關(guān)鍵詞：PE改性劑 | 瀝青混合料 | 路用性能 | 高溫性能

隨著城市發(fā)展和國民經(jīng)濟的快速騰飛，各地新建高速公路以滿足人們出行交通需求。高等級公路采用高性能瀝青混凝土，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)適用性要求通常采用AC、SMA、SUP等級配[1-3]。為全面提升道路的服役水平及壽命，國內(nèi)外研究學者對路面的結(jié)構(gòu)、材料等進行深入研究，認為改性瀝青、外摻劑等新材料可以改善材料路用性能，增強力學性能[4]。顧萬[5]等在再生瀝青混合料中摻入了高模量劑和玄武巖纖維進行性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)外摻劑材料可以提升混合料的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能;余紅杰[6]在AC-13和SMA-13兩種級配中摻入了抗車轍劑，認為可以大幅度改善瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力特征，增強材料的黏度性和抗壓強度，這對于材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和優(yōu)化是有利的。吳正光[7]等采用廢舊PE材料對AC-20級配的瀝青混合料進行路用性能試驗研究，認為PE改性劑材料可以提升混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，在高等級公路中具有廣闊的應(yīng)用推廣價值。無論是高模量劑、抗車轍劑還是PE改性劑，其有效成分均含有聚乙烯成分，該材料具有高彈性和高粘度，提高了瀝青的高溫流動性，并增加了瀝青的韌性。材料具有高彈高粘作用，可提高瀝青的粘度，改善高溫流動性，增da瀝青的韌性[8-10]。本研究將PE改性劑以不同摻量形式分別制備改性瀝青和瀝青混合料，通過性能測試探究PE摻量對其的性能影響演變規(guī)律，研究成果可為PE改性瀝青路面的應(yīng)用推廣提供理論基礎(chǔ)。

PE改性瀝青性能試驗研究

研究分別選取了0%、1.5%、3%、4.5%、6%的5種不同摻量的PE改性劑外摻入基質(zhì)瀝青中制備改性瀝青，通過針入度、軟化點、黏度等指標來研究材料技術(shù)指標變化規(guī)律[11-12]。其中，PE改性劑材料型號為PEⅢ-B，外表為黑色固體顆粒，其性能技術(shù)指標如下:外觀形貌為黑色/扁平狀顆粒，粒徑范圍2~6mm，密度0.92~0.98g/cm3。熔點135℃~150℃。選用瀝青為普通70#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

PE改性瀝青的制備工藝為:將基質(zhì)瀝青置于120℃烘箱中加熱待用，將基質(zhì)瀝青倒入高速剪切儀中進行剪切攪拌，再將PE改性劑分批加入剪切設(shè)備中，剪切時長控制在30min左右，溫度170℃，轉(zhuǎn)速3000r/min。將制備好的改性瀝青置于135℃烘箱中靜置30min后，進行瀝青性能測試相關(guān)的試驗。

研究將不同摻量下制備的PE改性瀝青進行瀝青的針入度、軟化點及黏度試驗，測試結(jié)果如表2所示。

相關(guān)技術(shù)性能隨PE改性劑摻量的變化關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，隨著PE改性劑摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸減小，軟化點和黏度逐漸增da，這與瀝青材料的特性直接相關(guān)。在PE改性劑添加初期，針入度下降趨勢較快，但后期下降趨勢減慢，這說明PE改性劑對瀝青特性的影響是較大的，但隨著PE摻量的逐漸增加，其有效成分聚乙烯使得瀝青材料內(nèi)部的彈性組分增加，黏度增da，當PE摻量過多時，瀝青材料中的油脂成分不能與聚乙烯形成有效地融合，材料的性能提升速率減緩?？紤]到PE改性瀝青的制備為濕法，與路面施工過程中直投式“干法”施工存在差異，研究需進一步探討PE改性劑在瀝青混合料中的性能影響。

PE改性瀝青混合料路用性能研究

研究將不同摻量的PE改性劑以“干法”方式制備AC-13級配的PE改性瀝青混合料，PE改性劑摻量分別為0%、1.5%、3%、4.5%、6%。分別考察了改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗開裂性能。

高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料在高溫環(huán)境下，容易使內(nèi)部瀝青油脂組分發(fā)生變形和遷移，使得內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，造成路面車轍、麻面、泛油等病害現(xiàn)象。研究常采用車轍試驗探究混合料高溫性能技術(shù)狀況，相關(guān)測試結(jié)果如表3所示。

繪制總變形和動穩(wěn)定度與PE改性劑摻量的變化曲線，如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，隨著PE改性劑摻量的增加，瀝青混合料的總變形逐漸降低，動穩(wěn)定度逐漸增da。相較于普通瀝青混合料，PE改性劑摻量為1.5%、3%、4.5%、6%時，對應(yīng)瀝青混合料的總變形分別下降30.33%、40.16%、44.26%、47.54%，動穩(wěn)定度分別增長61.48%、109.96%、133.42%、150.62%。PE改性劑中的彈性組分能夠增強瀝青的黏度，進而增強了材料的抗壓強度。PE改性劑均勻分散在瀝青混合料中，并與瀝青成分有效交融，在一定程度上也促進了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。然而，就瀝青的路用性能而言，并非高溫穩(wěn)定性越高，材料的性能越好，在一定程度上會削減其他指標性能。因此，需綜合考慮水穩(wěn)性能、低溫抗拉性能等指標。

水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是指混合料在水損傷環(huán)境下材料的劣化影響，水損傷既包括了雨水的沖刷浸潤損傷，也包括了在低溫環(huán)境下凍融損傷。研究通常采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來表征混合料的水穩(wěn)定性能，測試結(jié)果如表4所示。

繪制殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比分別與PE改性劑摻量的變化曲線，如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5可知，隨著PE改性劑摻量的增長，混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當PE改性劑摻量為3%時，混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比分別為93.4%和87.5%，相較于普通瀝青混合料，分別增長了3.20%和1.51%。在改性劑摻入初期，PE改性劑中的聚乙烯和瀝青的油脂成分能夠有效融合，形成不飽和狀態(tài)，使得瀝青的黏度增da，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。而PE改性劑摻量過多時，PE改性劑與瀝青形成不飽和狀態(tài)，PE中的聚乙烯含量過多會削弱材料的穩(wěn)定，造成局部應(yīng)力集中。

低溫抗裂性

瀝青混合料低溫開裂主要是因為在外界溫度的循環(huán)升降或者溫度短時間內(nèi)的急劇變化導致的溫度應(yīng)力大于材料本身的直接拉伸強度而產(chǎn)生的裂縫?；旌狭系蜏乜沽研匝芯坎捎眯×旱蜏貜澢囼炦M行研究，測試結(jié)果如表5所示。

研究繪制了抗彎拉強度、破壞應(yīng)變、勁度模量隨PE改性劑摻量的變化曲線，如圖6~圖8所示。由圖6~圖8可知，隨著PE改性劑摻量的逐漸增加，混合料的抗彎拉強度和破壞應(yīng)變逐漸增da，勁度模量逐漸下降。其中，破壞應(yīng)變的增da說明混合料在低溫環(huán)境下抵抗開裂變形的能力越強。相較于普通瀝青混合料，PE改性劑摻量在1.5%、3%、4.5%時對應(yīng)的破壞應(yīng)變分別增長20.67%、42.61%、74.45%，說明PE材料的增加可以顯著增強材料的抗開裂能力。其主要原因是PE材料中的彈性組分與瀝青混合料有效融合，使得瀝青混合料也具有一定彈性變形能力，在外部荷載作用下，混合料能夠抵抗低溫變形，在一定程度上可以提升材料路用性能和使用壽命。但是PE改性劑摻量的過多會導致材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在一定程度上會削弱材料性能。

PE改性劑無量綱化摻量比選

通過上述研究表明，PE改性劑材料與瀝青進行拌合可以提升材料的黏度，與瀝青混合料以干法拌合可以促進材料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性提升，對于水溫度性而言，會隨摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。為量化表征優(yōu)選的PE改性劑摻量，研究以動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比、破壞應(yīng)變?yōu)閰?shù)，進行無量綱化評價模型建立，如表6所示。

將無摻量化的相關(guān)技術(shù)指標進行排列，并賦予一定權(quán)重進行計算。考慮到殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均為水穩(wěn)定性能的評價指標，研究對動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、熔融劈裂強度比、破壞應(yīng)變的權(quán)重幅值分別為1/3、1/6、1/6、1/3。通過無量綱化的賦值和權(quán)重進行乘積計算可得到zui終的PE改性劑摻量排序方案。0%、1.5%、3%、4.5%、6%的5種摻量下的zui終量化指標分別為0.65、0.77、0.89、0.97、0.95。結(jié)合本試驗研究及實際的道路施工技術(shù)狀況，建議采用4.5%摻量的PE改性劑應(yīng)用于實際施工。

結(jié)語

PE改性劑作為一種低成本、高性能的路面材料添加劑，可在一定程度上改善瀝青混合料的路用性能。研究分別選取了1.5%、3%、4.5%和6%摻量的PE改性劑制備改性瀝青及其瀝青混合料，并與普通瀝青混合料進行性能對比分析，認為PE改性劑可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗開裂性能，對于水穩(wěn)定性能而言，PE改性劑摻量的過多會在一定程度上削弱瀝青混合料的水穩(wěn)定性，研究通過無量綱化的指標評價計算，zui終推jian4.5%摻量的PE改性劑。對PE改性瀝青混合料的深入研究，有利于全面改善混合料路用性能，提升道路服役水平和使用壽命。

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全文完 發(fā)布于《公路工程》2021年4月。作者簡介:萬鈺(1989-)，女，湖南湘鄉(xiāng)人，工程師，研究方向:公路與橋梁工程

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棱柱體小梁四點彎曲試驗是 2011 年交通部行業(yè)標準《公路工程瀝青及瀝青混合料規(guī)程》增加的評價瀝青混合料疲勞性能和測量勁度模量的非常重要的試驗方法。該方法可以在DTS多功能動態(tài)試驗系統(tǒng)中進行，也可以使用單獨式系統(tǒng)，搭配溫控環(huán)境箱進行試驗。尤其對于試驗任務(wù)量比較大的單位，因為疲勞試驗可能持續(xù)的時間比較長，幾小時到幾天、甚至幾周，所以配備一套單獨式的瀝青混合料疲勞試驗系統(tǒng)是非常有必要的。

意大利matest-澳大利亞Pavetest氣動伺服四點彎曲疲勞試驗機 (4PB) 是采用數(shù)字控制高性能伺服閥，提供高達60Hz的準確加載波形的氣動伺服試驗儀。四點彎曲疲勞試驗機可加載半正弦波和正弦波，受控應(yīng)變或受控正弦應(yīng)力控制模式，測試多種尺寸瀝青混合料小梁的彎曲勁度/模量。

適用規(guī)范

▍AASHTO T 321 熱拌瀝青混合料重復彎曲疲勞壽命

▍ASTM D7460 熱拌瀝青混合料重復彎曲疲勞損傷

▍AG:PT/T233 & ASTM 03 熱拌瀝青混合料重復彎曲疲勞壽命

▍EN 12697-24 Annex D- 棱柱體試件的四點彎曲試驗

▍EN 12697-26 Annex B- 棱柱體試件的四點彎曲試驗 (4PB-PR)

▍T0739-2011 瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗

產(chǎn)品特點

▍試樣通過伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠牢固夾緊，可始終維持預定的夾緊力，保證測試過程中試樣在產(chǎn)生屈服變形時仍能被持續(xù)夾緊，夾緊力通過調(diào)節(jié)電機電流控制。

▍兩個夾緊開關(guān)在儀器前方，用于試樣梁的左右兩側(cè)和中間側(cè)夾緊點的夾緊和放松，四個試樣夾緊框可實現(xiàn)所有加載點和反力點的旋轉(zhuǎn)和橫向移動。

▍頂部夾緊塊的標志線，可幫助操作者在夾緊前橫向?qū)χ性嚇恿骸?/p>

▍氣動伺服系統(tǒng)使用底部氣動加載作動器，配備高性能氣動伺服閥，PID 閉環(huán)控制，運行中的自適應(yīng)控制，可始終維持測試所需的應(yīng)力/應(yīng)變。

▍薄型高性能不銹鋼圓形荷載傳感器，用于實時測量和控制荷載，主軸位移傳感器可實現(xiàn)中間加載框架的準確定位。

▍試樣表面位移傳感器(On-specimen LVDT)可按設(shè)定進行控制并測量試樣梁有效范圍內(nèi)的整體彎曲變形(而不是懸浮式的測量部分變形的方法)，符合相關(guān)標準的要求。

▍基于 Windows 的 TestLab 軟件提供的用戶界面，簡單、效率高并符合有關(guān)國際標準。

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