关键词：沥青混合料 | 改性剂 | 动态模量 | 疲劳寿命 | 高低温性能
目前，交通的迅速发展，对沥青路面的要求越来越高，其功能性也越来越多。改性沥青已经被广泛地应用于道路建设中[1]，通常是将沥青改性剂以干法直接投入到料仓中。沥青改性剂一般为聚合物，聚合物改性沥青能有效改善沥青的高低温性能和耐久性[2]。由于聚合物的种类很多，根据沥青路面的实际问题，聚合物改性剂对沥青性能的改善也各有侧重[3]。常用的有高模量改性剂（EME）、高粘改性剂（TPS）、抗车辙剂（MB）、低温改性剂（TLM）、全效能改性剂（AP）等。但由于聚合物与沥青存在着配伍性，不同聚合物组成会影响到改性剂与沥青的相互作用效果[4]。目前对不同功能型改性剂对沥青的改性效果及其原因研究较少。
本文通过研究EME、TPS、MB、TLM、AP五种不同功能型沥青改性剂对沥青及混合料高低温性能的影响，通过动态模量、疲劳寿命、车辙试验、低温小梁弯曲试验进行对比分析考察不同改性剂的改性效果，并采用DSC从材料角度分析不同改性剂的主要组成特征，从而得出改性剂影响沥青性能的关键因素。
试验
原材料
（1）基质沥青：SK-70#石油沥青，性能指标符合JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求。
（2）矿料：玄武岩集料和石灰石矿粉，由南京天印市政工程材料有限公司提供。基本性能按JTGE42—2005《公路工程集料试验规程》进行测试，集料的基本性能均符合JTGF40—2004要求。
（3）改性剂：EME、TPS、MB、TLM、AP，5种改性剂均为市售。其中TPS为深黄色扁圆形固体颗粒状，直径约为2~3mm，厚约为1mm；其余4种改性剂为黑色短柱固体颗粒，长度约3~5mm。
沥青混合料的制备方法
（1）AC-13C型
EME、MB、TLM、AP四种改性剂适用的混合料级配类型为AC-13C，油石比为5.0%，级配见表1。集料加热温度175℃，沥青加热温度160℃，混合料拌合温度175℃，改性剂以直投法加入到拌锅中。
（2）OGFC-13型
TPS主要功能是zeng大沥青的黏度，提高沥青与集料的连接作用，用于大空隙透水沥青混合料中。其适用的沥青混合料类型为OGFC-13，油石比为4.8%，级配见表2。集料加热温度和改性剂加入方法与其它4种改性剂相同。
试验方法
（1）动态模量试验：采用***型试验机，按照AASHTOTP62-03试验规范的要求，用***旋转压实仪成型D150mm×H170mm的圆柱体试件，取芯并切割得到D100×H150mm的圆柱体实验试件。试验温度为45℃，试验频率分别为25、20、10、5、1、0.5、0.1Hz。
（2）四点弯曲疲劳寿命试验：采用***型试验机，按照JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，成型400mm×300mm×75mm的大车辙板，切割得到尺寸为380mm×50mm×63.5mm的小梁试件。试验温度为15℃，加载频率为10Hz，目标拉应变取600με。采用连续偏正弦加载模式，恒应变控制，终止条件为初始弯曲劲度模量的50%对应为加载循环次数。
（3）车辙试验：按照JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求成型车辙板，尺寸为300mm×300mm×50mm。采用***型全自动车辙试验仪测试动稳定度和zui大车辙深度。试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，橡胶轮碾压速度为（42±1）次/min。
（4）小梁弯曲试验：采用***型试验机，通过低温弯曲试验测定沥青混合料的低温性能。按照JTGE20—2011，将轮碾成型的车辙板用切割机制成尺寸为250mm×30mm×35mm的棱柱体，作为沥青混合料小梁试件。试验温度为-10℃，加载速率为50mm/min。
（5）DSC分析：采用德国***型差示扫描量热仪测试改性剂能量变化状态。试验温度为20~200℃，升温速率为10℃/min。保护气为氮气，流量为20mL/min，试样量为5～10mg，粒径约0.5mm。
改性剂对沥青混合料性能的影响
对动态模量的影响
沥青混合料的动态模量是指在周期性或非周期性动态荷载作用下，材料应力与应变的比值[5]。沥青混合料是一种粘弹性材料，其力学响应与温度、加载频率有较好的相关性[6]。本试验中EME、MB、TLM、AP的掺量均占沥青混合料质量的0.3%，TPS掺量占沥青混合料质量的0.6%（下同）。不同荷载频率条件下沥青混合料的动态模量见图1所示。
图1不同改性沥青混合料的45℃动态模量由图1可见：
（1）相同温度相同频率条件下5种改性沥青混合料的动态模量大小顺序为：EME＞TPS＞MB＞AP＞LTM，在0.1Hz的低频动态荷载下掺EME的动态模量已大于2000MPa，其它4种改性沥青混合料的动态模量较小且接近。
（2）随着频率的zeng大，不同改性沥青混合料的动态模量差异zeng大。其中掺EME和TPS的有较明显的模量优势，掺EME、TPS、MB的在0.1Hz时模量大于500MPa，且10Hz时模量大于2000MPa，满足高模量的要求。
对疲劳寿命的影响
沥青混合料在荷载重复作用下呈现强度衰减是其自身疲劳损伤的一种表征，当疲劳损失与耗散能累积到一定程度就会发生疲劳破坏[7]。路面层优异的疲劳性能是路面耐久性的保证[8]。对5种改性沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验，结果见表3。
由表3可见：5种改性沥青混合料的疲劳寿命大小顺序为：EME＞AP＞TPS＞LTM＞MB，掺高模量改性剂EME沥青混合料的疲劳寿命有较明显的优势且其变异性较小，即在动态应力作用下，其应变衰减更缓慢，结构稳定性更强；掺全效能改性剂AP的沥青混合料疲劳寿命次之，由于全效能是对沥青混合料高低温性能皆有提高，故全效能改性剂AP应为复合型改性剂，它比改性性能单一的抗车辙剂MB和低温性能改性剂LTM的耐久性较强；高粘改性剂TPS由于其混合料结构为OGFC型，空隙率较大，虽然改性剂具有较大的粘度，但其疲劳寿命居中，因此混合料结构也是疲劳寿命的重要影响因素之一。
对抗车辙性能的影响
沥青混合料的车辙试验是试件在规定温度及荷载条件下，测试试验轮往返行走所形成的车辙变形速率，以每产生1mm变形的行走次即动稳定度表示，它能较好地反映沥青路面在高温季节抵抗形成车辙的能力。5种不同改性沥青混合料的试验结果如表4所示。
由表4可见，5种不同改性沥青混合料的动稳定度大小顺序为：MB＞EME＞TPS＞AP＞LTM。在抗车辙性能方面，抗车辙剂MB有较大的优势，说明改性剂中有增强沥青高温稳定的组分存在；掺高模量改性剂EME次之，说明提高沥青混合料模量的同时，也能提高其抗车辙性能；掺AP和LTM的沥青混合料动稳定度相差不大，说明改性剂在兼顾低温性能的同时，对沥青混合料高温性能的改善并不能达到较高的水平；掺高粘改性剂TPS的性能居中，是由于OGFC为骨料嵌挤型结构，加之沥青的黏度高，其高温条件下沥青的变形性较小，结构的高温稳定性较强。
对低温小梁弯曲的影响
沥青混合料的弯曲试验是对规定尺寸的小梁试件，在跨中施加集中荷载至断裂破坏，由破坏时的zui大荷载求得试件的抗弯拉强度，抗弯拉强度越大表示越不容易断裂。由破坏时的跨中挠度求得沥青混合料的zui大弯拉应变，表征承受zui大拉应力时的抗变形能力，两者的比值为破坏时的弯曲劲度模量。5种不同改性沥青混合料的试验结果如表5所示。
由表5可见知，在-10℃的低温条件下，5种不同改性沥青混合料表现出不同的抗弯拉能力。zui大弯拉应变大小顺序为：LTM＞AP＞EME＞MB＞TPS，其中掺低温性能改性剂LTM的zui大弯拉应变zui大，说明改性剂的加入使沥青混合料的低温脆性降低、柔性增强，表现出较好的变形能力，但其强度仅为EME改性沥青混合料的79%；EME改性沥青混合料低温下具有较大的抗弯拉强度，且EME改性沥青混合料表现出弯曲劲度模量较大，验证了其刚而硬脆的特点；zui大弯拉应变zui小的是高粘改性剂TPS改性沥青混合料，原因在于其OGFC级配混合料空隙率较大，其强度较小，相对其他几种易产生弯拉破坏；在低温性能方面抗车辙剂MB和高模量改性剂EME并不占优势。说明改性剂在提高沥青混合料高温稳定性和耐久性的同时一般会yi制其低温性能改善效果，反之亦然。
DSC分析
DSC试验是测量在温度变化条件下试样和参比物的热流差与温度的关系，该热流差能表征样品随温度变化所发生的焓变，即当样品吸收能量时，焓变为吸热，当样释放能量时，焓变为放热。在DSC曲线中，对熔融、结晶、固-固相转变和化学反应等的热效应呈峰形[9]。为从材料本身的角度区分5种改性剂，测试了改性剂在20~200℃之间的能量变化，结果如图2所示。
由图2可见，在20~200℃的熔融曲线上，TPS没有明显的吸热峰，其曲线近于一条直线，说明其为无定形态的物质。而其它4种改性剂均有明显的吸热峰，是含有结晶态的物质。
LTM的吸热峰在55℃附近，其主要聚合物基体可能为EVA，但EVA并不能对沥青混合料的低温性能有较好的改善，因此LTM可能只是以EVA为主要基体，加之其他弹性体聚合物材料产生改善低温性能的效果。AP、MB和EME均在125℃附近出现吸热峰，其对应的可能为PE类物质，但其吸热峰面积不同，说明PE的结晶度不尽相同。其中MB在160℃附近还出现1个吸热峰，说明MB中可能存在熔点较高的PP组分。AP在80℃和110℃附近分别出现1个阶梯状吸热峰，其可能是PS或PMMA的玻璃化转变温度，而PS通常与SBS协同改性沥青[10]，提高沥青及混合料的高低温性能。结合混合料性能实验可知，改性剂中可能存在SBS等此类弹性体[11]，通过在沥青中形成网状结构从而改善沥青混合料的低温性能[12]，存在的PE和PP对沥青混合料的高温性能有改善[13]。
结语
（1）高模量（EME）改性沥青混合料具有动态模量高、抗车辙性能好的特点，疲劳寿命达到86099次，具有较好的耐久性。在低温条件下表现弯拉强度较高，表现出刚而硬脆的特点。抗车辙剂（MB）改沥青混合料的动稳定度达到9186次/mm，具有较好的抗车辙性能。
（2）全效能改性剂（AP）和低温性能改性剂（LTM）两者在改性沥青混合料低温性能方面有较大优势，其zui大弯拉应变分别达到了2824、3684με，而在高温性能方面并不突出。高黏度改性剂（TPS）由于能使沥青具有较高黏度，加之OGFC混合料结构类型特点，其具有较高的动态模量和耐久性。
（3）改性剂在提高沥青混合料高温稳定性和耐久性的同时一般会yi制其低温性能改善效果，反之亦然。改性剂中可能存在的SBS和PS对沥青混合料的低温性能有改善，存在的PE和PP对沥青混合料的高温性能有改善。
（4）DSC测试中的融熔温度并不能准确地反映聚合物组成，加之沥青与改性剂成分的复杂性，改性沥青的作用机理用DSC测试尚不能jing准地表现出来，还需进一步试验研究。
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全文完。作者简介：熊子佳，女，1988年生，湖北汉川人，硕士，工程师，主要从事道路工程材料研究工作
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