Rollpave專用改性瀝青制備及路用性能研究

董元帥，曹東偉，劉清泉，張艷君，侯 蕓

（1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100097；4.中國(guó)交建公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100083）

傳統(tǒng)的瀝青路面維修方法，維修時(shí)間長(zhǎng)，需要多種施工機(jī)械相互協(xié)作，這嚴(yán)重干擾了道路交通，加重了道路的堵塞程度，影響了人們的出行及安全.對(duì)于城市道路的修復(fù)，為了避免道路維修對(duì)交通產(chǎn)生不利影響，一般多采用夜晚施工，施工時(shí)間從封閉交通開始至解除交通封閉只有6h左右，這雖然可以緩解道路維修對(duì)交通產(chǎn)生的壓力，但仍然會(huì)對(duì)施工人員和周圍居民產(chǎn)生一定的不利影響，同時(shí)使施工質(zhì)量變異性增大.

針對(duì)這一問題，荷蘭公共設(shè)施和水利工程管理局在一項(xiàng)持續(xù)至今的“Roads to the Future”研究計(jì)劃中提供了一種全新的技術(shù)路線，即在工廠內(nèi)預(yù)制可卷曲瀝青路面（Rollpave）鋪裝層，施工時(shí)則在現(xiàn)場(chǎng)如鋪地毯一樣鋪設(shè)安裝瀝青路面（見圖1），從而快速完成路面維修作業(yè)并迅速開放交通［1－2］.

圖1 Rollpave施工圖Fig.1 Rollpave construction

從2001年起，Dura Vermeer－Intron 公司和代爾夫特大學(xué)先后在荷蘭De Brink附近的A50公路、Hengelo附近的A35 公路鋪筑了多條Rollpave試驗(yàn)段.但由于預(yù)制瀝青路面的瀝青膠結(jié)料力學(xué)性能較差，該技術(shù)在荷蘭基本停留在研發(fā)階段，沒有大面積應(yīng)用［3－4］.除荷蘭外，未見其他國(guó)家有相關(guān)報(bào)道.本文借鑒了Rollpave研發(fā)思路，開發(fā)了Rollpave專用改性瀝青（以下簡(jiǎn)稱為專用改性瀝青），測(cè)試了其路用性能，并與其他瀝青路用性能相對(duì)比，以為預(yù)制瀝青路面的發(fā)展提供技術(shù)支持.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)瀝青：SK－70瀝青；高分子改性劑：自行研發(fā)的Rollpave專用粒子GTA（乙烯－醋酸乙烯酯共聚物）和SBS顆粒；軟化劑：糠醛抽出油、環(huán)烷復(fù)合油；助劑：增塑劑A（碳五石油樹脂）和相容穩(wěn)定劑B（硫）.

1.2 改性瀝青研發(fā)思路

常溫或較低溫度（0～30℃）條件下，為確保瀝青混合料在卷曲的過程中不開裂，其瀝青膠結(jié)料需具備足夠的柔韌性.常規(guī)改性瀝青設(shè)計(jì)思想為將高分子改性劑添加到瀝青中并加入相容穩(wěn)定劑，使高分子材料成為均勻、穩(wěn)定的分散相［5－6］.在溫度較低時(shí)，基質(zhì)瀝青呈脆性，既不柔韌也無強(qiáng)度，作為分散相的高分子材料（如硫化橡膠和乙烯類塑料等）無法充分發(fā)揮自身良好的柔順性和韌性.因此這種改性瀝青體系不適用于對(duì)瀝青柔韌性有更高要求的可卷曲瀝青路面.

為充分發(fā)揮高分子改性劑的作用，可增加高分子改性劑的摻量，使得高分子材料形成連續(xù)相，而瀝青則以充油和／或分散狀態(tài)參與其中.這樣制備的改性瀝青才能保證瀝青混合料具有足夠柔韌性，能夠類似于地毯一樣的卷鋪，同時(shí)又能具有良好的力學(xué)性能.

1.3 專用改性瀝青制備工藝

在專用改性瀝青制備過程中采取了加熱瀝青、添加軟化劑和強(qiáng)力剪切攪拌等步驟，以解決自行研發(fā)的專用粒子GTA 和SBS顆粒在瀝青中的分散問題.專用改性瀝青制備步驟如下：

（1）將一定劑量的SBS 顆粒、環(huán)烷復(fù)合油與加熱至軟化流動(dòng)狀態(tài)的500g基質(zhì)瀝青拌和攪勻，然后在170～180℃下用高速剪切機(jī)剪切10min，剪切速率為5 000r／min；

（2）將一定劑量的專用粒子GTA、糠醛抽出油與步驟（1）制備的改性瀝青拌和攪勻，然后在170～180℃下用高速剪切機(jī)以5 000r／min 速度剪切20min，使專用粒子GTA 充分溶脹；

（3）依次加入一定劑量的增塑劑A 和相容穩(wěn)定劑B，然后在180 ℃下再剪切30 min，剪切速率為5 000r／min；

（4）將步驟（3）制備的改性瀝青置于165℃的烘箱中發(fā)育30min，便得到專用改性瀝青.

1.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

使用蔡司Axio Vert光學(xué)顯微鏡觀察不同高分子改性劑摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖2（a）～（c）.

由圖2（a）可以看出，當(dāng)SBS和GTA 復(fù)配改性劑總摻量為8%時(shí)，瀝青（深色）呈連續(xù)相，高分子改性劑（淺色）分散在瀝青當(dāng)中，且部分開始聚集，形成半連續(xù)相.由圖2（b）可以看出，當(dāng)SBS和GTA 復(fù)配改性劑總摻量增至10%時(shí)，高分子改性劑已經(jīng)完全呈連續(xù)相，而瀝青作為分散相存在.由圖2（c）可以看出，隨著SBS和GTA 復(fù)配改性劑總摻量進(jìn)一步增加，高分子改性劑連續(xù)相面積增大，瀝青分散相面積減小.

本文選擇5%SBS＋7%GTA 復(fù)配改性劑制備專用改性瀝青.

圖2 不同高分子改性劑摻量的改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microscopic morphologies of modified asphalts with different polymer modifier's contents（by mass）

1.5 路用性能評(píng)價(jià)

本文依照有關(guān)規(guī)程［7］進(jìn)行了瀝青的三大性能指標(biāo)試驗(yàn)，測(cè)得了瀝青的針入度（15，25，30 ℃）、延度（5℃）及軟化點(diǎn).以瀝青針入度（15，25，30℃）作為其感溫性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以瀝青延度（5 ℃）作為其低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以瀝青軟化點(diǎn)作為其高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).依據(jù)有關(guān)規(guī)程［7］測(cè)試了瀝青的135，175℃布氏黏度并以此來評(píng)價(jià)瀝青的黏溫流變特性［6］.

根據(jù)有關(guān)規(guī)程［7］的要求，利用DSR 試驗(yàn)（動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)）測(cè)試原樣瀝青和經(jīng)瀝青薄膜烘箱（RTFOT）老化瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量G＊和相位角δ，以原樣瀝青的抗車轍因子G＊／sinδ＞1.0kPa，老化瀝青的抗車轍因子G＊／sinδ＞2.2kPa來表征瀝青的高溫性能；利用BBR 試驗(yàn)（低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)）測(cè)試原樣瀝青和經(jīng)壓力老化（PAV）瀝青的蠕變勁度S 和蠕變速率m，以60s時(shí)的S＜300MPa，m＞0.3s－1來表征瀝青的低溫性能［6－8］.

按照1.3節(jié)步驟制備專用改性瀝青（復(fù)配改性劑為5%SBS＋7%GTA），然后進(jìn)行各種路用性能試驗(yàn)測(cè)試，比較專用改性瀝青與基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的路用性能差異.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瀝青三大性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3種瀝青的三大性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1.由表1可以看出，相比基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青由于SBS的摻入使得其軟化點(diǎn)和延度（5℃）均有提高，針入度（25℃）降低.專用改性瀝青中含有5%SBS，其三大性能指標(biāo)變化規(guī)律理應(yīng)和SBS改性瀝青一樣，然而7%GTA 的摻入使得其針入度（25℃）與基質(zhì)瀝青基本相同，軟化點(diǎn)和延度（5℃）卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青.專用改性瀝青的軟化點(diǎn)（表征高溫性能）較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別提高了2.21 倍和1.86倍.由于當(dāng)延度（5℃）測(cè)試到61.8cm 時(shí)，專用改性瀝青與端模脫離而非在試模中間發(fā)生斷裂（見圖3），故專用改性瀝青延度（5℃，表征低溫性能）分別較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青至少提高了14.71倍和2.59倍.專用改性瀝青的針入度（25℃）并沒有因?yàn)楦男詣┑奶砑佣?，表明其勁度模量水平與基質(zhì)瀝青相同.

表1 瀝青三大性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experiment results of three performance indicators of asphalts

圖3 專用改性瀝青脫模示意圖Fig.3 Schematic drawing of dedicated modified asphalt demolding

2.2 布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果

采用Brookfield V6.3型黏度計(jì)測(cè)試瀝青于135，155，175℃時(shí)的布氏黏度（η），建立了瀝青布氏黏度（η）－溫度（t）關(guān)系方程，結(jié)果見表2.由表2可見，溫度每提高20℃，3種瀝青的布氏黏度平均降幅在50%左右，專用改性瀝青布氏黏度對(duì)溫度的敏感性介于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青之間.根據(jù)專用改性瀝青布氏黏度－溫度關(guān)系方程，按照（0.17±0.02）Pa·s布氏黏度確定專用改性瀝青的拌和溫度范圍為230～235℃，按照（0.28±0.03）Pa·s布氏黏度確定專用改性瀝青的壓實(shí)溫度范圍為217～222℃.由于專用改性瀝青具有明顯的非牛頓流體性質(zhì)，利用上述方法確定專用改性瀝青的拌和溫度和壓實(shí)溫度明顯偏高.本文參考高黏瀝青的軟化點(diǎn)、布氏黏度等技術(shù)指標(biāo)，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定專用改性瀝青拌和溫度范圍為180～185℃、壓實(shí)溫度范圍為165～170℃.

表2 瀝青布氏黏度－溫度關(guān)系方程Table 2 Brookfield viscosity－temperature relationship equation of asphalt

2.3 DSR 試驗(yàn)

在恒定角速度（10rad／s）條件下進(jìn)行瀝青DSR試驗(yàn).瀝青抗車轍因子測(cè)試結(jié)果如表3所示.

由表3可以看出：（1）在RTFOT 老化前，基質(zhì)瀝青的高溫等級(jí)為64，而SBS改性瀝青的高溫等級(jí)為82，比基質(zhì)瀝青提高了3 個(gè)溫度等級(jí).（2）RTFOT 老化前后專用改性瀝青在88℃下的抗車轍因子分別為7.88kPa和8.51kPa.從抗車轍因子隨溫度升高的變化規(guī)律來看，專用改性瀝青破壞失效時(shí)的溫度至少在100℃以上，表明專用改性瀝青的高溫性能較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青有顯著提高.

表3 瀝青抗車轍因子測(cè)試結(jié)果Table 3 Experiment results of anti－rutting factors of asphalts

2.4 BBR試驗(yàn)

本研究采用ATS公司生產(chǎn)的BBR 試驗(yàn)儀進(jìn)行瀝青BBR 試驗(yàn)，從－12℃開始以每6℃為1級(jí)，測(cè)試3種瀝青的蠕變勁度S 和蠕變速率m.當(dāng)試驗(yàn)溫度為－12℃時(shí)，專用改性瀝青在荷載作用下的形變大于4mm，根據(jù)有關(guān)規(guī)程［7］該試驗(yàn)結(jié)果無效.

不同試驗(yàn)溫度（t）下瀝青的S 和m 值見表4.

從表4可以看出：（1）－18℃和－24℃時(shí)，壓力老化前基質(zhì)瀝青與SBS 改性瀝青的低溫彎曲蠕變特性比較接近，而專用改性瀝青的蠕變勁度S 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他2 種瀝青.（2）壓力老化后的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別在－18℃和－24℃時(shí)無法滿足S＜300MPa或m＞0.3s－1的要求，而專用改性瀝青在－30℃時(shí)能滿足S＜300 MPa或m＞0.3s－1的要求，至－36℃時(shí)才會(huì)出現(xiàn)S＞300MPa的情況.說明壓力老化前后專用改性瀝青的低溫性能均十分優(yōu)異，較SBS改性瀝青提高了2個(gè)低溫等級(jí).

表4 不同試驗(yàn)溫度下瀝青的蠕變勁度和蠕變速率Table 4 Creep stiffness and creep rates of asphalts at different test temperatures

對(duì)比SBS 改性瀝青和專用改性瀝青的低溫蠕變特性可以看出，以高分子改性劑作為分散相的改性瀝青受基質(zhì)瀝青低溫脆性的影響較大，無法充分發(fā)揮高分子改性劑的柔韌性，而以高分子改性劑作為連續(xù)相的專用改性瀝青幾乎不受基質(zhì)瀝青低溫脆性的影響.BBR 試驗(yàn)結(jié)果也間接地驗(yàn)證了本文改性瀝青研發(fā)思路的正確性.

由于專用改性瀝青呈現(xiàn)較小的S 值和較大的m值，因此專用改性瀝青混合料在低溫下承受彎拉時(shí)不易產(chǎn)生裂縫，這意味著Rollpave能夠在低溫下施工、鋪裝，解決了瀝青路面無法在冬季修補(bǔ)的難題.

2.5 感溫性指標(biāo)

瀝青的感溫性是瀝青的重要性能之一，目前常用的評(píng)價(jià)方法有針入度指數(shù)（PI）法、針入度黏度指數(shù)（PVN）法、復(fù)數(shù)模量指數(shù)（GTS）法等.有關(guān)研究［8－9］表明不宜采用PVN 法評(píng)價(jià)含蠟量較多的瀝青的感溫性，故本文采用PI法和GTS法評(píng)價(jià)專用瀝青的感溫性.

在15，25，30℃下進(jìn)行不同瀝青針入度測(cè)試，計(jì)算不同瀝青的PI值，結(jié)果見表5.

表5 瀝青針入度指數(shù)Table 5 Penetration indexes of asphalts

PI值越大，表示瀝青的感溫性越低.常見瀝青的PI值在－1～1之間，如基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青（見表5）.專用改性瀝青的PI值高達(dá)3.86（見表5），其感溫性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青.

有研究［8］表明，PI只能在較窄的溫度區(qū)間內(nèi)表征瀝青的感溫性，其外延性較差；受人為因素的影響PI測(cè)試誤差有可能會(huì)加大，因而本文利用測(cè)試溫度區(qū)間更為寬泛、測(cè)試數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定的GTS法來進(jìn)一步評(píng)價(jià)專用改性瀝青的感溫性.

有關(guān)研究［9］認(rèn)為瀝青復(fù)數(shù)模量雙對(duì)數(shù)與溫度對(duì)數(shù)呈以下線性關(guān)系：

由lg lg G＊－lgt直線斜率，可求出GTS.GTS反映了測(cè)試溫度區(qū)域內(nèi)瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化情況.GTS絕對(duì)值越大，表明瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化越大.

本文通過DSR 試驗(yàn)測(cè)試3種瀝青在不同溫度下的復(fù)數(shù)模量，試驗(yàn)中采用正弦波方式加載，剪切頻率為10rad／s，應(yīng)力水平為100Pa，測(cè)試溫度為30～80℃.

瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化如圖4所示.瀝青GTS的計(jì)算結(jié)果見表6.

圖4 瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化Fig.4 Change of complex modulus of asphalt with temperature

表6 GTS計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results for GTS

由圖4 可知，在更寬泛的測(cè)試溫度區(qū)域（30～80℃）內(nèi)，專用改性瀝青G＊受溫度的影響較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青要小，表明專用改性瀝青感溫性較好.

由表6可見，在30～80℃溫度區(qū)域中GTS數(shù)據(jù)的變異系數(shù)較小，表明GTS 法的測(cè)試數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、外延性較好.

3 結(jié)論

（1）開發(fā)了Rollpave專用改性瀝青.該專用改性瀝青由基質(zhì)瀝青、專用粒子GTA 和SBS顆粒、軟化劑及助劑組成.

（2）專用改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)與常規(guī)改性瀝青不同.專用改性瀝青中的高分子改性劑是以連續(xù)相的形式存在.

（3）專用改性瀝青的軟化點(diǎn)和延度（5 ℃）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，而針入度（25℃）則與基質(zhì)瀝青接近.

（4）依據(jù)布氏黏度－溫度關(guān)系方程計(jì)算得到的專用改性瀝青的拌和溫度和壓實(shí)溫度偏高，參考高黏瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，初步確定專用改性瀝青的拌和溫度范圍為180～185℃、壓實(shí)溫度范圍為165～170℃.

（5）與基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青相比，專用改性瀝青的高、低溫等級(jí)大大提高.

（6）在15～80℃溫度區(qū)間，專用改性瀝青的感溫性優(yōu)于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青.

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