AMPS,聚合物改性沥青混合料性能研究*

魏婷婷，李文凯，邵景干，陈红奎

（1河南中州路桥建设有限公司，河南周口 466000；
2河南交院工程技术集团有限公司 绿色高性能材料应用技术交通运输行业研发中心，河南郑州 450046）

经济的快速发展，对基础设施的规模及服务质量提出了更高的要求。近年来，我国投入运营的高等级公路里程逐年增加，截止2020年底，通车总里程己超出15.5万公里，每百平方公里就有16.15公里的公路。我国地大物博，地域跨度大，部分地区处于季节性冰冻区，冬季路面积雪严重，严重影响行车安全［1］。因此，为了使路面积雪尽快融化，除冰盐被广泛应用。研究表明，单一氯盐作用下，MgCl2对沥青路面的腐蚀作用最大，其次是NaCl、CaCl2［2-3］。氯盐融雪剂的应用，不仅会对沥青路面、桥梁结构产生严重危害，同时也会对地表水、植被、周边土壤造成破坏［4］。近年来，随着技术的进步，大量沥青改性剂相继出现，这些改性剂的应用能够有效改善沥青路面的路用性能及使用年限，其中橡胶SBS复合改性效果较为突出［5］。然而，大量氯盐融雪剂的使用会对橡胶SBS复合改性沥青路面的性能造成严重侵蚀，如何在高低温及氯盐侵蚀等复杂环境下对橡胶SBS复合改性沥青路面进一步改性成为目前道路工作者研究的重要方向［6-7］。马昆林［8］用不同盐溶液浸泡水泥混凝土芯样并进行抗冻及耐久性试验发现，盐溶液会引起混凝土内部结晶破坏，且破坏程度与浸泡时间及盐溶液浓度关系密切。查旭东［9］通过对AC-13C改性沥青混合料进行配合比优化得出，矿料级配优化后的沥青路面性能得到很大改善。朱春凤［10］将硅藻土及玄武岩纤维掺入到沥青混合料中进行相关性能研究发现，硅藻土及玄武岩纤维的掺入，沥青路面高温抗车辙、低温抗开裂、水稳定性及疲劳性能均得到了不同程度的改善。2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)是一种高分子聚合物，应用较为广泛，具有良好的抗盐冻、抗高温及水解稳定等性能［11］。本文选用将AMPS掺入到AC-13C混合料中，并以氯盐溶液及冻融循环综合作用下加速模拟季节性冰冻区沥青路面路用性能的变化情况，为AMPS在沥青路面中的应用提供理论基础。

1.1 原材料

1.1.1 AMPS 聚合物

本文选用2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸（AMPS）展开研究，它是强酸性质含磺酸基的烯烃单体，具有电解、固定、絮凝、分散及增稠的特性，被广泛应用到多个领域。AMPS能够与水溶性及水不溶性单体共聚，能够改善被融材料的高温耐碱性、分散性及亲水性，掺入到橡胶SBS复合改性沥青路面中，能够提高沥青路面在盐冻融循环作用下的路用性能。AMPS物理化学指标及部分极性溶剂中的溶解度试验结果见表1，AMPS 二元聚合物的合成原理如图1所示。

表1 AMPS物理化学指标及部分极性溶剂中的溶解度Table 1 Physical and chemical indexes of AMPS and solubility in some polar solvents

图1 AMPS 二元聚合物的合成原理Fig.1 Synthesis principle of AMPS binary polymer

1.1.2 橡胶 SBS 复合改性沥青

沥青性能的好坏对沥青路面路用性能起着决定性作用。沥青种类的选取应根据道路等级、交通量、气候特征、结构层位及施工工艺等综合因素来决定。本文选取河南金欧特实业集团股份有限公司生产的橡胶 SBS 复合改性沥青进行研究，其主要技术指标试验结果见表2。

表2 橡胶 SBS 复合改性沥青主要技术指标试验结果Table 2 Test results of main technical indexes of rubber SBS composite modified asphalt

1.2 配合比设计

选用密级配AC-13C沥青混合料展开研究，其中粗集料分别为10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm石灰岩碎石，细集料为0～3 mm机制砂，填料为石灰岩磨细的矿粉，粗、细集料及矿粉主要技术指标均满足JTG F40的要求。混合料矿料级配设计结果见表3，根据相关文献AMPS聚合物掺量范围为0.5%～1.0%，作为沥青混合料的外加剂，本文选用的掺量为0.8%(占沥青混合料质量)，其中掺0.8% AMPS混合料类型用SAC-13C表示，两种混合料最佳油石比及马歇尔试验结果见表4。

表3 AC-13C矿料级配设计结果Table 3 AC-13C mineral aggregate grading design results

表4 最佳油石比及马歇尔试验结果Table 4 Optimum asphalt aggregate ratio and Marshall test results

北方季节性冰冻区雨雪天气路表时常积雪并伴有结冰，不仅影响道路畅通，也会影响行车安全。为了使冰雪快速融化，氯盐融雪剂被广泛应用。但这些氯盐融雪剂在融冰雪的同时，也会形成氯盐溶液渗透到路面结构孔隙当中，严重影响沥青与骨料之间的黏附性，同时路面结构在长期盐冻融循环作用下性能也会降低。

2.1 盐胀作用

随着沥青路面结构层内部水分的蒸发，氯盐融雪剂不断积聚结晶，当结晶达到一定程度时就会在骨料之间形成膨胀压力，不仅会降低沥青与骨料之间的黏附性，导致沥青胶浆从骨料之间剥落，也会对路面结构造成破坏，降低结构层的整体强度［12］。

2.2 乳化作用

氯盐融雪剂的使用，会降低冰雪的熔点，使之快速融化，在车辆轴载及毛细作用下，氯盐溶液渗透到结构层孔隙当中，导致孔隙被氯盐溶液填充。氯盐溶液的表面活性大于沥青，更易吸附在沥青与骨料之间，加速沥青与骨料分离。当氯盐溶液与沥青接触时，Na+会与沥青发生化学吸附作用，将沥青乳化，同时Na+与混合料中的碱性物质发生反应形成硅酸盐凝胶。沥青乳化作用及硅酸盐凝胶的形成会降低结构层强度，沥青胶浆极易从骨料之间剥落［13］。

2.3 加速老化作用

造成沥青路面老化的因素有多种，主要包括：沥青与骨料之间的黏附性降低；
长期低温环境导致沥青黏韧性降低，脆性增强，混合料弯曲破坏应变下降；
结构层内部积水、盐溶液膨化结晶、冻融循环及车辆轴载重复作用，水稳定性能降低［14-15］。氯盐融雪剂中的Cl-会与沥青胶浆反应，增加沥青混合料的刚性模量，降低沥青路面的延展性，加速沥青路面老化。

2.4 其他侵蚀机理分析

密级配沥青路面质地密实，后期车辆轴载重复作用下会更加致密，能有效防止路表水渗透。大孔隙排水式沥青路面有利于路表水的快速排出，但雨雪天气内部的孔隙易被冰雪填充，在动轴载及冻融循环作用下结构层容易破坏。我国北方季节性冰冻区，昼夜温差大，白天气温升高，结构层孔隙中的冰雪融化，夜晚水分积聚并冻结，长期作用下，沥青路面容易开裂且开裂深度及宽度不断加剧；
路面层间结构是沥青路面的薄弱环节，表层结构裂缝会在层间结构处积聚，加速结构破坏；
结构层内部原材料温缩系数存在差异，外界环境综合作用下内部出现开裂也会反射到路表形成发射裂缝。

3.1 盐冻融方案

本文盐冻融循环作用主要考虑两个方面，一是融雪盐溶液浓度，二是冻融循环的次数。相关研究表明，高浓度氯盐对沥青路面性能的影响较小，而氯盐浓度为4%左右时，沥青路面性能衰减较快，随着盐冻融循环次数的增加沥青路面的性能呈现出逐渐降低的趋势。本文在橡胶SBS复合改性AC-13C混合料的基础上，掺入0.8%的AMPS聚合物改性剂，并对沥青混合料的抗盐冻融能力展开研究。在基准条件下、0%盐浓度冻融循环 5 次及4%盐浓度冻融循环 5 次三种试验环境下对混合料进行路用性能研究，其中，盐冻融循环的方案为：NaCl盐溶液浓度为4%，冻融循环次数为5次，在-18℃的环境下冻4h，然后25℃的环境下融4h为一个冻融循环，进行模拟季节性冰冻区5年的季节交替。为保证试验条件接近实际情况，收集同一天内的雨水进行研究。

3.2 高温稳定性

高温稳定性是沥青路面最重要的性能。夏季高温天气路表温度往往会超过60℃，局部炎热地区甚至会超过70℃，沥青路面在高温及车辆轴载重复作用下，抗剪切能力降低，极易发生永久性塑性变形，这些病害的出现严重影响行车安全，车辙、拥包、推移及泛油病害的出现是沥青路面高温稳定性差的主要表现形式［16-18］。本文选用室内60℃车辙试验对两种混合料进行高温抗车辙性能研究，不同试验环境下动稳定度试验结果如图2所示。

图2 动稳定度试验结果Fig.2 Dynamic stability test results

由图2可以得出：两种混合料在不同试验环境下动稳定度试验结果均满足1-3区改性沥青混合料不低于2800次/mm的规范要求，且在4%盐浓度冻融循环 5 次后的SAC-13C混合料试验结果仍能达到5349次/mm；
上述三种试验环境下，两种混合料动稳定度试验结果均逐渐降低，掺AMPS的SAC-13C混合料试验结果降低幅度小得多，且相同试验环境下，掺AMPS 聚合物的SAC-13C混合料动稳定度试验结果均优于常规AC-13C混合料，表明AMPS的掺入能够改善混合料盐冻融循环后混合料的高温抗车辙能力。

3.3 低温抗裂性

目前，沥青路面低温开裂病害的研究仍在不断完善，导致低温开裂的因素有多种，主要包括原材料质量、施工工艺、外界环境、交通量及运营年限等。低温环境下沥青路面在车辆轴载作用下极易导致结构层内部的允许拉应力低于温缩应力而发生开裂，裂缝、块状裂缝及龟裂等病害的出现是沥青路面低温抗裂性差的主要表现形式［19-22］。本文选用-10℃低温小梁弯曲试验来评价两种混合料的低温抗开裂能力，不同试验环境下弯曲破坏应变试验结果如图3所示。

图3 弯曲破坏应变试验结果Fig.3 Bending failure strain test results

由图3可以得出：基准条件下，SAC-13C混合料弯曲破坏应变小于 AC-13C，但仍满足1-3区改性混合料不低于2500με的规范要求；
0%盐浓度冻融循环 5 次及4%盐浓度冻融循环 5 次两种环境下两种混合料弯曲破坏应变试验结果均逐渐下降，但掺AMPS的SAC-13C混合料降低幅度较AC-13C混合料小得多，这主要因为AMPS的掺入会降低混合料的黏韧性，低温环境下弯曲破坏应变降低，但会大大提高混合料的抗盐冻能力，盐冻循环次数越多效果越明显。

3.4 水稳定性

水损害是夏季多雨地区沥青路面最常见的病害形式。沥青路面在雨水、使用年限、紫外线、温缩应力及车辆轴载综合作用下，沥青胶浆极易从骨料之间剥落，坑槽、松散等病害的出现是沥青路面水稳定性差的主要表现形式［23-25］。本文选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验对两种混合料进行抗水损害性能研究，不同试验环境下浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果分别如图4、图5所示。

图4 浸水马歇尔残留稳定度试验结果Fig.4 Immersion Marshall residual stability test results

图5 冻融劈裂残留强度比试验结果 Fig.5 Test results of freeze-thaw splitting residual strength ratio

由图4、图5可以得出：基准条件下，SAC-13C混合料浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果均小于 AC-13C，但仍满足1-3区改性混合料分别不低于85%、80%的规范要求；
0%盐浓度冻融循环 5 次及4%盐浓度冻融循环 5 次两种环境下两种混合料试验结果均有所降低，但掺AMPS的SAC-13C混合料降低幅度较AC-13C混合料小得多，且试验结果均优于AC-13C混合料，表明AMPS的掺入能有效改善橡胶SBS复合改性沥青混合料盐冻循环作用下的抗水损害能力。

3.5 疲劳性能

沥青路面随着使用年限增加及车辆轴载的重复作用会发生疲劳破坏，当荷载应力超过结构层的极限破坏强度时就会发生开裂，这些病害是沥青路面常见的疲劳损伤现象［26-28］。本文选用UTM-25疲劳试验机来评价两种混合料的抗疲劳性能，试件尺寸为长380mm×高50mm×宽63mm的小梁试件，采用应变控制加载模式，以 400με应变水平进行加载，试验波形为正弦波，频率选用10Hz，试验温度20℃，不同试验环境下疲劳次数试验结果如图6所示。

图6 疲劳性能试验结果Fig.6 Fatigue performance test results

由图6可以得出：基准条件、0%盐浓度冻融循环 5次及4%盐浓度冻融循环 5 次三种试验环境下两种混合料疲劳次数试验结果均逐渐降低，且SAC-13C混合料降低幅度较AC-13C混合料小得多；
相同条件下掺AMPS的SAC-13C混合料的试验结果均大于AC-13C混合料，表明AMPS的掺入能有效改善橡胶SBS复合改性沥青混合料盐冻融环境下的抗疲劳性能。

本文通过对橡胶SBS复合改性AC-13C及掺0.8% AMPS的SAC-13C两种沥青混合料进行配合比及高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害及疲劳等路用性能研究，得出以下结论：

（1）0%盐浓度冻融循环 5 次、4%盐浓度冻融循环 5 次两种试验环境下橡胶SBS复合改性AC-13C及掺0.8% AMPS的SAC-13C两种沥青混合料路用性能均有不同程度的降低。

（2）基准条件下，AMPS的掺入能够改善橡胶SBS复合改性沥青混合料的高温抗车辙及疲劳性能；
0%盐浓度冻融循环 5 次、4%盐浓度冻融循环 5 次两种试验环境下，掺0.8% AMPS的SAC-13C沥青混合料的相关路用性能的降低幅度较AC-13C混合料小得多，表明AMPS的掺入能有效改善橡胶SBS复合改性沥青混合料盐冻融循环作用下的路用性能。

本研究沥青混合料路用性能试验结果是在盐浓度为4%及盐冻融循环5次的基础上得出的，不同盐浓度及不同盐冻融循环次数作用下沥青混合料路用性能的变化趋势还需进一步的研究。