TP-101聚烯烃改性剂对...合料路用性能及效益影响分析_刘佩冬.pdf

公路 年月第期 基金项目：国家自然科学基金资助项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：聚烯烃改性剂对沥青混合料路用性能及效益影响分析刘佩冬，汪严，谢希望，牛艳辉，牛冬瑜（郑州郑少高速公路发展股份有限公司郑州市 ；长安大学材料科学与工程学院西安市 ）摘要：为提高沥青路面使用性能，采用 聚烯烃外掺型改性剂改性沥青混合料，以车辙试验、弯曲蠕变试验、冻融劈裂试验、半圆弯曲试验等评价 改性沥青混合料（，）的路用性能，并采用道路工程有限元软件 分析 的性能效益。试验结果表明，随 改性剂掺量增加，的动稳定度、低温破坏应变显著增大，马歇尔稳定度、冻融劈裂强度比先增大后减小；掺量在 时，其动稳定度达到 次 以上，远超规范要求值，低温破坏应变达 ，冻融劈裂强度比为，柔韧性指数为 ，的路用性能满足重载交通的使用需求。分析结果表明，使用 可优化路面结构，提高路面使用寿命。关键词：道路工程；沥青混合料；聚烯烃改性剂；路用性能；性能效益分析为提高沥青混合料的路用性能，道路工作者通过 、废胎胶粉、聚氨酯等制备聚合物改性沥青。研究结果显示，聚合物改性剂可有效提高基质沥青的高温、低温、抗老化、抗疲劳破坏等性能。然而，由于聚合物与基质沥青在分子量、表面张力、密度、溶解度等性质上存在差异，在高温存储、运输、施工过程中，聚合物易析出于基质沥青，需加入相容剂、稳定剂等助剂提高聚合物改性沥青生产质量，这无疑又提高了路面铺筑成本。外掺型改性剂可避免改性沥青的生产质量问题，其由设备自动投至拌和锅中，添加方式简便。目前广泛使用的沥青混合料外掺剂主要有纤维类、抗车辙剂类、高模量剂类等，可明显改善沥青混合料的高低温性能及耐久性。近年来，部分道路工作 者 以 废 旧 聚 烯 烃 类 材 料（，）这一可再生资源制备改性剂，以期提高沥青混合料路用性能，目前已取得一定的成果。周亮吉 采用物理共混法对 进行增强增韧改性，各项力学性能均有所提高。路再红等 发现 可改善基质沥青的热稳定性能，沥青混合料路面抗车辙变形能力得到显著提高，并在广州、安徽、内蒙古等地区路段投入使用，取得不错效果。宋乐春等 以 制备高模量外掺剂，可提高基质沥青混合料的动稳定度 次、达 次，提高冻融劈裂强度比 、最高达 。等 指出，相较于其他沥青聚合物改性剂，在耐高温、耐老化、低成本、高模量等方面具有明显的优势。等 通过干燥、研磨、筛分等处理过程得到 ，发现其尺寸 时，沥青混合料的性能较好，且改性沥青混合料生产过程的废气排放值较低，符合意大利相关法律要求。综上所述，在沥青混合料中的应用具有显著的经济和环境效益，一方面减少了化石产品的消耗和温室气体排放，降低施工成本；另一方面促进了废旧塑料回收处理应用的产业化，降低“白色污染”，提 供 就 业 岗 位。基 于 此，苏 州 某 公 司 以 和可再生资源（包括可再生的生物基材料、橡胶、树脂等）为主要成分，采用纳米合成工艺制备 聚烯烃外掺型改性剂。本文通过车辙试验、弯曲蠕变试验、冻融劈裂试验、半圆弯曲试验等室内试验，探究 改性沥青混合料（，）的路用性能，年第期刘佩冬等：聚烯烃改性剂对沥青混合料路用性能及效益影响分析并采用 改性沥青进行性能对比，以 软件分析 的性能效益，研究结果对可持续绿色路面材料的推广与应用具有一定的参考价值。原材料及试验方案 原材料 改性剂由苏州某公司生产，如图所示。其技术指标见表。号沥青、改性沥青基本性质见表、表。试验所用碎石基本性质见表。图 改性剂表 改性剂技术指标类型实测值要求值试验方法外观黑色颗粒目测法粒径（筛通过率）密度（）熔融温度 溶体质量流动速率（，）（）灰分 表基质沥青技术指标试验指标实测值规范值试验方法针入度（，）软化点 延度（，）闪点 质量损失 针入度比 残留延度（，）表 改性沥青技术指标试验项目试验结果 技术要求试验方法针入度（，）延度（，）软化点 闪点 溶解度 旋转黏度（）软化点差 弹性恢复 质量变化 残留针入度比 延度（，）表碎石基本性质材料检测项目检测结果 技术要求试验方法号碎石号碎石表观相对密度 毛体积相对密度 表观相对密度 毛体积相对密度 石屑表观相对密度 毛体积相对密度 矿粉表观相对密度 毛体积相对密度 制备方案本研究主要采用 、级配，如表所示。油石比分别为 、，改性剂掺量分别为、和 （以混合料质量计）。拌和时先将 改性剂与集料拌和均匀，再依次倒入沥青、矿粉，拌和温度为 。改性沥青混合料的油石比分别为 、。试验方案根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（），通过车辙试验、弯曲蠕变试验、冻融劈裂试验分别评价沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性。根据 规 范，通 过 万能试验机进行半圆弯曲试验。半圆弯曲试验的试件厚度为，直径为 ，底座跨表级配级配类型下列筛孔（）通过率 径为 ，预留缝深度为，试验温度为，如图所示。改性沥青混合料的典型荷载位移曲线如图所示，荷载随位移增加呈先增大后减小的趋势。当荷载达到峰值时，半圆弯曲试件发生失稳破坏，裂缝沿预切缝处迅速发展；随后位移增加，荷载减小；当荷载到达峰后曲线的拐点时，试件抵抗裂缝扩展的能力开始减弱。图半圆弯曲试件图 改性沥青混合料的荷载位移曲线荷载位移曲线与水平轴的积分面积为外力所做的功，即断裂功。断裂功与断裂面积的比值为断裂能，计算公式如下：（）式中：为断裂能，；为断裂功，；为断裂面积，。断裂面积可由下式求得：（）（）式中：为试样半径，；为缺口长度，；为试样厚度，。断裂能与拐点处曲线斜率的比值为柔韧性指数（，），规范以 评估沥青混合料的抗裂性能。路用性能分析 高温性能不同 掺量的 及 改性沥青混合料（，）的车辙试验结果如图所示。由图分析可得，在 和 级配中，掺量越高，的高温稳定性能越好。当 掺量为 时，的动稳定度小于 改性沥青混合料。但随着 掺量的增加，的动稳定度显著增大，特别是从 增至 时，动稳定度的增幅分别为 、，的动稳定度达到 的水平；掺量从 增 加 到 时，动 稳 定 度 分 别 达 到 了 次、次，相较于 ，分别提高了 、，明显超过了 和规范要求。在此基础上继续掺入 ，的动稳定度持续增大，但增幅减小；当 掺量为 时，的动稳定度分别达到了 次 、次。低温性能不同 掺量的 及 的弯曲蠕变试验结果如图所示。由图分析可得，随着 的掺入，的低温破坏应变呈现先增大后减小的趋势。当 掺量为 时，的破坏应变已经高于 。当 公路 年第期 年第期刘佩冬等：聚烯烃改性剂对沥青混合料路用性能及效益影响分析图车辙试验结果掺量 增 至 时，的 低 温 性 能 最 好，比 分别高 、，比规范要求高 、，分别达到了 和 。但随着改性剂掺量继续增大，的低温性能反而衰减。这是由于此时改性剂含量过高，在低温下，多余的改性剂会撑开混合料的骨架，形成“滚珠”作用，在受力时易因应力集中而失稳，使骨架结构被破坏。图弯曲蠕变试验结果 水稳定性能不同 掺量的 及 的冻融劈裂试验结果如图所示。由图分析可知，当 掺量为 时，的冻融劈裂强度比才高于 。其后随着 掺量的增加，的冻融劈裂强度比先增大后减小。其中 掺量为 时沥青混合料的水稳定性能最好，分别达到了 、。掺量在 以上时，的冻融劈裂强度比开始降低。这是因为过量的改性剂会吸收更多沥青，减弱沥青对集料的裹覆与黏结，降低 的抗水损害能力。图冻融劈裂试验结果 抗裂性能不同 掺量的 及 的半圆弯曲试验结果如图所示。柔韧性指数 值越大，表明沥青混合料的抗裂性能越好，特别是抵抗裂缝扩展的能力越强。由图分析可知，当 掺 量 为 时，的 值 略 低 于 。其后随着 掺量的增加，的 先增大后减小。其中 掺量为 时沥青混 合 料 的 抗 裂 性 能 最 好，值 分 别 达 到 了 、，相 较 于 ，分 别 提 高 了 和 。而过量的 对混合料抗裂性能不利，当 掺量在 以上时，的 开始降低，混合料抵抗裂缝扩展的能力下降。图半圆弯曲试验结果性能效益分析采用壳牌沥青路面设计软件 对沥青面层层底的拉应变和基层顶的压应变进行计算，可获得层厚减薄指标（，）和交通效益比（，），用于量化分析 作为路面材料的性能效益，。本文选取综合路用性能最佳的 级配对 和 路面的性能效益进行分析。依 据 公 路 沥 青 路 面 设 计 规 范（）设计路面结构方案，如表所示。模型计算参数及计算结果如表、表所示。为采用 后，路面面层与基层的厚度表路面结构设计路面结构材料方案方案厚度抗压回弹模量 泊松比厚度抗压回弹模量 泊松比上面层 见表 见表 中面层 下面层 基层水泥稳定碎石 底基层石灰土 土基 注：面层厚度分别为、，基层厚度分别为 、。表 计算参数类型针入度 软化点加载时间沥青层温度矿料间隙率抗压回弹模量 混合料动态模量 表路面性能效益对比类型方案方案 层厚 基层层厚 减薄指标，公式为：（）（）式中：和 为 路面和 路面的面层厚度。可评价采用 后路面延长的使用寿命，公式为：（）（）式中：为永久变形的标准轴载累积量；为路面基层顶的压应变；为延长路面使用寿命计算系数，值为 。由表可知，在方案中，当 层厚为 时，路面的为 ；而与之相对应的 路面，在面层厚为 时，其与前者相近，且 为。这表明：当与相近时，采用 路面可以减少 的 面层厚度。在方案中，当路面结构厚度相同、基层厚度减小时，逐渐增大，且 路面的总小于 路面。当基层厚度为 、时，其 分别为 、和 ，即 路面的 使 用 寿 命 分 别 为 路 面 的 倍、公路 年第期 年第期刘佩冬等：聚烯烃改性剂对沥青混合料路用性能及效益影响分析 倍和 倍。结语本文通过室内试验，对 外掺型改性剂改性 沥 青 混 合 料 的 路 用 性 能 展 开 评 价，并 借 助 软件对其路面性能效益进行分析，得到结论如下：（）室内混合料试验结果表明，在 和 级配中，的高温、低温、水稳定性能优于 ；（）根 据 试 验 结 果，推 荐 掺 量 为 ，其动稳定 度 达到 次以上，低温破坏应变在 左右，冻融劈裂强度比在 以上，柔韧性指数为 ；（）基于 计算结果，改性沥青混合料可减少 的 面层厚度，其路面使用寿命至少是 改性沥青混合料的 倍；（）改性沥青混合料的疲劳特性、耐老化性能有待进一步研究。参考文献：，：吕文江，彭江，朱永彪，等聚氨酯改性沥青制备工艺及混 合 料 路 用 性 能 研 究 公 路，（）：，：，：唐乃膨，黄卫东基于 试验的 改性沥青高温性能评价与分级建筑材料学报，（）：李政，聂鑫垚，姚鸿儒，等 石油树脂 复合改性沥青性 能研 究 建 筑 材 料 学 报，（）：王俊岩聚合物改性沥青在热储存及运输过程中的降解研究长安大学，陈鹏，赵静卓，魏强，等 基于图像处理探究 在沥青中溶 胀 面 积 的 发 育 进程 公 路，（）：，：熊剑平，刘聪，张明月，等 基于聚辛烯硫磺的橡胶沥青性能提升技术长安大学学报：自然科学版，（）：徐峰，柴林林，刘然，等硫磺 复合改性沥青混合料路 用 性 能 评 价 中 外 公 路，（）：黄育华，李善强，龚侥斌，等 高模量外掺剂改性机理研究武汉理工大学学报：交通科学与工程版，（）：孙庆浩不同外掺剂沥青混合料老化性能试验研究扬州大学，夏洋洋不同高模量外掺剂对沥青混合料路用性能影响的研究东北林业大学，周亮吉废旧聚烯烃的改性及应用武汉工程大学，路再红，童申家，张优，等废旧聚烯烃改性沥青混合料高温及水稳定性能研究西安建筑科技大学学报：自然科学版，（）：宋乐春，李志军，陈保莲，等高模量沥青混凝土添加剂研究硅酸盐通报，（）：，（），：，：公路工程沥青及沥青混合料试验规程 北京：人民交通出版社，（），：牛冬瑜，韩森，徐鸥明，等聚乙烯类添加剂对橡胶沥青混合料路用性能的影响江苏大学学报：自然科学版，（）：牛冬瑜，韩森，徐鸥明，等废旧 复合改性沥青 混合料的路用性能研究武汉理工大学学报，（）：公路沥青路面设计规范北京：人民交通出版社，（，；，）：，（，），：；公路 年第期