地聚合物改性沥青混合料性能试验研究

董庆宇，郭 峰

(1.洛界高速公路管理处,河南 洛阳 471000； 2.洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

随着公路事业的快速发展及通车里程的迅猛增加，沥青路面以行车舒适性高、平稳性好和易维修养护的优势，在道路建设中取得了快速的发展，在新建道路工程中有90%以上均采用沥青路面。但由于重载或超载车辆的存在，以及外界环境温度的变化，沥青路面时常出现裂缝、车辙、水损害等病害，严重降低了沥青路面的使用耐久性，甚至会危及行车安全。为改善沥青路面的使用性能和耐久性，除了选用质量较好的石灰岩或玄武岩石材和良好的级配，沥青性能的好坏也是至关重要的，目前通常采用SBS类聚合物改性沥青，但SBS也存在一定的不足，如储存稳定性较差、容易离析等，而且价格偏高，所以近年来对于新的沥青改性剂研究一直是一个热门课题。地聚合物是一种价格便宜且易获取的胶凝材料，其生产原料主要是工业废弃物，地聚合物早期强度较大，体积稳定性和耐久性优良，具有很强的耐高温、耐酸性和抗冻性能。目前常用于水泥混凝土中，以提高混凝土的使用性能；而掺入沥青中作为改性剂的研究较少。

有学者利用红外光谱和原子力显微镜等分析了粉煤灰基地聚合物改性沥青的微观性能，结果发现地聚合物掺入沥青后是物理变化，其掺量建议为5%；以偏高岭土、矿渣粉和硅粉等原材料制备的地聚合物作为温拌剂掺入沥青中，降低了沥青混合料的拌和温度和施工温度；分析了地聚合物对于沥青性能的影响，结果发现地聚合物提高了沥青的抗高温变形性能。为了研究地聚合物对于沥青混合料路用性能的影响，本文采用室内试验方法研究了不同地聚合物掺量对于沥青混合料高低温和水稳定性的影响。

1 原材料性能

1.1 原材料性能

选用泰普克70号A级石油沥青，对其各项基本性能进行测试后发现均满足规范要求，见表1。地聚合物是通过将偏高岭土、S95矿渣粉、钢渣粉和高纯硅粉等作为铝硅酸盐材料并在强碱激发剂(NaOH和NaSiO的混合溶液)的作用下合成的，由于反应合成的地聚合物是一种固化物，需将固化完成的地聚合物粉碎磨细，然后经过0.075 mm筛孔过筛后的粉末作为沥青改性剂，其密度在1.47 g/cm左右，外观呈墨绿色粉末状。粗集料选用玄武岩，细集料选用石灰岩，填料采用石灰岩经磨细后的矿粉，通过室内检测，粗细集料和矿粉的各项技术指标都满足规范要求。

表1 泰普克 A-70#道路石油沥青技术指标

1.2 改性沥青制备

首先将一定量的基质沥青在140℃烘箱中加热至熔融流淌状态，取出后置于电炉上并用玻璃棒搅拌5 min，然后将按比例称取的地聚合物分次缓缓加入沥青内，其中地聚合物掺量分别为3%、5%和7%，并用玻璃棒不断搅拌至无粉末状，利用高速剪切仪以4 500 r/min的速率高速剪切40 min，全过程中不停地采用温度枪测温，温度始终控制在(160±5)℃，剪切完成后置于160 ℃烘箱中继续发育1 h即可制备完成地聚合物改性沥青。

1.3 配合比设计

依据工程经验，目前实际工程中大多采用AC-13作为沥青路面上面层，因此本文选择细粒式沥青混凝土AC-13用于检验沥青混合料性能的矿料级配，其合成级配见表2。

表2 AC-13矿料级配设计

结合同类型级配实践经验，预估油石比5.0%，并以0.5%间隔取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%这5个组油石比成型马歇尔试件，并测试其物理力学参数，结果如表3所示。通过计算确定了地聚合物改性沥青混合料最佳油石比为4.94%；而基质沥青与成品SBS改性沥青混合料最佳油石比则分别为4.83%和5.06%。

表3 马歇尔试验物理力学指标测试结果

2 沥青混合料性能

2.1 高温稳定性

沥青混合料在高温和持续交通荷载的双重影响下会“流动”变形，其中无法恢复的那部分变形形成了永久变形，便产生了车辙、拥包或推移等病害，严重影响行车舒适度和交通安全。为了检验地聚合物改性沥青混合料的高温抗车辙能力，本文以基质沥青与SBS改性沥青混合料作为对照组，采用车辙试验得到的动稳定度及运行60 min车辙深度对3种沥青混合料高温稳定性进行评价，试验温度为60 ℃；试验结果如图1所示。

图1 高温车辙试验结果

从图1可以看出，随着地聚合物掺量增加，车辙深度在逐渐变小，动稳定度均有不同程度地增加。与SBS改性沥青相比较，地聚合物掺量为5%时对应的车辙深度较小，且动稳定度较大，对于掺量5%、7%地聚合物对应的动稳定度分别提高2.1%、7.0%。相对于基质沥青，掺量3%、5%和7%地聚合物的动稳定度分别提高了37.6%、81.2%和89.9%，可以发现地聚合物掺量大于5%后的动稳定度提升幅度明显变小，说明地聚合物可大幅度改善沥青混合料的高温稳定性；可能的原因在于地聚合物自身具有稳定的网状结构，是一种类似于水泥的无机胶凝材料，有着较强的耐高温性能，加入沥青后能够增加沥青的黏度，减小沥青在高温条件下的流动性，增强沥青混合料对于高温的抗变形能力。

2.2 低温抗裂性

由于大部分沥青路面都是采用半刚性基层，基层的自身特性容易产生裂缝。当在温度和荷载的作用下，裂缝会向上扩展到面层产生发射裂缝，后期雨水会通过裂缝渗入基层使路面结构发生整体性破坏，导致路面耐久性降低。本文采用低温小梁弯曲试验，试验温度为-10 ℃，试件尺寸为250 mm×35 mm×30 mm，由车辙板试件切割而成；低温小梁弯曲试验结果如图2所示。

图2 低温小梁弯曲试验结果

从图2可以看出，随着地聚合物掺量增加，弯拉强度和弯拉应变减小，而劲度模量增大，5种沥青混合料中7%地聚合物对应的弯拉应变最小，劲度模量最大；而SBS改性沥青对应的弯拉应变最大，劲度模量最小。相对于基质沥青，弯拉应变减小了22.2%，劲度模量增大了9.7%，说明地聚合物掺入后会降低改性沥青混合料的低温抗裂性。这是由于地聚合物作为一种无机胶凝材料加入沥青中，包裹于集料表面的改性沥青胶结料会由“软”向“硬”发展，一定程度地增加了沥青混合料的刚度，在低温时会表现出一定的脆性，因此地聚合物会降低沥青混合料的低温抗裂性。

2.3 水稳定性

由于水通过裂缝渗入路面结构层后，路面在动水压力的冲击作用和车辆荷载的长期挤压作用下，包裹在集料表面的沥青膜逐渐被破坏，导致集料松散并产生坑槽等病害，影响了行车舒适度和安全性。为分析地聚合物对于改性沥青混合料抗水损害性能的影响，对于室内成型的马歇尔试件分别采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验进行分析，并以残留稳定度和冻融劈裂强度比作为评价指标，其结果如图3所示。

图3 浸水马歇尔及冻融劈裂试验结果

从图3可以看出，对于残留稳定度和冻融劈裂强度比这2种指标，5种沥青混合料的变化规律相一致，从小到大依次为基质沥青、3%地聚合物、5%地聚合物、SBS改性沥青、7%地聚合物，说明地聚合物可以很大程度增强改性沥青与集料的界面粘附力，以抵抗水的抗剥蚀能力，从而改善改性沥青混合料的水稳定性。这可能是由于作为无机胶凝材料的地聚合物会和沥青形成一种三维网络结构的稳定体系，粘附于集料表面不但增强了与集料的附着力，且提高了混合料的密实度，降低了水分对沥青-集料界面的冲刷，提高了改性沥青混合料的抗水损害性能。

2.4 疲劳性能

在长期经受车轮荷载和温度应力的反复作用下，沥青路面会处于一种应力与应变不断交替变化的状态，当沥青路面结构能够承受的应力小于外部车辆荷载时，路面结构将会出现裂纹并不断延展，最终发生疲劳破坏。提高沥青路面的抗疲劳性能是改善沥青路面耐久性的一个重要因素。为了检验地聚合物改性沥青混合料的抗疲劳性能，利用4点弯曲试验对切割的300 mm×50 mm×50 mm小梁试件进行加载，采用应力控制模式，其单一应力比为0.4，其试验结果如图4所示。

图4 4点弯曲疲劳试验结果

从图4可以发现，5种沥青混合料的疲劳寿命次数从大到小依次为SBS改性沥青、基质沥青、3%地聚合物、5%地聚合物、7%地聚合物，显然，聚合物的加入对于改性沥青混合料的疲劳性能产生了消极影响，可能是由于作为无机胶凝材料的地聚合物加入后增加了沥青胶接料的黏性，同时也增大了改性沥青混合料的刚性，使其变得脆硬，最终在持续荷载作用下的应变能力较弱，疲劳寿命较短。

3 结语

通过介绍原材料性能及地聚合物改性沥青制备，并在混合料配合比设计的基础上研究了地聚合物改性沥青混合料的路用性能。

(1)结合车辙试验，加入地聚合物的改性沥青混合料车辙深度逐渐变小，动稳定度大幅度提高，地聚合物在掺量5%时动稳定度已大于SBS改性沥青，显著增强了沥青混合料的高温抗车辙能力和抗变形性能；

(2)从残留稳定度和冻融劈裂强度比结果看，不同沥青混合料的水稳定性从小到大依次为基质沥青、3%地聚合物、5%地聚合物、SBS改性沥青、7%地聚合物，地聚合物明显提高了改性沥青混合料的抗水损害性能；

(3)地聚合物自身材料特性使沥青混合料逐渐从柔性向刚性发展，一定程度地降低了沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳特性，在实际工程应用中应严格控制地聚合物掺量。