交聯聚乙烯改性瀝青混合料高溫性能研究*

卜宇翔 葉群山

(長沙理工大學交通運輸工程學院 長沙 410114 )

我國南方大部分地區屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨；加之高速公路上的車輛重載、超載現象嚴重。因此，瀝青路面會受到高溫、雨水及車輛荷載等多種因素的耦合作用，一方面使瀝青路面“軟化”現象嚴重，抗車轍性能不足，其塑性變形會在車輛荷載作用下逐漸累積，瀝青路面平整度降低[1]；另一方面，雨水會在高溫環境中迅速汽化，極易進入瀝青與集料的粘附表面，致使瀝青膜脫落，最終表現為路面病害，嚴重損害了瀝青路面的路用性能和使用壽命[2]。

為提高瀝青路面的高溫穩定性，主要有兩種途徑，一是優化瀝青混合料級配，通過改變混合料級配的空隙率，促使瀝青混合料路用性能得以改善[3]；二是改善瀝青路面材料，通過采用各種新型的改性劑與添加劑對基質瀝青進行改性，從而增強瀝青混合料的高溫穩定性[4-5]。聚乙烯(PE)常用為道路瀝青的改性劑，由于聚乙烯大分子鏈能夠吸附瀝青中的輕質油分，有效阻滯瀝青分子的流動，對瀝青高溫穩定性有較大的提升，但與瀝青的相容性較差，其優良的性質不能傳遞給瀝青，改性效果不佳。

交聯聚乙烯(XLPE)是通過物理或化學方法將線性的聚乙烯分子通過共價鍵交聯成三維空間網狀結構的一種改性聚乙烯[6-9]。與傳統的聚乙烯相比，具有良好的耐熱性能、高強度機械性能和穩定的化學性能等優點。因此，交聯聚乙烯用作瀝青改性劑，不但將其優越的高溫性能傳遞給瀝青，而且以改性劑為核心的膠團能夠均勻穩定存在，顯著改善了瀝青的流變性能和力學性能，其改性瀝青混合料路用性能也隨之增強，從而減少瀝青路面病害的發生。

1 瀝青混合料材料組成

1.1 瀝青

本研究中XLPE改性瀝青自行制備，其改性劑為埃及石化(54503)XLPE料，XLPE 的摻量為3%，5%，7%，并進行了相關試驗，得出不同摻量的XLPE改性瀝青的性能。其主要技術指標見表1。

表1 不同摻量XLPE改性瀝青技術指標檢測結果

為更好研究交聯聚乙烯改性瀝青的高溫穩定性，選取了3個對比組：70號基質瀝青、SBS改性瀝青和5%PE改性瀝青。其主要技術性能見表2。

表2 對比組瀝青技術指標檢測結果

1.2 集料

試驗選取質地優良的粗集料、細集料和填料，其主要技術特性符合規范要求，并通過篩分試驗，獲得合理的AC-13級配。級配組成見表3。

表3 AC-13級配組成

2 瀝青混合料試驗

2.1 馬歇爾試驗

為確定瀝青混合料的最佳油石比，對6組瀝青混合料進行了馬歇爾試驗，通過測定試件的毛體積相對密度、流值、穩定度等相關指標，得到基質、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%。

2.2 單軸重復蠕變試驗

實驗采用MTS材料試驗機，旋轉壓實法成型試件，試件尺寸為直徑×壁厚=100 mm×100 mm；試驗溫度設置3個水平，分別為40，50，60 ℃；加載應力取標準軸載，即0.7 MPa；加載波形采用半正弦波，加載時間0.1 s，間歇時間0.9 s，以1 s為一個加載循環，加載5 000次循環。

3 試驗結果及分析

3.1 單軸重復蠕變曲線分析

通過單軸重復試驗得到各組瀝青混合料在不同溫度下蠕變曲線，如圖1所示。

圖1 各瀝青混合料不同溫度單軸重復蠕變曲線

由圖1可見，在不同溫度下各組瀝青混合料單軸重復蠕變曲線變化趨勢基本相同，均經歷了遷移期、穩定期、破壞期3個階段。其中隨著荷載作用次數的增加，基質瀝青混合料試件變形量及變形速率均最大，而其他5種瀝青混合料的變形相對較小，這表明改性劑的摻入改善了瀝青混合料的高溫性能，改性劑吸收瀝青中輕質組分并形成了穩定的膠團，有效地阻止了瀝青分子的高溫流動，同時也增強了瀝青中彈性成分，使其在高溫條件下變形恢復能力增強，永久變形的累積速率變緩。

在5組改性瀝青混合料中，SBS改性瀝青混合料變形量最小，這是因為SBS與瀝青形成了空間網絡結構，由于結構之間存在強烈吸附作用，有效限制了瀝青質點的位移及其膠體流動能力，使瀝青的的內聚力和柔韌性得到提升。對于3組不同摻量的XLPE瀝青混合料而言， XLPE的摻量是影響瀝青混合料高溫性能的關鍵，隨著XLPE摻量的增加，呈現出先增強后減弱的總體趨勢，當XLPE摻量為5%時，XLPE改性劑分子長鏈全部得以舒展，吸收了瀝青芳香烴等輕質組分，形成了穩定三維空間結構，將XLPE優越的高溫性能傳遞給瀝青，改善了瀝青的流變性能和力學性能，故由此制備的瀝青混合料具有較好的高溫性能。

3.2 蠕變勁度模量分析

不同溫度下各瀝青混合料遷移期和穩定期的蠕變勁度模量見圖2。

圖2 各瀝青混合料不同溫度蠕變勁度模量變化圖

由圖2可見，同一溫度下，各瀝青混合料的蠕變勁度模量隨荷載作用次數增加而逐漸降低，這是因為瀝青混合料在循環荷載作用下，產生了疲勞現象，瀝青混合料彈性恢復能力降低，蠕變勁度模量減小；對于同一種瀝青混合料而言，試驗溫度越高，瀝青混合料的蠕變勁度模量也就越小，這是由于溫度升高，瀝青的“軟化”效應顯著，荷載作用下其塑性變形量增大，并逐漸累積，致使蠕變勁度模量也隨之降低，6組瀝青混合料中，改性瀝青混合料的蠕變勁度模量高于基質瀝青，即便溫度升高，其模量降低速率也明顯低于基質瀝青，這證明改性瀝青混合料高溫穩定性優于基質瀝青。

對于5組改性瀝青混合料而言，采用SBS和5%XLPE改性后瀝青混合料總體性能較好，在荷載作用初始階段，其蠕變勁度模量較SBS改性瀝青混合料大；荷載作用次數超過1 000次時，SBS改性瀝青混合料模量較大，2種瀝青混合料各具優點。XLPE的摻量不斷增加時，瀝青混合料的蠕變勁度模量也隨之變化，當摻量為5%時，其模量最大，此時XLPE改性瀝青混合料的高溫性能最優。

3.3 流變次數及永久變形量分析

不同溫度下，各瀝青混合料的流變次數和永久變形量見圖3。

圖3 各瀝青混合料不同溫度下流變次數和永久變形量

由圖3可見，各瀝青混合料的流變次數隨溫度升高呈降低趨勢，這是由于溫度升高，作為膠結料的瀝青會逐漸軟化，對集料表面產生潤滑作用，減弱了集料之間的嵌擠力，導致了瀝青混合料的內摩擦力降低，瀝青混合料的整體強度也隨之下降，應力控制模式下，荷載峰值一定，加速其破壞進程。

由流變次數可知，基質瀝青混合料高溫性能最差，SBS改性瀝青混合料最好，而5%摻量的XLPE改性瀝青混合料的性能僅次于SBS。流變次數所對應的永久變形量，隨著溫度升高，各瀝青混合料所呈現變化趨勢不同，未體現一定的變化規律。

4 結論

1) XLPE吸收了瀝青中芳香烴等輕質組分，形成了穩定三維空間結構，有效地阻止瀝青分子高溫流動，減弱了瀝青的高溫“軟化”效應，保持了對集料的粘聚力，促使瀝青混合料荷載作用下永久變形的累積速率變緩。

2) XLPE將優越的高溫性能傳遞給瀝青，同時增加了瀝青中彈性成分，變形恢復能力增強，瀝青混合料的蠕變勁度模量也得以提高。

3) XLPE摻入瀝青中，顯著增加了瀝青混合料流變次數，但對永久變形量影響未體現一定的規律。

4) XLPE摻量是影響瀝青混合料高溫性能的關鍵因素，當XLPE摻量為5%時，其混合料高溫穩定性最優。

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