聚乙烯作為改性劑可有效改善瀝青基本特性，提高瀝青混合料的路用性能，有效降低路面病害發(fā)生的可能性。

1 瀝青粘附性試驗(yàn)

1.1 瀝青性能指標(biāo)

本文采用埃及石化(54503)交聯(lián)聚乙烯料對(duì)瀝青進(jìn)行改性，XLPE 的摻量分別為3%，5%，7%，通過相關(guān)試驗(yàn)，獲得不同摻量的XLPE改性瀝青的性能。其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 不同摻量XLPE改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

為更直觀地了解交聯(lián)聚乙烯改性瀝青的水穩(wěn)定性，本文同時(shí)選取了3個(gè)對(duì)比組，分別為70號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和5%PE改性瀝青。其主要技術(shù)性能見表2。

表2 對(duì)比組瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2 瀝青與粗集料的粘附性試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用水煮法評(píng)價(jià)XLPE改性瀝青與集料的粘附性，根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)范要求選取粒徑為13.2～16 mm的粗集料，烘干后浸入130～150 ℃的瀝青中45 s，在取出并冷卻至室溫后放入沸水中水煮3 min，取出集料觀察水煮后瀝青膜脫落情況，并對(duì)其粘附性等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。

本文采用瀝青膜剝落比評(píng)價(jià)各組瀝青與集料的粘附性，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 粘附性試驗(yàn)結(jié)果

圖1 基質(zhì)瀝青剝落試驗(yàn)前后對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，裹覆在集料上的基質(zhì)瀝青和5%PE改性瀝青部分脫落，因此，評(píng)定其瀝青的粘附等級(jí)為4級(jí)?；|(zhì)瀝青在試驗(yàn)前的裹覆狀態(tài)見圖1a)，可見其表面有鏡面光澤圓潤(rùn)，集料表面瀝青膜厚度均勻；基質(zhì)瀝青經(jīng)過水煮后的裹覆狀態(tài)見圖1b)，可以看出原有鏡面光澤暗淡，瀝青膜厚度上下不一致，且系集料的細(xì)線上裹覆了一層瀝青，瀝青與集料的粘附性較差。而SBS改性瀝青和XLPE改性瀝青，在試驗(yàn)前后集料表面上裹覆的瀝青膜基本沒有變化，瀝青粘附等級(jí)均為5級(jí)。5%XLPE改性瀝青的具體裹覆狀態(tài)見圖2。

圖2 5%XLPE改性瀝青剝落試驗(yàn)前后對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)過程中，未出現(xiàn)瀝青上浮到水面的現(xiàn)象，而試驗(yàn)前后其表面的鏡面光澤和瀝青油膜厚度基本一致，這表明SBS和XLPE改性劑能夠增強(qiáng)瀝青與集料的粘附性。

水煮法實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然能大致反映瀝青與集料的粘附性，但僅能夠區(qū)別水穩(wěn)定性差別較大的瀝青。對(duì)于XLPE改性瀝青，通過水煮試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)定其與集料的粘附性較好，但是不能反映XLPE摻量對(duì)瀝青粘附性的影響規(guī)律。因此，瀝青油膜剝落比僅作為一個(gè)檢測(cè)值，XLPE改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的具體表現(xiàn)還需進(jìn)一步研究。

2 瀝青混合料水穩(wěn)定性

2.1 瀝青混合料級(jí)配

試驗(yàn)采用的級(jí)配為AC-13型，通過選取質(zhì)地優(yōu)良且技術(shù)性質(zhì)達(dá)標(biāo)的粗集料、細(xì)集料和填料以形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，其級(jí)配組成見表4。同時(shí)通過馬歇爾試驗(yàn)，可以得出基質(zhì)，5%PE，SBS，3%XLPE，5%XLPE和7%XLPE改性瀝青混合料的最佳油石比分別為5.2%，5.3%，5.3%，5.3%，5.2%，5.3%。

表4 AC-13級(jí)配組成

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

XLPE改性瀝青混合料水穩(wěn)定試驗(yàn)按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》凍融劈裂試驗(yàn)要求制備基質(zhì)和各改性瀝青混合料，每種混合料分為2組，每組3個(gè)試件。第1組為對(duì)照組，置于室溫下保存。第2組試件經(jīng)過飽水(1 h)、冷凍(16 h，(-18±2)℃)、高溫融化(水浴24 h，(60±0.5)℃)3個(gè)過程，以模擬實(shí)際的瀝青路面工作環(huán)境。將2組試件浸入(25±0.5)℃的恒溫水浴2 h，取出后采用UTM材料試驗(yàn)機(jī)在50 mm/min的加載速率下加載至破壞，測(cè)定其劈裂荷載極值，計(jì)算出劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比，以此來評(píng)價(jià)XLPE改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 混合料冷凍劈裂前后試驗(yàn)對(duì)比

由圖3可見，基質(zhì)瀝青在未經(jīng)凍融的情況下，其試件破壞界面黑色部分居多，經(jīng)過凍融后，其界面絕大部分為黑色，表現(xiàn)為瀝青脫落的破壞。這表明基質(zhì)瀝青與集料的粘附性較差，受到水分侵蝕后，其粘附性更差。PE，SBS，XLPE改性瀝青混合料在凍融前后，其界面上黑色部分有少許增加，但趨勢(shì)不明顯，這說明改性劑的摻入，增強(qiáng)了瀝青與集料的粘附性，在飽水環(huán)境中，具有抵抗水浸入的能力，經(jīng)改性后的瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好。

凍融劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5和圖4所示。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖4 瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度變化圖

由表5和圖4可見，基質(zhì)瀝青凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度均為最低，分別為0.96，0.82 MPa，且下降幅度最大，達(dá)到13.9%，其水穩(wěn)定性最差。通過摻入改性劑后，瀝青混合料凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度均有一定提升。其中以SBS改性瀝青混合料最優(yōu)，其相應(yīng)強(qiáng)度分別達(dá)到1.22，1.12 MPa。對(duì)比3種不同摻量的XLPE改性瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度，3%XLPE改性瀝青混合料最低，僅略高于基質(zhì)瀝青，而5%XLPE改性瀝青混合料僅次于SBS改性瀝青混合料，改善效果明顯。

5%PE改性瀝青、SBS改性瀝青、3%XLPE改性瀝青、5%XLPE改性瀝青、7%XLPE改性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別為89.2%，92.2%，87.9%，92.9%，90.8%，其中以5%XLPE改性瀝青混合料的下降幅度最小。

因此，從以上2個(gè)方面分析得出，SBS改性瀝青混合料用于路面鋪筑初期，其水穩(wěn)定性較優(yōu)，但隨著時(shí)間的推移，性能下降較快，而XLPE改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性取決XLPE改性劑的摻量，摻量為5%其性能較好，凍融后性能降幅也較緩，與SBS瀝青混合料相比，各有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

1) 通過水煮法試驗(yàn)，較直觀地表現(xiàn)出了經(jīng)過XLPE改性后的瀝青相比于基質(zhì)瀝青具有更加優(yōu)異的粘附性。

2) 5%XLPE改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度雖略低于SBS改性瀝青混合料，但5%XLPE改性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比下降幅度相對(duì)較緩。因此，與SBS瀝青混合料相比，各有優(yōu)勢(shì)。

3) 經(jīng)XLPE改性過后的瀝青混合料水穩(wěn)定性具有一定提升，且XLPE改性劑的摻量是影響其瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)鍵點(diǎn)，具體表現(xiàn)為隨著XLPE摻量的不斷增加，其混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均呈先上升后下降的規(guī)律，當(dāng)XLPE摻量為5%時(shí)，其混合料水穩(wěn)定性最優(yōu)。

[1] 沙慶林.高速公路瀝青路面的水損害及其防治措施[J].國(guó)外公路，2000，20(3)：1-4.

[2] 沈金安.改性瀝青與SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3] 胡秋生，周剛，王火明，等. PAE和硅藻土復(fù)合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性研究[J].中外公路，2015，35(4)：282-285.

[4] 彭波，李文瑛，危擁軍.瀝青混合料材料組成與特性[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5] 劉生鵬，張苗，吳昊澤，等.聚乙烯改性進(jìn)展[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(3)：31-36.

[6] 肖慶一. 摻加抗車轍劑瀝青混合料技術(shù)性能及其數(shù)值模擬研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006．

[7] 陳烜捷,羅蓉,張安富，等.集料表面改性劑對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2017,41(4):642-646.

[8] 陸騰飛，葉群山.基于DSR的交聯(lián)聚乙烯改性瀝青流變性能研究[J].西部交通科技，2015(12)：15-18．