不同復合材料在瀝青改性中的應用研究

潘國志

（喀左縣交通運輸事務服務中心，遼寧 朝陽）

前言

隨著我國車輛數量及道路數量的顯著增加，對瀝青路面的性能要求也越加嚴格。根據以往的研究表明，通過添加不同的復合材料能夠顯著增強瀝青路面的綜合性能，如通過向瀝青中添加橡膠粉，能夠增強瀝青的黏度、流動變形特性、抗滑特性及抑制路面結冰等[1-3]。同時，還有學者研究了橡膠粉對瀝青路面性能的提升機理，發現橡膠粉能從物理和化學兩方面對瀝青的結構進行改性[4-5]。加之橡膠粉取自日益增多的廢舊輪胎中，能夠減小對環境的不利影響，因此橡膠改性瀝青得到了廣大學者的關注和工程推廣應用。

但是，橡膠改性瀝青也存在一定的缺陷，如橡膠粉在瀝青中的成團現象，給橡膠粉改性瀝青的推廣應用帶來一定的挑戰[6]。研究發現，通過向橡膠粉改性瀝青中再次加入多聚磷酸、石墨烯等外摻劑能夠基本消除橡膠粉改性瀝青的缺陷。周育名等[7]研究了多聚磷酸對橡膠粉改性瀝青的性能提升影響規律，研究發現多聚磷酸能強化橡膠粉改性瀝青的性能；劉建敏[8]還研究了多聚磷酸與橡膠粉聯合改性瀝青中多聚磷酸的最佳摻量；孟勇軍等[9]研究了石墨烯與橡膠粉聯合改性瀝青的路用性能，發現石墨烯能夠增強橡膠粉改性瀝青的高溫穩定性及其余路用性能指標。

隨著眾多研究及市場中出現的瀝青改性添加劑種類越來越多，它們之間對瀝青性能的影響對比研究目前還較少發現。因此，本研究將對常見的幾種瀝青改性復合材料對瀝青的性能影響進行對比研究。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 原材料

本研究使用的原材料為SK-90 基質瀝青，其針入度為94.5 mm、軟化點為47.3 ℃、密度為1.004 g/cm3、15 ℃延度大于150；添加劑為40 目橡膠粉、105%多聚磷酸以及石墨烯，其主要參數如表1 所示。

表1 添加劑的主要參數

1.2 試驗方法

本研究以基質瀝青為對照組，對比研究橡膠粉、橡膠粉- 多聚磷酸、橡膠粉- 石墨烯以及橡膠粉- 多聚磷酸- 石墨烯四組復合材料對基質瀝青的改性效果，四組瀝青的編號分別為CG、CR、CR-P 和CR-P-G。根據前人的研究，將橡膠粉的摻量設定為瀝青質量15%、橡膠粉- 多聚磷酸中多聚磷酸摻量為瀝青質量的0.8%、橡膠粉- 石墨烯中石墨烯的摻量為瀝青質量的0.05%、橡膠粉- 多聚磷酸- 石墨烯中多聚磷酸和石墨烯的摻量分別為瀝青質量的0.4%和0.025%。

在溫度170 ℃條件下對基質瀝青進行加熱融化，然后向融化的瀝青中加入添加劑，隨后通過高速剪切乳化機進行1 h 的攪拌，攪拌速度為4 000 r/min。依據JTG E20-2011 標準，對不同瀝青混合料的軟化點、延度、高低溫性能和車轍試驗指標進行測試。

2 試驗結果

2.1 軟化點

各種復合改性瀝青和基質瀝青的軟化特點在圖1顯示。從圖中我們可以看到，由于復合材料的增加，瀝青的軟化特點也明顯提高。以往的實驗結果表明[10]，橡膠粉能夠改變瀝青的結構，使其內部形成一定的網狀結構，增大其比表面積，增強瀝青與橡膠粉之間的分子力，從而增強瀝青的高溫性能；多聚磷酸提高了瀝青的高溫特性，主要由于它可以提高材料中的瀝青質濃度和膠團數量, 從而達到提高膠團之間的熱相互作用能力,最終可以改善材料的高溫特性[8]；石墨烯能夠改善橡膠粉在瀝青中的成團現象，使其分布均勻，充分發揮橡膠粉對瀝青的改善效果[9]；三種材料組合形成的復合材料對瀝青的高溫性能提升最為明顯。

圖1 不同復合材料改性瀝青的軟化點

2.2 抗車轍因子

因為瀝青在高溫與車輛的影響下的主要損傷方式為軌轍變形, 所以利用在不同高溫環境下瀝青的耐車轍作用,來表現瀝青的耐高溫特性。各種復合改性瀝青和基質瀝青在不同工作溫度下的抗車轍因子試驗情況如圖2 所示。從圖中可以看出，所有組別的瀝青的抗車轍因子隨著溫度的升高均呈現降低的趨勢，這是由瀝青材料自身特性所決定的，瀝青從低溫向高溫的變化過程中會從彈性體轉化為黏性體，彈性體的恢復變形能力更強，黏性體的恢復變形能力較弱。從圖中還可以看出，在低溫下，加入不同復合材料后，瀝青的抗車轍因子降低，即瀝青材料的恢復變形能力變弱，但是隨著溫度的升高，加入復合材料后的改性瀝青的恢復變形能力降低幅度顯著降低，說明復合材料對瀝青的改良效果更加優異。

圖2 不同復合材料改性瀝青的抗車轍因子

2.3 延度和蠕變勁度

通過不同瀝青材料的低溫延度和蠕變勁度兩個參數來表征其低溫性能，蠕變勁度的測試是通過彎曲梁流變儀在-12 ℃條件下進行的。不同材料改性瀝青以及基體瀝青的溫度延度和彎曲蠕變勁度試驗數據在圖3 中給出。由圖中可以發現，改性橡膠粉的添加可以在明顯改善基體瀝青的溫度延度的同時，明顯減少了基體瀝青的蠕變勁度值，即橡膠粉能顯著增強基質瀝青的低溫性能，但是在橡膠粉改性瀝青中單獨加入多聚磷酸和石墨烯對瀝青的延度和蠕變勁度影響不大，說明復合材料改性瀝青的低溫性能主要受橡膠粉的影響，這與前人的研究結果一致[7]。但是在橡膠粉中加入多聚磷酸和石墨烯的混合物后瀝青的延度再次升高，蠕變勁度再次降低，說明橡膠粉- 多聚磷酸-石墨烯三元復合材料改性瀝青混合料的低溫性能最優。

圖3 不同復合材料改性瀝青的延度和蠕變勁度

2.4 路用性能

復合材料改性瀝青既能增強基質瀝青的高溫性能又能增強其低溫性能，因此以不同復合材料改性瀝青為膠結料，配制AC-13 密級配瀝青混合料探索復合材料對瀝青混合料路用性能的影響。不同復合材料改性瀝青的穩態穩定度如圖4 所示。從圖中可以看出，橡膠粉的加入能夠顯著提高瀝青混合料的動態穩定度，在橡膠粉中加入多聚磷酸、石墨烯和兩者的混合物后瀝青混合料的動態穩定度再次提升，說明復合材料改性瀝青的高溫穩定性最強，其中橡膠粉- 多聚磷酸- 石墨烯三元復合材料改性瀝青混合料的穩態穩定度最高，即高溫性能最優。

圖4 不同復合材料改性瀝青混合料的車轍試驗結果

不同復合材料改性瀝青混合料的小梁彎曲試驗測試結果如圖5 所示。從圖中可以看出，橡膠粉的加入能夠降低基質瀝青混合料的彎曲勁度模量，但是在橡膠粉改性瀝青中分別加入多聚磷酸和石墨烯后瀝青混合料的彎曲勁度模量變化不大，甚至還有所增大，說明混合料的低溫性能主要受橡膠粉的影響，這與瀝青的低溫性能研究結果一致。但是在橡膠粉中加入多聚磷酸和石墨烯的混合物后瀝青的彎曲勁度模量再次降低，說明橡膠粉- 多聚磷酸- 石墨烯三元復合材料改性瀝青混合料的低溫性能最優。

圖5 不同復合材料改性瀝青混合料的彎曲勁度模量

3 結論

本研究通過研究不同材料對基質瀝青高低溫性能及其路用性能的影響，得到如下幾點結論：

（1） 僅橡膠粉作為改性劑時能增大基質瀝青的軟化點、抗車轍因子和延度，降低其蠕變勁度，達到增強基質瀝青高低溫性能的效果。

（2） 在橡膠粉基礎上添加多聚磷酸、石墨烯和兩者的混合物后能再次提高瀝青的軟化點、抗車轍因子和延度，降低其蠕變勁度，其中高溫性能改善效果優于低溫性能改善效果。

（3） 橡膠粉- 多聚磷酸- 石墨烯三元復合材料改性瀝青混合料的高低溫性能最優。