聚合物复合添加剂形态参数对沥青混合料拌和工艺及技术性能的影响

杨 黔，郝培文

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

使用改性沥青或在沥青混合料中掺加其它材料可以明显改善沥青路面的使用性能并延长使用寿命，因此市场上出现了多种沥青混合料聚合物复合添加剂，如法国的PRI、德国的Duroflex和Domix及中国的Rad Spunrie等[1-4]。通过外掺聚合物复合添加剂对沥青混凝土进行直接改性，相比于传统的改性方法，聚合物复合添加剂改性沥青混凝土除了能兼顾高温车辙、低温抗开裂和抗水损害能力外，在拌和工艺方面也采用直接投放法，便于现场使用。然而，目前国内外对聚合物复合添加剂改性沥青混凝土的研究主要集中在路用性能方面，对聚合物复合添加剂与热集料拌和前后形变参数变化影响因素及其对沥青混合料性能的影响因素还没有研究，导致聚合物复合添加剂对沥青混合料的改性作用未能得到充分发挥。

笔者采用IPP图像处理软件分析3种聚合物复合添加剂与热集料作用前后面积、最大半径等5个指标的不同变化情况，采用简易式沥青混合料和易性设备测试不同类型沥青混合料的和易性，选择AC-20C和AC-13C两种级配进行沥青混合料路用性能试验和贯入剪切试验[5]，得出聚合物复合添加剂形变参数的影响因素及其对沥青混合料路用性能的影响因素。

1 原材料

1.1 聚合物复合添加剂

采用3种不同组成的聚合物复合添加剂，聚合物复合添加剂A表面呈黄褐色的小柱状固体颗粒，聚合物复合添加剂B，C表面呈黑色的扁平状固体颗粒，可在常温下保存，根据切割技术不同，规格约2～3 mm左右。从表1技术指标可见，3种聚合物复合添加剂主要区别在于熔融指数，这与聚合物复合添加剂原材料组成有关。

表1 聚合物复合添加剂技术指标Table 1 Technical indexes of PCA

1.2 沥青材料

基质沥青选用70 #茂名石化生产的沥青。基质沥青与SBS改性沥青的基本性能试验结果如表2。

表2 沥青原材料基本性能Table 2 Basic properties of asphalt

1.3 矿 料

粗集料采用石质坚硬、清洁、不含风化颗粒、表面粗糙，近立方体颗粒的碎石，粒径大于2.36 mm；细集料应坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当级配的人工轧制砂；矿粉必须满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。矿料级配如表3。

表3 AC-20C级配设计Table 3 Gradation design of AC-20C

2 沥青混合料试样制备

2.1 聚合物复合沥青混合料性能试验试样

聚合物干法拌和工艺：首先，按表3中的AC-20C合成级配将集料加入拌和锅中，加热至180 ℃，按照沥青混合料0.4%的比例加入聚合物复合添加剂，拌和90 s，完成对热集料表面的裹覆[6-8]，然后，加入沥青拌和90 s。拌和好的沥青混合料以备聚合物复合沥青混合料性能试验用。

2.2 聚合物复合添加剂与热集料裹附效果试样

选择13.2 mm大小的集料颗粒，与聚合物复合添加剂热拌。对比拌和时间90 s时聚合物复合添加剂与集料裹附效果，以说明聚合物复合添加剂不同形变对碎石裹附率的影响。为了更加明显地看出聚合物复合添加剂与集料相互作用的情况，在不采用化学显微镜观察的情况下，该部分试验聚合物复合添加剂的掺量由0.4%增加到1.0%，同时集料与拌和锅的温度较正常增加40 ℃，达到220 ～230 ℃。拌和好的沥青混合料以备聚合物复合添加剂与热集料裹附效果试验用。

2.3 聚合物复合沥青混合料和易性试验试样

按表3中AC-20C级配，采用70 # 基质沥青，分别加入0.4%的聚合物复合添加剂A，B，C，得到聚合物复合沥青混合料A4，B4，C4，同时配制基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料作为对比，在120～180 ℃(间隔15 ℃)温度下拌和，制备得到5种不同沥青混合料，拌和好的沥青混合料以备聚合物复合沥青混合料和易性试验用。

3 沥青混合料性能试验及结果分析

3.1 聚合物复合沥青混合料拌和后情况描述

拌和结束后待温度降至常温时，将拌和好的集料 + 聚合物复合添加剂取出，小心地将集料与聚合物复合添加剂分离开。分离过程中可明显地看到：

1)在同种掺量、同种拌和温度下聚合物复合添加剂A发生的融化和拉丝现象最为普遍，除部分黏附在一起外，呈现拉丝和切断的现象最为明显；

2)粒径相对较小的聚合物复合添加剂B除部分自身黏附在一起外，其余均只在形态上稍有变化；

3)聚合物复合添加剂C出现的情况比较特殊，黏附在一起的不多，基本上都被压薄，面积增大最明显，且部分黏附在集料表面。

3.2 聚合物复合添加剂与热集料拌和前后形态参数

采用Image Pro Plus(IPP)图像处理软件，以表面积、聚合物复合添加剂椭圆外切的长短比、最大半径、最小半径、半径比等为指标进行分析，得到干拌后聚合物复合添加剂的各种形态变化情况，见图1。聚合物复合添加剂摆放整齐后导入IPP程序，通过程序自动提取出所需指标值，如图2。

图1 聚合物复合添加剂指标Fig.1 Technical indexes of PCA

图2 IPP程序界面Fig.2 IPP program interface

为了能充分说明拌和前后聚合物复合添加剂形态的变化差别，借用数率统计的方法对IPP图像提取的数据进行处理，分析直方图、相图等得出均值与标准偏差，结果如表4。

表4 选择评价指标样本均值与标准偏差Table 4 Selection mean value and standard deviation of samples

由表4可知：

1)3种聚合物复合添加剂表面积平均值，拌和前为C>A>B，拌和后为C>B>A。聚合物复合添加剂C拌和后表面积增加幅度最大，增幅为2.07倍；其次是聚合物复合添加剂B，增幅为1.47倍；聚合物复合添加剂A增幅最小，为1.41倍。

2)拌和后聚合物复合添加剂A，B，C的外切椭圆长短比值分别比拌和前提高了56%，19%，27%，可见，聚合物复合添加剂A拌和前后的椭圆外切长短比远大于聚合物复合添加剂B，C。

3) 3种聚合物复合添加剂的最大半径平均值，拌和后均大于拌和前，增加幅度从大到小为C>A>B。

4)拌和后，聚合物复合添加剂B，C的平均最小半径均有增加，且增加幅度为C>B；聚合物复合添加剂A拌和后的最小半径却减小，说明在拌和过程中聚合物复合添加剂A发生了拉丝现象。

5)拌和后，聚合物复合添加剂A，B，C的半径比分别为6.7，1.79，2.87倍。聚合物复合添加剂A的长短半径比明显变大，及拌和后标准偏差明显增大证实，拌和过程中聚合物复合添加剂A发生了拉丝现象。

综上，不同聚合物复合添加剂在同样的热与力耦合作用下，拌和后形态表现出显著差别，熔融指数最高的聚合物复合添加剂B颗粒在集料中分散均匀，外观成柱状体的聚合物复合添加剂A颗粒在集料中拉丝现象最为明显，外观成饼状的聚合物复合添加剂C颗粒在集料中被明显压扁且基本无拉丝现象，这些现象均说明聚合物复合添加剂熔融指数不同将影响其形态参数。

3.3 聚合物复合添加剂与热集料的裹附效果

按照2.2制备试样，利用IPP图像处理软件的像素统计功能，得到添加剂像素数量与图像像素总数。按式(1)计算添加剂覆盖率，试验数据见表5。

(1) 表5 3种聚合物复合添加剂对13.2 mm碎石的覆盖率Table 5 Coverage of the three PCA on 13.2 mm gravel

结合表1、表5可知，熔融指数越大，聚合物复合添加剂与集料的覆盖率越高，说明熔融指数及聚合物复合添加剂形态变化参数对聚合物复合添加剂与热集料的覆盖率有影响。

3.4 聚合物复合沥青混合料和易性

按照2.3制备试样，通过扭矩扳手黏结的混合料搅拌测定沥青混合料在不同温度下的和易性值，得到聚合物复合添加剂改性沥青混合料的合理拌和温度。5种沥青混合料的拌和时间、集料加热温度均一样，基质沥青混合料的拌和温度155 ℃与压实温度140 ℃通过黏温曲线确定，表6为5种沥青混合料和易性试验结果。

从表6可知，在各个拌和温度下，4种改性沥青混合料的和易性均大于基质沥青混合料，其原因是由于SBS改性剂和聚合物复合添加剂均不同程度地增加了沥青的黏度。沥青黏度对混合料和易性值有主要作用，通过基质沥青混合料的拌和温度155 ℃下的和易性值可得到的4种改性沥青混合料拌和温度为175 ℃左右，且SBS改性沥青混合料与3种聚合物复合改性沥青混合料在该温度下的和易性值相差很小，B4的和易性值最大，换言之，聚合物复合添加剂B对沥青混合料黏结性增加的影响最大。可以认为，对于3种聚合物复合改性沥青混合料的拌和温度与常规SBS改性沥青混合料的拌和温度相同即可，并无特殊要求。

从表7可知，覆盖率及165 ℃和易性与拌和前后面积比、最大半径正相关，且相关性很好，最大半径及长短半径比与聚合物复合添加剂熔融指数正相关，相关性较好，覆盖率高的聚合物复合添加剂，其相应的沥青混合料和易性值也较大。

表7 聚合物复合添加剂形态参数与覆盖率及和易性的相关性Table 7 Correlation between shape parameters of PCA and coverage of PCA on gravel and workability

3.5 聚合物复合添加剂形变参数与沥青混合料技术性能相关性

为了得到聚合物复合添加剂拌和前后形态变化参数与沥青混合料技术性能间的相关关系，试验按照2.2分别制备基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、分别掺加A、B、C聚合物复合添加剂的沥青混合料共5种试样，成型马歇尔标准试件和车辙试件，进行AC-13C和AC-20C两种级配的贯入剪切试验和路用性能试验，试验结果见表8。

表8 路用性能指标试验结果Table 8 Road performance indexes

(续表8)

路用性能指标基质沥青混合料SBS改性沥青混合料聚合物复合改性沥青混合料A4B4C4AC⁃20CAC⁃13CAC⁃20CAC⁃13CAC⁃20CAC⁃13CAC⁃20CAC⁃13CAC⁃20CAC⁃13C低温性能弯拉应变/με2506．52725．13473．33418．23557．73883．52450．22279．52929．22720．8弯曲应变能/kPa7．034．7813．910．0714．1710．4910．786．6513．167．84水稳定性残留稳定度/%86．9677．5385．9390．388．3387．2887．4983．0585．4581．44冻融劈裂比/%77．3978．6990．591．486．195．3077．7289．8785．4677．14

从表8可知，相对于普通沥青混合料，外掺3种聚合物复合添加剂的沥青混合料的性能均有不同程度提高。聚合物复合添加剂A能明显提高沥青混合料的低温性能和高温性能；聚合物复合添加剂B能明显提高沥青混合料的高温性能，但沥青混合料低温性能略有降低；聚合物复合添加剂C提高沥青混合料高温性能，但其水稳性能略有降低。

表9为3种聚合物复合添加剂拌和前、后形态参数变化比与沥青混合料路用性能的相关性情况。

表9 聚合物复合添加剂形态参数与沥青混合料路用性能的相关性Table 9 Correlation between shape parameters of PCA and road performances of asphalt mixture

由表9可知：

1)从高温抗车辙性能两个指标来看，聚合物复合添加剂拌和前后面积变化、椭圆外切长短比、最大半径、长短半径比与高温抗车辙指标正相关，而拌和前后最小半径与高温抗车辙指标负相关。分析其原因是：4个指标将决定聚合物复合添加剂在沥青混合料中的分布情况，分布均匀的聚合物复合添加剂变形体在沥青混合料中形成很多网状结构，从而形成较好的骨架密实结构。

2)从低温抗开裂性能的两个指标来看，椭圆外切长短比和长短半径比两个指标变化情况与沥青混合料低温性能负相关，最小半径与低温性能正相关，如掺加聚合物复合添加剂A的沥青混合料低温性能明显优于添加聚合物复合添加剂B和C的沥青混合料。分析其原因是，聚合物复合添加剂A在干拌过程中出现了明显的拉丝状态，这对提高沥青混合料的低温性有显著帮助。

3)从水稳定性能两个指标来看，聚合物复合添加剂拌和前后形态变化参数指标与两个评价指标存在正负相关性，差异性较大，主要是受两个指标的试验方法与手段影响。总的来说，拌和前后面积比与最大最小半径对水稳定性有较为明显的影响。

4 结 论

1)聚合物复合添加剂熔融指数、外观尺寸对其与热集料拌和前后形态变化有不同程度的影响，熔融指数较大且外观尺寸较小的聚合物复合添加剂与碎石裹附率较高。

2)熔融指数对聚合物复合添加剂沥青混合料和易性值有较大的影响，室内和易性试验结果表明聚合物复合添加剂改性沥青混合料可以采用与SBS改性沥青混合料同样的拌和温度。

3)聚合物复合添加剂拌和前后的形态变化情况在某种程度上将决定聚合物复合添加剂在提高沥青混合料技术性能方面的优劣，聚合物复合添加剂在与热集料作业过程中，拉丝现象最为明显的普遍能提高沥青混合料低温性能，碎石覆盖率最高的能大幅度提高沥青混合料高温性能。

[1] 郝培文.沥青与沥青混合料[M].北京:人民交通出版社,2009.

Hao Peiwen.Bitumen and Bituminous Mixture [M].Beijing:China Communications Press,2009.

[2] 谢晶.对掺加PR.S聚合物复合添加剂沥青混合料水稳定性能的改善措施[J].长沙交通学院学报,2008,24(4):39-41.

Xie Jing.Improvement on asphalt mixtures immersion stability performance with PR.S additives added[J].Journal of Changsha Communications University,2008,24(4):39-41.

[3] 李克.掺加PR.M聚合物复合添加剂对沥青混合料低温性能的影响[J].中外公路,2010,30(1):229-232.

Li Ke.Mixing PR.M asphalt additives on the impact of low temperature performance [J].Journal of China & Foreign Highway,2010,30(1):229-232.

[4] 赖增成.SEAM改性沥青及沥青混合料路用性能试验研究[D].重庆:重庆交通大学,2008.

Lai Zengcheng.Test Research on Properties of Asphalt and Asphalt Mixture with SEAM[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2008.

[5] 毕玉峰.沥青混合料抗剪试验方法及抗剪切参数研究[D].上海:同济大学,2004.

Bi Yufeng.Study of Asphalt Mixture Shear Test Method and Shear Parameters [D].Shanghai:Tongji University,2004.

[6] JTG E-20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

JTG E-20—2011 Standard Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixtures for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2011.

[7] 张登良.沥青路面工程手册[M].北京:人民交通出版社,2004.

Zhang Dengliang.Asphalt Pavement Engineering Manual [M].Beijing:China Communications Press,2004.

[8] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2003.

Shen Jinan.Asphalt and Asphalt Pavement Performance [M].Beijing:China Communications Press,2003.