高模量改性沥青改性机理与混合料性能试验研究_梁磊
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4 结论
ａ）ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性沥青微观机理主要有吸收 和吸附作用以及界面层作用。有利于提高沥青的黏 度和改善感温性能。ＰＲＳ 溶胀程度大于 ＰＲＭ，界面 层厚度亦大于 ＰＲＭ，这是由于两者自身材料分子结 构以及材料组成不同造成的。
ｂ）掺加 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂对混合料高温性能 和水稳性能有显著提高，对低温性能有一定的改善 作用。ＰＲＳ 对混合料路用性能的改善优于 ＰＲＭ。
改性剂在沥青中的溶胀程度、即吸收和吸附作 用发生的强度，受到沥青的组分和改性剂自身的材 料和性质的影响。沥青中饱和分和芳香分的含量越 多、改性剂与沥青组分成分越接近，溶胀程度越高。 基质沥青相同情况下，由扫描电镜和荧光显微试验 可知 ＰＲＳ 溶胀程度大于 ＰＲＭ 改性剂。而溶胀程度 将直接影响到改性沥青的性能。对于改性沥青而言， 经过改性剂的吸收和吸附作用，沥青质和胶质含量 相对增加，有利于增加沥青的黏度，而黏度的增加势 必会改善沥青混合料的水稳性能。
1 原材料
研究中集料采用优质石灰岩，基质沥青为埃索 ７０ 号 Ａ 级道路石油沥青，性能指标如表 １ 所示。改 性剂分别为法国 ＰＲ 公司生产的 ＰＲ ＭＯＤＵＬＥ 和
山西交通科技山。 交通科技
ＰＲ ＰＬＡＳＴ．Ｓ，技术指标如表 ２ 所示。
表 1 埃索 70 号沥青性能指标
试验项目
25 ℃针入度15 0.01 mm
参考文献：
［１］ 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，２００１．
［２］ 肖庆一，芮少权，王航，等．添加 ＰＲ ＰＬＡＳＴＳ 抗车辙剂沥 青混合料试验研究 ［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００６（７）：３６－ ３９．
［３］ 沙爱民，周庆华，杨琴．高模量沥青混凝土材料组成设计 方法 ［Ｊ］． 长安大学学报（自然科学版），２００９（３）：１－５．
青及沥青混合料试验规程［Ｓ］． 北京：人民交通出版社， ２０１１． ［９］ 交通部公路科学研究所．ＪＴＧ Ｆ４０—２００４ 公路沥青路面 施工技术规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．
The Modification Mechanism of High Modulus Modified Asphalt and the Experimental Study on the Mixture Performance
在试验掺量范围内，ＴＳＲ 随着 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 掺 量增加而增大，说明掺加 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂对改 善沥青混合料的水稳定性起到了一定的作用。在掺 量为 ０．４％时，ＰＲＭ 的 ＴＳＲ 小于 ＳＢＳ，ＰＲＳ 大于 ＳＢＳ， 均远大于规范要求的 ７５％。 3.3 低温性能
本文采用低温弯曲试验［９］，利用弯曲破坏应变来 评价混合料的低温性能。试验采用由轮碾法成型 的车辙板切割而成的 ３０ ｍｍ（宽）×３５ ｍｍ（高）× ２５０ ｍｍ（长）棱柱体小梁试件，采用试验设备自带环 境箱控温 －１０℃，加载跨径为 ２００ ｍｍ，加载速率为 ５０ ｍｍ／ｍｉｎ。试验结果如图 ４ 所示。
℃延度 10 cm
℃延度 cm
软化点 ℃
针入度 指数
蜡含量 %
试验结果 68.6 大于 100 35.7 47.5 0.05 0.9/mm 熔点/℃ 密度/g·cm-3 成分
法国
PRM
圆柱体颗粒 灰色
直径约 5 高 1～3
175
0.930～0.965
填充量小于 0.6%～0.8%
法国
PRS
圆柱体颗粒 黑色
直径约 4 高 1～3
140~150
0.91～0.965
塑料大于 95%，填充量
小于 0.5%
选取 ＡＣ—２０ 为研究级配。混合料采用拌和方
法为先将加热的集料与改性剂干拌 １５ ｓ，再加入沥
青进行湿拌。油石比是按照马歇尔方法确定的，结果
如表 ４ 所示。
改性剂在不断溶胀的同时，会有部分表面高分 子链段扩散到沥青当中。在改性剂微粒巨大表面能 的作用下，扩散入沥青中的高分子链段和吸收到改
性剂内部成为内含溶剂的沥青组分构成了界面层。 ＰＲＳ 界面层较厚，作用力较强，在溶胀展开过程中形 成空间网络雏形。ＰＲＭ 界面层较薄，仍以颗粒形式 分布。
由于界面层的存在，距离微粒表面越近的，沥青 分子受到的分子力作用越大，分子运动也会相应地 减慢，从宏观上的表现为抵抗外力形变的能力越强。 在沥青路面使用温度范围内，当温度升高时，界面层 限制了沥青的流动，改性沥青中固态向液态转变的 组分相较于基质沥青的少，从而有利于提高沥青的 高温性能；而在低温时，界面层可以吸收和传递应 力，增加沥青低温变形能力。综合而言，界面层改善 了改性沥青的感温性能。 3 混合料路用性能研究 3.1 高温性能
图 4 低温弯曲试验破坏应变
我国规范中以小梁最大弯拉破坏应变表征沥青 混合料抵抗低温开裂的能力，破坏应变越大表征该 种沥青混合料的低温抗裂能力越好。从破坏应变角
度分析，加入高模量改性剂后，破坏应变亦有一定程 度的提高。在试验掺量范围内，随着 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 掺 量的增加，破坏应变都随之增加，但增幅均较小。掺 量为 ０．４％时弯拉破坏应变大小顺序为 ＳＢＳ＞ＰＲＳ＞ ＰＲＭ＞基质。
理分析入手，对不同改性剂和掺量的改性沥青混合料进行路用性能评价，同时与 SBS 改性沥青
及其混合料进行对比研究。结果表明：PR MODULE 和 PR PLAST.S 改性沥青改性机理主要
有吸收和吸附作用以及界面层作用，这有利于提高沥青的黏度和改善感温性能。两种改性剂对
提高混合料高温性能和水稳性能有显著作用，对低温性能也有一定程度的改善。
·52·
山西交通科技
2014 年第 4 期
变形率大小顺序刚好与之相反。 3.2 水稳性能
水稳定性是沥青混合料的重要的路用性能之 一。国内评价水稳定性的方法很多，本文采用冻融劈 裂试验检测混合料的水稳性能，并利用冻融劈裂强 度比 ＴＳＲ 对混合料的水稳定性进行评价。试验结果 如图 ３ 所示。
图 3 冻融劈裂试验 TSR
车辙已经是我国沥青路面早期损坏主要的形式 之一。ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 两种改性剂均具有改善沥青混合 料抵抗高温永久变形的作用。采用 ６０ ℃车辙试验［８］ 对不同掺量的 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性沥青混合料、基质 沥青混合料以及 ＳＢＳ 改性沥青混合料进行了车辙 试验。并采用动稳定度和相对变形率 ２ 个指标对沥 青混合料高温性能进行评价。试验结果图 １、图 ２ 所 示。
关键词：道路工程；改性沥青；改性机理；路用性能
中图分类号：U416.217
文献标识码：A 文章编号：1006-3528（2014）04-0050-03
0 引言
随着我国经济的发展，交通量也快速增长，重载 和渠化交通进一步加重了路面的早期车辙损坏［１］。车 辙的出现严重影响了路面使用寿命，也降低了路面 的服务水平，影响了车辆的行驶安全。高模量改性剂 ＰＲ ＭＯＤＵＬＥ （以 下 简 称 ＰＲＭ） 和 抗 车 辙 剂 ＰＲ ＰＬＡＳＴ．Ｓ（以下简称 ＰＲＳ）对沥青混合料高温稳定性 良好的改善作用，引起越来越多的关注［２］。国内自从 ２０００ 年先后引进了这两种改性剂之后，在两种沥青 混合料路用性能和施工工艺等方面展开了大量的研 究［２－４］。由于普遍认为这两种改性剂是“对混合料的 改性”，因此并没有展开对改性沥青的研究。ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂虽然是通过直接与热集料中进行干拌之 后再加入沥青进行湿拌，并未像 ＳＢＳ 改性沥青那样 直接对沥青进行改性。但是对于整个沥青混合料来 说，随着改性剂的加入，沥青性能必然随之发生变 化，而其改变是从成分组成与内部结构带来的。本文 从改性沥青的微观结构入手，从材料学角度分析研 究改性剂与基质沥青的改性机理及相互作用，结合 微观试验分析结果对改性沥青混合料路用性能进行 了评价。
表 3 AC—20 沥青混合料级配设计表
%
级配
筛孔尺寸（方孔筛）(mm)通过百分率
类型 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
AC—20 100 91.7 79.9 67.1 50.8 35.6 24.2 17.4 12.6 9.4 7.7 5.8
改性剂加入基质沥青中，改性剂与沥青的混合 包括两个过程，一个过程是改性剂粒子在沥青中轻 质组分作用下发生溶胀。另外一个过程是作为分散 相的改性剂粒子表面能量大，粒度小，吸附沥青中的 性质接近的组分能以降低表面能，形成一种稳定的 界面吸附层［７］。
当 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂加入到沥青当中后，会 吸收和吸附沥青中部分轻质油分发生溶胀，沥青中 的饱和分和芳香分的含量会相对减少，而胶质和沥 青质的含量会相对增加，沥青原有的胶体平衡体系 就被打破。体系将通过降低自身表面能的方式而趋 于新的平衡。沥青建立新的胶体平衡体系后，自身的 物理力学性能随之发生变化。
图 1 车辙试验动稳定度
图 2 车辙试验相对变形率
相较于基质沥青混合料，掺加 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 的 改性沥青混合料动稳定度得到显著的提高。在试验 掺量范围内，随着掺量增加，动稳定度逐渐增大。但 并不是等比例增加，在 ０％～０．４％范围内增幅较大， 而 ０．４％～０．６％范围内增幅平缓。在相同掺量情况 下，ＰＲＳ 沥青混合料的动稳定度均大于 ＰＲＭ。ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 在工程常用掺量 ０．４％情况下，动稳定度相 对于 ＳＢＳ 改性沥青混合料也有较大程度的提高。动 稳定度大小顺序为 ＰＲＳ＞ＰＲＭ＞ＳＢＳ＞基质。相对
第 4 期(总第229 期)
山西交通科技
2014 年 8 月
SHANXI SCIENCE ＆ TECHNOLOGY of COMMUNICATIONS
No．4 Aug.
高模量改性沥青改性机理与混合料性能试验研究
梁磊
（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）
摘要：为了弄清几种主要的高模量改性沥青混合料的性能，先从高模量改性沥青的改性机
ａ）ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性沥青微观机理主要有吸收 和吸附作用以及界面层作用。有利于提高沥青的黏 度和改善感温性能。ＰＲＳ 溶胀程度大于 ＰＲＭ，界面 层厚度亦大于 ＰＲＭ，这是由于两者自身材料分子结 构以及材料组成不同造成的。
ｂ）掺加 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂对混合料高温性能 和水稳性能有显著提高，对低温性能有一定的改善 作用。ＰＲＳ 对混合料路用性能的改善优于 ＰＲＭ。
改性剂在沥青中的溶胀程度、即吸收和吸附作 用发生的强度，受到沥青的组分和改性剂自身的材 料和性质的影响。沥青中饱和分和芳香分的含量越 多、改性剂与沥青组分成分越接近，溶胀程度越高。 基质沥青相同情况下，由扫描电镜和荧光显微试验 可知 ＰＲＳ 溶胀程度大于 ＰＲＭ 改性剂。而溶胀程度 将直接影响到改性沥青的性能。对于改性沥青而言， 经过改性剂的吸收和吸附作用，沥青质和胶质含量 相对增加，有利于增加沥青的黏度，而黏度的增加势 必会改善沥青混合料的水稳性能。
1 原材料
研究中集料采用优质石灰岩，基质沥青为埃索 ７０ 号 Ａ 级道路石油沥青，性能指标如表 １ 所示。改 性剂分别为法国 ＰＲ 公司生产的 ＰＲ ＭＯＤＵＬＥ 和
山西交通科技山。 交通科技
ＰＲ ＰＬＡＳＴ．Ｓ，技术指标如表 ２ 所示。
表 1 埃索 70 号沥青性能指标
试验项目
25 ℃针入度15 0.01 mm
参考文献：
［１］ 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，２００１．
［２］ 肖庆一，芮少权，王航，等．添加 ＰＲ ＰＬＡＳＴＳ 抗车辙剂沥 青混合料试验研究 ［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００６（７）：３６－ ３９．
［３］ 沙爱民，周庆华，杨琴．高模量沥青混凝土材料组成设计 方法 ［Ｊ］． 长安大学学报（自然科学版），２００９（３）：１－５．
青及沥青混合料试验规程［Ｓ］． 北京：人民交通出版社， ２０１１． ［９］ 交通部公路科学研究所．ＪＴＧ Ｆ４０—２００４ 公路沥青路面 施工技术规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．
The Modification Mechanism of High Modulus Modified Asphalt and the Experimental Study on the Mixture Performance
在试验掺量范围内，ＴＳＲ 随着 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 掺 量增加而增大，说明掺加 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂对改 善沥青混合料的水稳定性起到了一定的作用。在掺 量为 ０．４％时，ＰＲＭ 的 ＴＳＲ 小于 ＳＢＳ，ＰＲＳ 大于 ＳＢＳ， 均远大于规范要求的 ７５％。 3.3 低温性能
本文采用低温弯曲试验［９］，利用弯曲破坏应变来 评价混合料的低温性能。试验采用由轮碾法成型 的车辙板切割而成的 ３０ ｍｍ（宽）×３５ ｍｍ（高）× ２５０ ｍｍ（长）棱柱体小梁试件，采用试验设备自带环 境箱控温 －１０℃，加载跨径为 ２００ ｍｍ，加载速率为 ５０ ｍｍ／ｍｉｎ。试验结果如图 ４ 所示。
℃延度 10 cm
℃延度 cm
软化点 ℃
针入度 指数
蜡含量 %
试验结果 68.6 大于 100 35.7 47.5 0.05 0.9/mm 熔点/℃ 密度/g·cm-3 成分
法国
PRM
圆柱体颗粒 灰色
直径约 5 高 1～3
175
0.930～0.965
填充量小于 0.6%～0.8%
法国
PRS
圆柱体颗粒 黑色
直径约 4 高 1～3
140~150
0.91～0.965
塑料大于 95%，填充量
小于 0.5%
选取 ＡＣ—２０ 为研究级配。混合料采用拌和方
法为先将加热的集料与改性剂干拌 １５ ｓ，再加入沥
青进行湿拌。油石比是按照马歇尔方法确定的，结果
如表 ４ 所示。
改性剂在不断溶胀的同时，会有部分表面高分 子链段扩散到沥青当中。在改性剂微粒巨大表面能 的作用下，扩散入沥青中的高分子链段和吸收到改
性剂内部成为内含溶剂的沥青组分构成了界面层。 ＰＲＳ 界面层较厚，作用力较强，在溶胀展开过程中形 成空间网络雏形。ＰＲＭ 界面层较薄，仍以颗粒形式 分布。
由于界面层的存在，距离微粒表面越近的，沥青 分子受到的分子力作用越大，分子运动也会相应地 减慢，从宏观上的表现为抵抗外力形变的能力越强。 在沥青路面使用温度范围内，当温度升高时，界面层 限制了沥青的流动，改性沥青中固态向液态转变的 组分相较于基质沥青的少，从而有利于提高沥青的 高温性能；而在低温时，界面层可以吸收和传递应 力，增加沥青低温变形能力。综合而言，界面层改善 了改性沥青的感温性能。 3 混合料路用性能研究 3.1 高温性能
图 4 低温弯曲试验破坏应变
我国规范中以小梁最大弯拉破坏应变表征沥青 混合料抵抗低温开裂的能力，破坏应变越大表征该 种沥青混合料的低温抗裂能力越好。从破坏应变角
度分析，加入高模量改性剂后，破坏应变亦有一定程 度的提高。在试验掺量范围内，随着 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 掺 量的增加，破坏应变都随之增加，但增幅均较小。掺 量为 ０．４％时弯拉破坏应变大小顺序为 ＳＢＳ＞ＰＲＳ＞ ＰＲＭ＞基质。
理分析入手，对不同改性剂和掺量的改性沥青混合料进行路用性能评价，同时与 SBS 改性沥青
及其混合料进行对比研究。结果表明：PR MODULE 和 PR PLAST.S 改性沥青改性机理主要
有吸收和吸附作用以及界面层作用，这有利于提高沥青的黏度和改善感温性能。两种改性剂对
提高混合料高温性能和水稳性能有显著作用，对低温性能也有一定程度的改善。
·52·
山西交通科技
2014 年第 4 期
变形率大小顺序刚好与之相反。 3.2 水稳性能
水稳定性是沥青混合料的重要的路用性能之 一。国内评价水稳定性的方法很多，本文采用冻融劈 裂试验检测混合料的水稳性能，并利用冻融劈裂强 度比 ＴＳＲ 对混合料的水稳定性进行评价。试验结果 如图 ３ 所示。
图 3 冻融劈裂试验 TSR
车辙已经是我国沥青路面早期损坏主要的形式 之一。ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 两种改性剂均具有改善沥青混合 料抵抗高温永久变形的作用。采用 ６０ ℃车辙试验［８］ 对不同掺量的 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性沥青混合料、基质 沥青混合料以及 ＳＢＳ 改性沥青混合料进行了车辙 试验。并采用动稳定度和相对变形率 ２ 个指标对沥 青混合料高温性能进行评价。试验结果图 １、图 ２ 所 示。
关键词：道路工程；改性沥青；改性机理；路用性能
中图分类号：U416.217
文献标识码：A 文章编号：1006-3528（2014）04-0050-03
0 引言
随着我国经济的发展，交通量也快速增长，重载 和渠化交通进一步加重了路面的早期车辙损坏［１］。车 辙的出现严重影响了路面使用寿命，也降低了路面 的服务水平，影响了车辆的行驶安全。高模量改性剂 ＰＲ ＭＯＤＵＬＥ （以 下 简 称 ＰＲＭ） 和 抗 车 辙 剂 ＰＲ ＰＬＡＳＴ．Ｓ（以下简称 ＰＲＳ）对沥青混合料高温稳定性 良好的改善作用，引起越来越多的关注［２］。国内自从 ２０００ 年先后引进了这两种改性剂之后，在两种沥青 混合料路用性能和施工工艺等方面展开了大量的研 究［２－４］。由于普遍认为这两种改性剂是“对混合料的 改性”，因此并没有展开对改性沥青的研究。ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂虽然是通过直接与热集料中进行干拌之 后再加入沥青进行湿拌，并未像 ＳＢＳ 改性沥青那样 直接对沥青进行改性。但是对于整个沥青混合料来 说，随着改性剂的加入，沥青性能必然随之发生变 化，而其改变是从成分组成与内部结构带来的。本文 从改性沥青的微观结构入手，从材料学角度分析研 究改性剂与基质沥青的改性机理及相互作用，结合 微观试验分析结果对改性沥青混合料路用性能进行 了评价。
表 3 AC—20 沥青混合料级配设计表
%
级配
筛孔尺寸（方孔筛）(mm)通过百分率
类型 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
AC—20 100 91.7 79.9 67.1 50.8 35.6 24.2 17.4 12.6 9.4 7.7 5.8
改性剂加入基质沥青中，改性剂与沥青的混合 包括两个过程，一个过程是改性剂粒子在沥青中轻 质组分作用下发生溶胀。另外一个过程是作为分散 相的改性剂粒子表面能量大，粒度小，吸附沥青中的 性质接近的组分能以降低表面能，形成一种稳定的 界面吸附层［７］。
当 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 改性剂加入到沥青当中后，会 吸收和吸附沥青中部分轻质油分发生溶胀，沥青中 的饱和分和芳香分的含量会相对减少，而胶质和沥 青质的含量会相对增加，沥青原有的胶体平衡体系 就被打破。体系将通过降低自身表面能的方式而趋 于新的平衡。沥青建立新的胶体平衡体系后，自身的 物理力学性能随之发生变化。
图 1 车辙试验动稳定度
图 2 车辙试验相对变形率
相较于基质沥青混合料，掺加 ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 的 改性沥青混合料动稳定度得到显著的提高。在试验 掺量范围内，随着掺量增加，动稳定度逐渐增大。但 并不是等比例增加，在 ０％～０．４％范围内增幅较大， 而 ０．４％～０．６％范围内增幅平缓。在相同掺量情况 下，ＰＲＳ 沥青混合料的动稳定度均大于 ＰＲＭ。ＰＲＭ 和 ＰＲＳ 在工程常用掺量 ０．４％情况下，动稳定度相 对于 ＳＢＳ 改性沥青混合料也有较大程度的提高。动 稳定度大小顺序为 ＰＲＳ＞ＰＲＭ＞ＳＢＳ＞基质。相对
第 4 期(总第229 期)
山西交通科技
2014 年 8 月
SHANXI SCIENCE ＆ TECHNOLOGY of COMMUNICATIONS
No．4 Aug.
高模量改性沥青改性机理与混合料性能试验研究
梁磊
（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）
摘要：为了弄清几种主要的高模量改性沥青混合料的性能，先从高模量改性沥青的改性机
