高模量瀝青結(jié)合料路用性能研究

敖清文 田永婭

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 510001；2.貴州省公路勘察設(shè)計(jì)院 貴陽(yáng) 510001）

1 基質(zhì)瀝青、改性劑的選取

1.1 基質(zhì)瀝青

配制高模量瀝青采用符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［1］要求的A級(jí)70號(hào)瀝青。

1.2 改性劑的選取

針對(duì)材料使用要求特點(diǎn)，在了解各種聚合物改性劑性質(zhì)的基礎(chǔ)之上，選取了4種改性劑制備一種性能優(yōu)良的高模量改性瀝青：①熱塑性丁苯橡膠（SBS）；②聚乙烯（PE）；③湖瀝青（TLA）；④巖瀝青（BRA）。

2 改性瀝青的制備

目前，制備改性瀝青的方法主要有2大類：一次摻配法和二次摻配法。攪拌法、混融法、膠乳法適用于采用一次摻配法制備改性瀝青，母體法適用于采用二次摻配法制備改性瀝青。一次摻配法中的混融法是采用高速剪切設(shè)備或膠體磨在一定的溫度和時(shí)間下制備改性瀝青。

本研究采用一次摻配法，在進(jìn)行瀝青基本試驗(yàn)時(shí)，用量較少利用高速剪切設(shè)備配制所需改性瀝青，在進(jìn)行混合料試驗(yàn)時(shí)利用德國(guó)進(jìn)口的膠體磨對(duì)改性瀝青進(jìn)行研磨加工，為使改性劑與基質(zhì)瀝青充分混融，擬定4 500r／min。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)方法

本研究通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用極差分析的方法來(lái)找出改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青各項(xiàng)性能的影響規(guī)律，進(jìn)而確定各因素水平之間的最佳組合［2］。

3.2 因素、水平及正交表的選取

采用摻不同的改性劑進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮4種因素：采用湖瀝青、PE、巖瀝青、SBS 4種改性劑進(jìn)行試驗(yàn)。每種因素分為3種水平，根據(jù)各改性劑在配制改性瀝青時(shí)所采用的摻加比例及各摻加比例所得的改性效果，選取湖瀝青摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為20%，30%，40%；PE取2%，4%，6%；巖 瀝 青 取 10%，20%，30%；SBS取2%，4%，6%，見(jiàn)表1。

表1 因素水平表 %

由表1可知，該正交設(shè)計(jì)組合方案為4因素3水平組合設(shè)計(jì)，根據(jù)正交表的一般選擇要求，因素?cái)?shù)≤正交表列數(shù)、因素水平數(shù)與正交表對(duì)應(yīng)的水平數(shù)一致的原則，故選取正交表L9（34）來(lái)進(jìn)行分析方案的組合設(shè)計(jì)［3］。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交表得出4種改性劑中對(duì)稠度影響的排序排列出來(lái)，并得出推薦配比，再在推薦配比基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，在符合技術(shù)要求的同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素選取最經(jīng)濟(jì)的配比。

瀝青針入度、軟化點(diǎn)，135℃粘度是評(píng)價(jià)改性瀝青高溫穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。瀝青的針入度指數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的溫度敏感性；當(dāng)量軟化點(diǎn)是評(píng)價(jià)瀝青的高溫穩(wěn)定性；當(dāng)量脆點(diǎn)是評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性。

3.3.1 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

通過(guò)軟化點(diǎn)試驗(yàn)可得出：

（1）根據(jù)極差分析PE對(duì)軟化點(diǎn)的影響最大，其次分別是SBS、巖瀝青。其中湖瀝青雖然極差比較大但是隨用量的增加而降低。所以根據(jù)軟化點(diǎn)對(duì)4種改性劑的影響結(jié)果是：PE＞SBS＞巖瀝青＞湖瀝青。

（2）PE、巖瀝青、SBS都是隨比例的增加軟化點(diǎn)呈遞增的趨勢(shì)，只是增加的速度不同而已，但是湖瀝青則隨比例的增加而遞減，由此試驗(yàn)則可看出湖瀝青對(duì)高溫穩(wěn)定性能的作用不大。

（3）PE從2%到6%，軟化點(diǎn)提高幅度最大是主要因素，所以初步選定6%；SBS在2%到6%的過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，通過(guò)經(jīng)濟(jì)和性能比較，綜合考慮選取2%；巖瀝青則在比較當(dāng)中20%與30%相差不大，湖瀝青則做為次要因素可以任取，考慮到經(jīng)濟(jì)因素選取最小劑量。

3.3.2 針入度試驗(yàn)

（1）通過(guò)對(duì)15，25，30℃3個(gè)溫度針入度的比較，可明顯的看出改性劑PE，SBS和巖瀝青對(duì)稠度的影響相對(duì)要大，只有湖瀝青較小，是次要因素。

（2）通過(guò)比較15，25，30℃3個(gè)溫度針入度的極差和因素趨勢(shì)圖中可知：①在各溫度時(shí)PE隨用量的增加稠度逐漸提高，并且提高幅度最大，PE在各因素中是主要因素，根據(jù)本試驗(yàn)要得到高摸量高稠度瀝青的要求應(yīng)選擇6%；②通過(guò)比較巖瀝青3個(gè)溫度可明顯看出由10%～20%變化相對(duì)要高，但在比較20%～30%時(shí)相差并不大，考慮到性能和經(jīng)濟(jì)上的要求選取20%；③通過(guò)比較SBS在3個(gè)溫度的變化情況可以很明顯地看出由2%～4%所配瀝青反而稠度減少，增加到6%以后比較3個(gè)溫度的稠度變化有所提高，但是相對(duì)2%稠度還是有所偏小。通過(guò)大量重復(fù)試驗(yàn)仍然得出這種現(xiàn)象，可能是由于通過(guò)各因素之間的影響所造成的，再由于經(jīng)濟(jì)的原因在相當(dāng)性能的條件下我們選擇更經(jīng)濟(jì)的材料用量，所以SBS選取2%；④由于湖瀝青在各個(gè)溫度的針入度比較中隨用量的增加反而稠度降低，并且也是作為次要因素考慮，則可任意選擇比例。

（3）通過(guò)以上分析，由針入度進(jìn)行正交分析得出的比例為PE6%，SBS2%，巖瀝青20%，湖瀝青任取。

3.3.3 改性瀝青針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2分析3.3.3.1 針入度指數(shù)PI

（1）由針入度指數(shù)極差比較可見(jiàn)，由于添加的種類有4種，大部分所配瀝青的針入度指數(shù)PI都超過(guò)了規(guī)范的范圍，在選擇瀝青時(shí)應(yīng)盡量選擇在范圍之內(nèi)的品種。通過(guò)極差比較可得出PE極差最大，其次是湖瀝青、SBS、巖瀝青。

（2）通過(guò)極差比較可得出PE極差最大，其次是湖瀝青、SBS、巖瀝青。

（3）通過(guò)回歸公式，所配9種改性瀝青線形回歸系數(shù)R2均大于0.994，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果是可信的。隨著PE的增加，PI值基本呈減小趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到6%時(shí)PI值基本達(dá)到規(guī)范的范圍之內(nèi)。這表明各摻量混合后隨PE用量增大，瀝青的溫度敏感性減小，即瀝青性能受溫度變化的影響減小，瀝青的感溫性能明顯改善。3.3.3.2 當(dāng)量軟化點(diǎn)T800

（1）由于摻加的種類較多不能確定各摻量之間是否發(fā)生相互反應(yīng)，所以不能通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)出是否瀝青中有蠟的存在。

（2）瀝青改性實(shí)測(cè)軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)之間有較好的規(guī)律性，通過(guò)極差和當(dāng)量軟化點(diǎn)趨勢(shì)圖可以得出與實(shí)測(cè)軟化點(diǎn)同樣的變化趨勢(shì)，其中從極差表中可以看出PE是主要因素，湖瀝青、SBS次之，巖瀝青影響最小，同樣湖瀝青也是隨用量的增加當(dāng)量軟化點(diǎn)降低。

（3）從整體當(dāng)量軟化點(diǎn)來(lái)看，說(shuō)明改性后瀝青的高溫性得到了改善，而且提高幅度很大，高溫性能改善更明顯，為南方高溫天氣地區(qū)提供一種適合的材料。

3.3.3.3 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2

由于本試驗(yàn)是通過(guò)摻加改性劑來(lái)使瀝青模量提高即提高瀝青的稠度，隨著瀝青的稠度增加瀝青越脆，抗低溫能力越低，但是由于所配瀝青是用于中下面層，主要考慮高溫和抗疲勞性能，對(duì)抗裂性能要求沒(méi)有那么高，所以對(duì)低溫性能可以適當(dāng)放寬要求。

3.4 Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)

在SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中提出了135℃粘度不得超過(guò)3Pa·s的技術(shù)要求，以控制改性瀝青的施工性能［4］。進(jìn)行試驗(yàn)的9種瀝青都比較稠，SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中提出的135℃粘度不得超過(guò)3Pa·s的技術(shù)要求不能滿足，通過(guò)比較試驗(yàn)可知9種改性瀝青在160℃以上時(shí)大部分能滿足粘度不得超過(guò)3Pa·s的技術(shù)要求。

（1）通過(guò)比較粘度極差和各因素趨勢(shì)圖可以得出PE是影響粘度的主要因素，當(dāng)由2%變化到6%的過(guò)程中，175℃粘度由0.66Pa·s劇增到2.15Pa·s，正好符合本試驗(yàn)所要求的稠度；其次是巖瀝青和SBS，巖瀝青在10%～20%的過(guò)程中增長(zhǎng)幅度不大，但是當(dāng)由20%～30%的過(guò)程中增長(zhǎng)幅度大；而SBS的變化則出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，由2%～4%的變化過(guò)程中出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，但是當(dāng)增加到6%時(shí)粘度則急劇增加，但是考慮到經(jīng)濟(jì)的要求選擇2%比較合適。湖瀝青則是次要因素，隨用量的增加粘度反而減小，所以在選擇時(shí)宜選擇劑量小的。

（2）通過(guò)以上分析及結(jié)合各溫度下的粘度值，選擇配比為湖瀝青20%，PE6%，巖瀝青30%，SBS2%。

3.5 對(duì)正交結(jié)果綜合分析并得出配比

本試驗(yàn)主要是得到高模量瀝青，通過(guò)對(duì)所配瀝青進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)分析與旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)來(lái)選擇符合高模量條件的瀝青。

比較各改性瀝青軟化點(diǎn)和15，25，30℃3個(gè)溫度的針入度及針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2可以得出，PE從2%～6%軟化點(diǎn)和針入度提高幅度最大是主要因素，所以初步選定6%；SBS在2%～6%的過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，通過(guò)經(jīng)濟(jì)和性能比較，綜合考慮選取2%；巖瀝青則在比較當(dāng)中20%與30%相差不大，湖瀝青則做為次要因素可以任取，考慮到經(jīng)濟(jì)因素選取最小劑量。由旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)及175℃粘度正交表分析結(jié)果可知，9種瀝青的抗高溫能力很強(qiáng)且各因素之間的關(guān)系分別為PE影響最大做為主要因素，其次是SBS和巖瀝青，而湖瀝青做為次要因素可任取。

經(jīng)過(guò)綜合比較，最終推薦方案為20%湖瀝青＋6%PE＋20%巖瀝青＋2%SBS。

4 SHRP試驗(yàn)分析

采用 Superpave研究成果［5］，對(duì)3種瀝青AH－50，SBS改性瀝青、高模量（HM）改性瀝青進(jìn)行了SHRP性能試驗(yàn)。

4.1 DSR試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用G＊／sinδ分析材料，根據(jù)不同狀態(tài)、不同溫度條件等因素對(duì)各種瀝青流變特性的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料高溫抗車轍性能。不同瀝青結(jié)合料的車轍因子G＊／sinδ與溫度（t）的回歸方程見(jiàn)表2。

表2 不同瀝青結(jié)合料的車轍因子G＊／sinδ與溫度（t）的回歸方程

由表2可見(jiàn)，改性瀝青的曲線比基質(zhì)瀝青的曲線高，說(shuō)明摻入的改性劑有利于提高瀝青高溫性能。并且HM的改善效果最好，抗高溫剪切能力最強(qiáng)。

4.2 BBR試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用美國(guó)CANNON公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，其方法為AASHTO標(biāo)準(zhǔn)TP1－93。試樣是經(jīng)過(guò)RTFOT老化后的瀝青殘?jiān)?，?duì)不同瀝青在不同溫度下的流變性質(zhì)進(jìn)行分析，不同瀝青膠結(jié)料的蠕變勁度S和曲線斜率m值見(jiàn)表3。

表3 不同瀝青膠結(jié)料的蠕變勁度S和m值

（1）在基質(zhì)瀝青中加入SBS改性劑后，蠕變勁度S稍有下降，說(shuō)明SBS改性劑摻入后，使得瀝青柔性增大，在低溫下瀝青的松弛能力有所改善；而HM的蠕變勁度S較基質(zhì)瀝青有所提高，表現(xiàn)出HM比基質(zhì)瀝青要硬很多，說(shuō)明HM中改性劑起到了一定負(fù)面影響，降低了瀝青的松弛能力。

（2）在同溫度的條件下，3種瀝青按蠕變勁度S值的大小排序?yàn)镠M＞AH－50＞SBS，表明SBS改性瀝青的低溫性能最好，其次是AH－50，HM最差，并且表明SBS改性劑具有改善瀝青低溫性能的作用，同時(shí)說(shuō)明了HM中的改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的低溫性能產(chǎn)生了抑制作用。

（3）比較同溫度下瀝青的m值會(huì)發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青最大，其次是HM，再次是AH－50，表明SBS改性瀝青在溫度下降時(shí)，材料因收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力最不易累積，路面發(fā)生低溫開(kāi)裂的可能性最低。

4.3 Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了表征不同瀝青在不同溫度下的流動(dòng)特性，試驗(yàn)采用改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法，即變化紡錘體剪切速率，研究瀝青在不同剪切速率下粘度的變化情況，同時(shí)，改變溫度，建立粘溫曲線，得到粘度隨溫度變化的規(guī)律，進(jìn)而確定瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度。

（1）在溫度高于120℃時(shí)，基質(zhì)瀝青（AH－50）的表觀粘度與剪切速率關(guān)系不大，表明了變化剪切速率對(duì)測(cè)試結(jié)果不產(chǎn)生影響；隨著剪切速率的增大，表觀粘度值基本上保持為一個(gè)常數(shù)，即剪切應(yīng)力與剪切速率的比值是不變的，這就說(shuō)明了基質(zhì)瀝青在高溫（＞120℃）時(shí)表現(xiàn)出牛頓流體的特性。

（2）SBS改性瀝青在120～150℃溫度范圍內(nèi)時(shí)，表觀粘度隨剪切率增大而減小，但降低幅度不大，即剪切應(yīng)力與剪切速率的比值是變的，表明此溫度范圍內(nèi)瀝青表現(xiàn)出了非牛頓流體特性；當(dāng)溫度達(dá)到160℃時(shí)，表觀粘度值基本上不隨剪變率而變化，在圖中表現(xiàn)為一條平行于橫坐標(biāo)的直線，當(dāng)溫度達(dá)到175℃時(shí)，表觀粘度值也不隨剪變率變化而變化，表明在此溫度之上SBS改性瀝青屬于牛頓流體［6］。

（3）在160℃以上時(shí)，HM的表觀粘度值有隨剪變率變化而稍減的趨勢(shì)，基本上看不出不同剪變率之間粘度值的差異，故可以認(rèn)為HM屬于牛頓流體。

采用剪切速率為34s－1時(shí)不同溫度下的表觀粘度值，并選取溫度在120℃以上的粘度值，通過(guò)建立粘溫曲線來(lái)確定各瀝青的施工溫度。不同瀝青混合料施工控制溫度見(jiàn)表4。

表4 不同瀝青混合料施工控制溫度 ℃

5 結(jié)論

（1）在常規(guī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)正交試驗(yàn)分析了各類改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青各項(xiàng)性能的影響，初步擬定試驗(yàn)推薦方案。

（2）再根據(jù)高模量材料性能提出的抗高溫、耐疲勞等特殊要求，采用比較分析各因素對(duì)瀝青路用性能影響變化規(guī)律，確定了各因素水平之間的最佳組合。通過(guò)綜合比較最終推薦方案為20%湖瀝青＋6%PE＋20%巖瀝青＋2%SBS。

（3）采用Superpave研究成果，對(duì)3種瀝青（AH－50、SBS改性瀝青、HM 改性瀝青）進(jìn)行了SHRP性能試驗(yàn)，結(jié)果表明HM改性瀝青具有良好的高溫性能，但低溫性能不如SBS改性瀝青。

（4）通過(guò)粘度試驗(yàn)確定了不同瀝青的施工溫度。

［1］JTJ F40－2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］汪榮鑫.數(shù)量統(tǒng)計(jì)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1986.

［3］吳 亮.摻聚酯纖維SMA瀝青混凝土路用性能及其作用機(jī)理研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2008.

［4］孫德棟，彭 波.瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［M］.北京：黃河水利出版社，2003.

［5］李宇峙.SHAP瀝青膠結(jié)料規(guī)范及瀝青混合料設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［6］陸兆峰，何兆益，黃 剛.天然巖瀝青改性瀝青性能及改性機(jī)理研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2011（6）：1161－1169.