乙烯-醋酸乙烯酯共聚物改性沥青的高温稳定性与抗疲劳性能研究

Study on High Temperature Stability and Fatigue Resistance of Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer Modified Asphalt

摘要

为提高沥青混合料的高温稳定性与抗疲劳性能，研究以70号基质沥青为基础材料，采用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）进行改性，EVA质量分数设置为2%、4%、6%、8%和10%，系统研究EVA对改性沥青软化点、动稳定度、疲劳寿命、疲劳劲度模量的影响。结果表明：随着EVA掺量的增加，各项性能指标呈“先升高后略降”的趋势。EVA质量分数为6%时效果最佳，软化点为61.2 ℃，动稳定度达3 128 次/mm，疲劳寿命为23 155次，疲劳劲度模量为2 391 MPa，车辙因子（G*/sin δ）最高，体现出优异的热稳定性和结构协同性。适量EVA可显著增强沥青的黏弹性能与耐老化性，6%为推荐工程掺量。研究结果为优化EVA改性沥青配比与性能设计提供依据，亦为聚合物改性沥青的路用拓展应用提供参考。

Abstract

In order to enhance the high-temperature stability and fatigue resistance of asphalt mixtures, the study employed 70-grade base asphalt as the fundamental material and modified it with ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA). The mass fractions of EVA are set at 2%, 4%, 6%, 8% and 10%. The study systematically investigates the effects of EVA on the softening point, dynamic stability, fatigue life and fatigue modulus of the modified asphalt. The results indicated that as the EVA content increased, the performance indices showed a trend of "initially rising and then slightly falling". The optimal effect was achieved when the EVA mass fraction was 6%. At this level, the softening point reached 61.2 ℃, the dynamic stability was 3 128 cycles/mm, the fatigue life was 23 155 cycles, and the fatigue modulus was 2 391 MPa. The highest rutting factor (G*/sin δ) demonstrated excellent thermal stability and structural compatibility. An appropriate amount of EVA could significantly enhance the viscoelastic properties and aging resistance of asphalt. A mass fraction of 6% was recommended for engineering applications. The findings provide a theoretical basis for optimizing the EVA-modified asphalt ratio and performance design and offer references for the expanded application of polymer-modified asphalt in road construction.

Graphical abstract

关键词

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 / 改性沥青 / 软化点 / 动稳定度 / 抗疲劳性能

Key words

EVA / Modified asphalt / Softening point / Dynamic stability / Fatigue resistance

交通荷载的持续加重与环境条件的日趋复杂使道路沥青材料在高温稳定性与疲劳抗裂性能方面面临挑战^[1-2]，传统基质沥青易在高温下发生车辙变形^[3]，且在长期荷载作用下，会缩短基质沥青疲劳寿命^[4-5]，难以满足现代道路工程对耐久性与安全性的要求^[6]。因此，开发性能优异的改性沥青材料已成为提高道路服役性能和延长使用寿命的关键途径^[7-8]。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)是一种热塑性高分子材料，兼具良好的弹性、黏结性和相容性^[9-10]，在道路工程中被广泛用于提高沥青的高温抗变形能力与低温抗裂性能。与其他聚合物(如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)相比，EVA具有成本适中、热稳定性高、加工简便等优势^[11-12]，特别适用于中高温气候区域道路的性能强化^[13]。然而，EVA对沥青性能的改性效果受其掺量的影响。因此，仍需要系统地探讨掺量变化对关键力学与热性能指标的影响规律，以实现材料设计与工程应用的性能优化。

本研究以70号基质沥青为基础，采用不同掺量的EVA对其进行改性，重点考察EVA对改性沥青软化点、动稳定度、疲劳寿命、疲劳劲度模量等关键性能指标的影响，旨在明确其高温稳定性与抗疲劳性能的演化趋势，筛选出最优掺量方案，为EVA改性沥青的工程推广提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

基质沥青，70号道路石油沥青，70-A，中石化长岭炼化有限责任公司；EVA，LD318.07，醋酸乙烯酯(VA)含量18%，熔体流动速率(190 ℃/2.16 kg)2.0 g/10 min，密度0.935 g/cm³，韩国LG化学公司；相容剂，C9型石油树脂，韩国LG化学公司；抗氧剂，Irganox 1010，德国巴斯夫公司(BASF)。

1.2 仪器与设备

高速剪切乳化机，FM300，上海飞默机械设备有限公司；恒温加热搅拌器，DF-101S，郑州长城科工贸有限公司；环-球法软化点测定仪，SYD-2806G，上海昌吉地质仪器有限公司；小型车辙试验仪，WDT-10，天津市路达试验仪器有限公司；动态剪切流变仪，MCR 302，奥地利Anton Paar公司；四点小梁疲劳试验机，UTM-25，美国IPC全球公司；沥青混合料马歇尔击实仪，LDQ-2，南京宁路交通科技有限公司；沥青混合料标准试模，Φ101.6 mm×63.5 mm，南通三信试验仪器有限公司；数显电子天平，FA2104，上海精科天美科学仪器有限公司；恒温水浴锅，HH-S，常州国华电器有限公司；烘箱，DHG-9240A，上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 样品制备

以70号基质沥青为基础材料，采用EVA为主改性剂，引入相容剂和抗氧剂以提升体系的分散均匀性和热稳定性。相容剂选用C9型石油树脂，添加质量为40 g；抗氧剂采用Irganox 1010，添加质量为4 g；两者在所有处理组中保持恒定。EVA质量分数设置为2%、4%、6%、8%、10%，各组试样总质量均控制为1 000 g。表1为EVA改性沥青配方。在制备过程中，EVA颗粒和C9型石油树脂首先在80 ℃真空干燥箱中预处理4 h，去除水分和挥发性杂质。随后将基质沥青加热至(160\pm5) ℃并保持流动状态，在恒温条件下依次加入C9型石油树脂、EVA颗粒和抗氧剂。将混合料置于高速剪切乳化机中(转速3 000 r/min)，在(180\pm5) ℃下剪切搅拌60 min，确保EVA与沥青充分融合且均匀分散。搅拌完成后，将混合料静置于恒温环境中脱气30 min，消除剪切过程产生的气泡和应力，最终制得改性沥青样品。

1.4 性能测试与表征

软化点测试：采用环-球法，依据JTG E20—2011进行测试，测试温度范围为常温至100 ℃，测定加热过程中试样软化下垂至规定位置的温度，评估材料热稳定性能。

车辙试验：采用小型车辙试验仪，依据JTG E20—2011进行测试，试验温度60 ℃，加载压力0.7 MPa，加载频率42 次/min，记录试件最大变形速率，计算动稳定度。计算结果反映材料在高温条件下的抗永久变形能力。

四点小梁弯曲疲劳试验：按JTG E20—2011 T0739进行，试验温度为20 ℃，加载方式为四点弯曲恒应变控制(加载频率10 Hz，应变水平200×10^-6~600×10^-6)，当劲度模量降至初始值的50%时判定为疲劳破坏。

疲劳劲度模量测试：按JTG E20—2011 T0739进行，试验温度为20 ℃，加载频率为10 Hz，应变水平为200×10^-6，通过最大拉应力与对应应变计算劲度模量并取稳态平均值。

抗车辙性能测试：采用动态剪切流变仪测定沥青的复数剪切模量(G*)与相位角(δ)。依据(ASTM D7175—23进行测试，温度范围46~88 ℃，以6 ℃为间隔进行温度扫描，加载频率10 rad/s(1.59 Hz)，剪切应力控制在线性黏弹区范围内。计算车辙因子(G*/sin δ)，用于评价沥青在高温条件下的抗车辙性能。

2 结果与讨论

2.1 EVA质量分数对改性沥青软化点的影响

图1为EVA质量分数对改性沥青软化点的影响。从图1可以看出，软化点随EVA掺量的增加呈先升高后略有下降的趋势。当EVA质量分数为2%时，软化点由基质沥青的48.5 ℃提高至52.7 ℃，初步体现出改性效果。当EVA质量分数提高至4%和6%时，软化点分别提高至58.4 ℃和61.2 ℃。其中，EVA质量分数为6%时，软化点最高，较未改性沥青提高了26.2%，此时改性沥青在高温性能增强与相容性之间达到较优平衡。然而，随着当EVA质量分数提高至8%和10%时，软化点分别下降至60.3 ℃和58.9 ℃，可能是因为EVA过量引起聚集或微相分离，导致复合体系结构均匀性下降，从而影响热稳定性。

2.2 EVA质量分数对改性沥青动稳定度的影响

图2为EVA质量分数对改性沥青动稳定度的影响。从图2可以看出，动稳定度随EVA掺量的增加呈先升高后略有下降的趋势。基质沥青样品的动稳定度为1 035 次/mm，处于较低水平，抗高温永久变形能力有限。当EVA质量分数为2%时，动稳定度提高至1 642 次/mm，表明少量EVA即可增强沥青与骨料间的黏结性能。当EVA质量分数升至4%和6%时，动稳定度提高至2 475 次/mm和3 128 次/mm，分别较基质沥青提高了139.1%和202.2%，表明改性沥青在提高高温稳定性方面具有显著优势。尤其是在EVA质量分数为6%时，动稳定度达到峰值，此时EVA在沥青中的分散状态良好，改性沥青内部结构稳定、承载能力强。这主要是由于EVA为非极性长链结构的热塑性聚合物^[14]，在高温剪切下可与沥青中芳香族组分发生一定程度的物理缠结^[15-16]，增强骨架结构。然而，当EVA质量分数继续提高至8%和10%时，动稳定度下降至2 985 次/mm和2 712 次/mm，可能是因为过量EVA在沥青中形成聚集或软化相^[17]，导致骨料嵌挤结构削弱，从而降低抵抗永久变形的能力^[18]。

2.3 EVA质量分数对改性沥青疲劳寿命的影响

图3为EVA质量分数对改性沥青疲劳寿命的影响。从图3可以看出，EVA掺量的增加显著提高了材料的疲劳寿命，其增长趋势与软化点及动稳定度结果基本一致。基质沥青的疲劳寿命仅为8 321次，表明在反复荷载作用下易发生裂缝扩展。当EVA质量分数为2%时，疲劳寿命提高至12 136次。当EVA质量分数为4%和6%时，疲劳寿命分别提高至18 970次和23 155次，表明EVA增强了改性沥青的柔性与黏弹耗能能力。尤其是在EVA质量分数为6%时，疲劳寿命达到峰值，较基质沥青提高了178.3%，说明此时改性沥青的相容性与分散状态最优，内聚结构稳定，抗裂性能优异。然而，当EVA质量分数为8%与10%时，疲劳寿命分别降低至21 864次和19 782次，可能是因为EVA过量形成独立相或使材料黏滞性增强，导致能量释放不均匀，进而加速疲劳破坏。

2.4 EVA质量分数对改性沥青疲劳劲度模量的影响

图4为EVA质量分数对改性沥青疲劳劲度模量的影响。从图4可以看出，疲劳劲度模量随着EVA掺量的增加呈先上升后轻微回落的趋势。基质沥青的疲劳劲度模量为1 543 MPa，结构刚性不足，抵抗初始变形能力较差。当EVA质量分数为2%时，疲劳劲度模量提高至1 820 MPa，表明EVA以改善改性沥青内聚性能。当EVA质量分数增加至4%和6%时，疲劳劲度模量分别提高至2 164 MPa和2 391 MPa。其中，当EVA质量分数为6%时表现最优，说明该比例下改性沥青刚性和柔性达到良好平衡，有助于提升其抗疲劳与抗变形协同性能。当EVA质量分数提高至8%和10%时，疲劳劲度模量分别下降至2 325 MPa和2 198 MPa，可能是因为过量EVA削弱了混合料的结构刚性^[19]，使材料在初期加载下产生较大变形。

2.5 EVA质量分数对改性沥青高温抗车辙性能的影响

图5为EVA质量分数对改性沥青G*/sin δ的影响。从图5可以看出，在测试温度区间，G*/sin δ随着EVA质量分数的增加呈先升高后略有下降的趋势，当EVA质量分数为6%时表现最为优异，显示出较强的高温抗永久变形能力。这一趋势与前述软化点、动稳定度结果一致，进一步印证了6%为改性效果最优区间。此外，过量添加EVA(8%以上)样品在高温段出现G*/sin δ下降现象，可能是因为EVA过量时，易在沥青中形成微相分离，导致改性相分布不均，局部应力集中，结构不连续^[20-21]，从而弱化性能。因此，材料配比设计中必须考虑“饱和掺量临界点”，避免因过量掺加导致性能下降。

3 结论

本研究系统分析EVA掺量对基质沥青高温稳定性与抗疲劳性能的影响。结果表明：EVA的加入显著提高了沥青混合料的软化点和动稳定度，且在EVA质量分数为6%时综合表现最佳。此时，软化点达61.2 °C，动稳定度为3 128次/mm，疲劳寿命为23 155次，G*/sin δ在高温区间保持优势，体现出优良的高温剪切稳定性。适量EVA不仅改善了沥青的分散状态与相容性，还增强了材料的结构稳定性，6%为推荐工程掺量。

参考文献

[1] 蒋亮亮, 丁明强, 李晓暾, 等. 微纳橡胶复合改性沥青混合料的路用性能及经济效益分析[J]. 云南化工, 2025, 52(5): 70-74.

[2] 马平蓉. 水泥掺量对水泥-乳化沥青混合料路用性能影响的试验研究[J]. 四川水泥, 2025(5): 160-162.

[3] 谷秀娟. 纤维浇筑式沥青混合料高温性能影响因素研究[J]. 交通世界, 2025(11): 8-10.

[4] 黄晓清. 高架快速路排水沥青铺装车辙变形分析[J]. 上海公路, 2025(1): 7-11, 50, 230.

[5] 谢军, 谢谢巩, 黄洪. 考虑集料形态特征的沥青混合料车辙变形分析[J/OL]. 交通科学与工程, 2025: 1-15[2025-05-20].

[6] 王晓, 殷庆军. 高性能沥青混凝土在交通公路施工中的应用与质量控制[J]. 智慧中国, 2025(2): 28-29.

[7] 郭浩天. 聚氨酯改性沥青材料在道路养护中的研究进展[J]. 合成材料老化与应用, 2025, 54(2): 63-66.

[8] 方维.纳米改性沥青混合料设计及路用性能研究[J/OL].施工技术(中英文),1-3[2025-05-02].

[9] 王灿灿, 刘情情, 王兆波. 乙烯-醋酸乙烯共聚物/丁苯橡胶热塑性硫化胶的压缩Mullins效应及其可逆回复[J]. 青岛科技大学学报(自然科学版), 2016, 37(1): 56-61.

[10] 褚建强, 陆逊, 朱大志, 等. EVA/CR TPV的压缩应力松弛及其可逆回复行为[J]. 特种橡胶制品, 2024, 45(5): 1-5.

[11] 徐青. 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的生产技术与展望[J]. 石油化工, 2013, 42(3): 346-351.

[12] 韩颂青, 张爱英, 杜建新, 等. EVA及PS膨胀阻燃体系LOI值随温度变化规律的研究[J]. 高分子材料科学与工程, 2001, 17(5): 94-97.

[13] 郑金, 孙鹏飞, 程鹏. 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的结构性能与应用解析[J]. 广州化工, 2024, 52(23): 28-30.

[14] 武姝妍. 乙烯-醋酸乙烯酯橡胶/聚酰胺共混型热塑性弹性体性能研究[D]. 青岛: 青岛科技大学, 2022.

[15] 项小敏. 醋酸乙烯酯聚合反应溶剂效应研究[J]. 安徽化工, 2020, 46(6): 72-74.

[16] 王炳程. 耐磨耐油鞋用乙烯-醋酸乙烯酯弹性体复合材料结构、性能与应用研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2019.

[17] 赵可, 原健安. 聚合物改性沥青机理研究(之一): 改性剂对轻质组分的吸收作用及体系的聚集态[J]. 西安公路交通大学学报, 2001(2): 34-37.

[18] 贾阳. 聚合物改性重质煤焦油合成中间相沥青的作用机制研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2023.

[19] 黄卫东, 吕伟民, 李套岭. EVA改改沥青的研究[J]. 上海公路, 1999(1): 31-33.

[20] 张书特. 聚硼硅氧烷改性EVA发泡材料的制备及性能研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2024.

[21] 常子衡. 海泡石协效改性EVA/MPE线缆复合材料的制备及其性能研究[D]. 石家庄: 石家庄铁道大学, 2024.