添加剂对高模量沥青及其混合料性能的影响

彭 振 宇

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

添加剂对高模量沥青及其混合料性能的影响

彭 振 宇

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

为了给沥青路面推荐较优高模量沥青混合料添加材料，采用车辙试验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验，以试件的最大变形、冻融劈裂强度比(TSR)和疲劳寿命为评价指标，对比研究了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和聚乙烯(PE)两种添加材料，在不同添加剂量条件下对比沥青混合料的性能作用效果。根据研究结果在夏季高温地区，建议采用添加剂量为4.0%的聚合物SBS；在夏季多雨地区或者交通量繁重路段，建议聚合物SBS和聚乙烯PE混合使用，并且掺量为3%。

路面工程；高模量沥青；聚合物SBS；聚乙烯PE；对比研究

1 试验方案及原材料技术指标

1.1 试验组织方案

笔者拟研究聚合物SBS和聚乙烯PE两种添加材料制备的高模量沥青混合料的性能。由于高模量沥青的黏度较大，因此在拌合时需要将温度适当提高，温度控制在180℃±5℃。这两种材料的添加方法，均为在沥青混合料拌合时，直接将材料添加其中。由于PE材料相对于沥青混合料质量较小，容易漂浮在沥青混合料之上。因此拌合时间要比普通沥青混合料长30 s，使其拌合充分均匀。沥青材料采用国内路面建设常用的70号A级道路石油沥青。以沥青混合料试件的总变形量、TSR和疲劳寿命为评价指标，研究并分析两种材料不同掺量对基质沥青混合料的性能影响。

当聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料混合使用时，两者的添加剂量各占一半。根据工程需要，本试验所使用的所有沥青混合料试件，其油石比采用统一值4.5%。试验方案流程见图1。

图1试验方案流程图

1.2 原材料技术指标

(1) 基质沥青技术指标。基质沥青技术指标检测结果见表1。

表1 70号A级基质沥青检测结果

(2) 添加剂技术指标。添加剂检测结果见表2。

表2 添加剂检测结果

(3) 集料与矿粉检测指标。集料和矿粉检测结果见表3～表5。

表3 粗集料检测结果

表4 细集料检测结果表

表5 矿粉常规指标检测结果

(4) 采用矿料级配检测指标。采用矿料级配检验结果见表6、表7。

表6 AC-20C矿料百分通过率

表7 AC-20C级配组成

2 试验结果及分析

2.1 高温变形性能试验结果与分析

为测试不同材料在不同添加剂量条件下，其高模量试件高温性能，本试验采用车辙试验，以最大变形量为检测指标，研究不同添加剂量的聚合物SBS和聚乙烯PE材料对70号A级道路石油沥青混合料的性能作用效果。按照规范[11]成型车辙试件，试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，加载装置在60℃时为0.7 MPa，试验时间60 min。记录车辙试件的最大变形量。其试验结果见图2。

图2材料添加剂量与试件最大变形量的关系

由图2可知，加入聚合物SBS的高模量沥青混合料，其车辙最大变形量，随着其添加剂量的增加而增大，在添加剂量为4%时，变形量最大值为1.741 mm。其次是共同添加聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料的高模量沥青混合料，在其添加剂量为4%，车辙试件的变形量最大值为1.564 mm，仅次于聚合物SBS高模量沥青混合料。加入聚乙烯PE的高模量沥青混合料，其车辙最大变形量，随着其添加剂量的增加，先升高后降低，在添加剂量为3%时，变形量最大值为1.057 mm。这是因为少量的聚乙烯PE材料添加在沥青混合料中，能够提高沥青混合料的黏度，导致聚乙烯PE高模量沥青混合料的高温变形性能有所提高。当聚乙烯PE材料添加剂量过大时，其在沥青混合料中不能够充分拌合均匀，继续加大其添加剂量，沥青混合料的黏度就会降低，导致试件的高温变形性能有所下降[12]。

2.2 水稳定性试验结果与分析

为了测试采用聚合物SBS和聚乙烯PE这两种材料制备的高模量沥青混合料的水稳定性能，本研究采用冻融劈裂试验，试件采用标准Marshall试件，放在-18℃的环境中24 h，随后拿出放入60℃的水箱中30 min，然后进行冻融劈裂试验。研究不同添加剂量的聚合物SBS和聚乙烯PE材料对70号A级道路石油沥青混合料水稳定作用效果。在试验过程中，每组试验平行试件个数至少3个，记录每一个试件的冻融前后的劈裂强度，并计算求得TSR值。其试验结果见图3。

图3材料添加剂量与试件TSR的关系

由图3可以看出，未添加聚合物SBS和聚乙烯PE这两种材料的沥青混合料，其试件的TSR均满足规范≥75%的要求。添加聚合物SBS试件的TSR在添加剂量为4.0%时，此时试件的TSR增长率为8.7%，在添加剂剂量为5.0%时，其试件的TSR增长率为0.1%，所以聚合物SBS材料的最佳添加剂量为4.0%。添加聚乙烯PE材料的高模量沥青混合料，其试件的TSR在添加剂量为4.0%时，其增长率为2.0%，在添加剂量为5.0%时，其试件的TSR增长率为0.2%，所以聚乙烯PE材料的最佳添加剂量为4.0%。共同加入聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料的高模量沥青混合料，在其添加剂量为3%，其试件的TSR增长率为8.8%，在添加剂量为4%时，其试件的TSR增长率为0.2%，所以共同加入聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料的最佳添加剂量为3.0%，且该高模量沥青混合料的水稳定性能优于聚乙烯PE和聚合物SBS。聚合物改性沥青混合料试件的TSR随着聚合物添加剂量的增加逐渐升高，其TSR的升高速率先升高后降低。这是因为，少量的聚合物能够在沥青混合料搅拌中混合均匀，使其能够充分发挥聚合物的提高试件TSR的作用，当聚合物添加剂量达到一定值时，其在混合料中的不能够均匀分布，产生抱团现象，就不能够发挥聚合物的改性作用，因此TSR的提高速率就会逐渐减小。

2.3 抗疲劳性能试验结果与分析

本试验采用小梁弯曲疲劳试验，测试聚乙烯PE和聚合物SBS这两种添加材料制备试件的抗疲劳性能。试件长、宽、高为400mm×60mm×50mm。以疲劳寿命(加载次数)为评价指标，采用应变控制，本试验应变控制为400μm，加载方式为四分点加载，加载频率为15Hz。记录试验中所有试件的加载次数，每组试验平行试件个数至少3个，取其均值作为最终结果。其试验结果见图4。

图4材料添加剂量与试件疲劳寿命的关系

由图4可得，添加聚合物SBS试件的疲劳寿命在添加剂量为3.0%时，其增长率为34.1%，在添加剂剂量为4.0%时，其试件的疲劳寿命增长率接近为0，所以聚合物SBS材料的最佳添加剂量为3.0%。添加聚乙烯PE材料的高模量沥青混合料，其试件的疲劳寿命在添加剂量为4.0%时，增长率为21.8%，在添加剂量为5.0%时，其试件的疲劳寿命增长率接近为0，所以聚乙烯PE材料的最佳添加剂量为4.0%。共同加入聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料的高模量沥青混合料，在其添加剂量为3.0%，其试件的疲劳寿命增长率为19.8%，在添加剂剂量为4.0%时，其试件的疲劳寿命增长率接近为0，所以共同加入聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料的最佳添加剂量为3.0%。由此可知，试件的抗疲劳性能依次为：聚合物SBS+聚乙烯PE>聚合物SBS>聚乙烯PE。聚合物改性沥青混合料试件的抗疲劳寿命类似于其水稳定性能，随着聚合物添加剂量的增加逐渐升高，其高模量沥青混合料试件的抗疲劳寿命的升高速率先升高后降低。其原因也是因为适量的聚合物能够在沥青中拌合均匀，使其能够充分发挥提高聚合物改性沥青混合料的抗疲劳寿命的作用。当聚合物添加过多时，聚合物材料产生抱团现象，抗疲劳寿命的提高速率反而降低。

3 结 论

本文选取了聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料，通过车辙试验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验，对比研究了每种组合材料的性能作用效果，主要得出以下几个结论：

(1) 添加聚合物SBS的高模量沥青混合料，在添加剂量为4.0%时，试件的变形量和TSR增长率均达到最大值，在添加剂量为3.0%时，其试件的疲劳寿命增长率达到最大值。

(2) 添加聚乙烯PE材料的高模量沥青混合料，在添加剂量为3.0%时，其试件变形量达到最大值，在添加剂量为4.0%时，其试件的TSR增长率和疲劳寿命增长率均达到最大值。

(3) 共同添加聚合物SBS和聚乙烯PE两种材料的高模量沥青混合料，在添加剂量为4.0%时，其试件变形量达到最大值，在添加剂量为3.0%时，其试件的TSR增长率和疲劳寿命增长率均达到最大值。

(4) 如果使用70号A级道路石油沥青来制备高模量沥青混合料，在夏季高温地区，建议采用添加剂量为4.0%的聚合物SBS；在夏季多雨地区或者交通量繁重路段，建议聚合物SBS和聚乙烯PE混合使用，且掺量为3%。

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EffectsofHighModulusAsphaltanditsMixtureonitsPerformance

PENG Zhenyu

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to provide asphalt mixture to the asphalt mixture material, this paper adopted the rutting test, freeze-thaw splitting test and trabecular bending test, By taking the maximum deformation, TSR and fatigue life of the specimen as the evaluation index, to compare the effects of the Styrene-butadiene-styrene block copolymer (SBS) and the polyethylene (PE) on the performance of the asphalt mixture under different additive dosages. The results showed that the deformation amount and TSR growth rate of the specimen are the maximum at the dosage of 4.0%, the high modulus asphalt mixture with polymer SBS is added. In the high temperature area of summer, it is recommended to use the additive SBS with a dosage of 4.0%. It is recommended that the polymer SBS and polyethylene PE be used in a rainy area or in heavy traffic, and the content is 3%.

pavementengineering;highmodulusasphalt;polymerSBS;polyethylenePE;comparativestudy

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.043

2017-05-19

2017-06-25

彭振宇(1979—)，男，湖南湘阴人，高级工程师，主要从事公路桥梁工程咨询和勘察设计工作。E-mail:gghope@qq.com

TU528.042

A

1672—1144(2017)05—0228—04