基于東北季凍區(qū)氣候下高黏改性瀝青性能研究

于保陽， 高超， 張榮華

(1.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168； 2.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院)

透水路面有良好的排水、凈水性能可防止城市內(nèi)澇、凈化水質(zhì)，有良好的抗滑性能，可提高行車安全系數(shù)，通過減弱車輛輪胎和道路表面的空氣泵作用來減弱噪聲污染等。日本對(duì)透水路面的研究較早，對(duì)高黏改性瀝青的技術(shù)研究較成熟，認(rèn)為高黏改性劑在保證透水路面路用性能方面具有重要的作用。中國(guó)南方地區(qū)目前已有很多透水試驗(yàn)路的鋪筑，在東北季凍區(qū)對(duì)透水瀝青路面(高黏改性瀝青)的研究很少，因此，該文查閱相關(guān)規(guī)范，結(jié)合東北季凍區(qū)的氣候條件對(duì)透水瀝青路面中的結(jié)合料即高黏改性瀝青進(jìn)行分析。

1 原材料、試驗(yàn)方法和氣候條件

1.1 原材料

(1) 高黏改性劑

選用國(guó)產(chǎn)OLB-1型高黏改性劑，外觀為淺黃色半透明半球狀顆粒，由多種聚合物復(fù)合而成，通過對(duì)基質(zhì)瀝青的增黏、加筋、填充、提高彈性恢復(fù)和降低溫度敏感性等多重作用而改善瀝青的綜合性能，從而提高瀝青混合料的抗疲勞損壞能力、高溫抗車轍能力、低溫抗開裂能力和抗低溫脆性能力等，用于東北季凍區(qū)的透水路面具有很大的優(yōu)勢(shì)和適用性。

(2) 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青選用遼河90#基質(zhì)瀝青，基本技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

1.2 高黏改性瀝青的制備

采用濕法工藝制備高黏改性瀝青，制備步驟如下:

表1 遼河90#基質(zhì)瀝青技術(shù)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

① 確定制備高黏改性瀝青的總質(zhì)量，用內(nèi)摻法計(jì)算、稱量基質(zhì)瀝青和改性劑的質(zhì)量；② 將稱量好的基質(zhì)瀝青放入烘箱中加熱至(180±5) ℃，然后加入稱量好的改性劑恒溫?cái)嚢? min；③ 用B25型高速剪切機(jī)C檔(16 000 r/min)低速剪切10 min，然后調(diào)至E檔(22 000 r/min)高速剪切20 min，再將試樣放入180 ℃的恒溫烘箱中溶脹10 min后，取出繼續(xù)用E檔高速剪切15 min即可。剪切時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致改性劑顆粒無法充分熔化、均勻分散，剪切時(shí)間過長(zhǎng)又導(dǎo)致瀝青老化嚴(yán)重，建議剪切時(shí)間≤1 h，控制剪切溫度在180 ℃左右，以達(dá)到最佳的剪切效果。

1.3 高黏改性瀝青的技術(shù)要求

對(duì)比了中國(guó)規(guī)范CJJ-T 190-2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》和日本規(guī)范中高黏改性瀝青各指標(biāo)的差異，具體要求見表2。

1.4 東北季凍區(qū)氣候條件

中國(guó)《公路自然區(qū)劃》將全國(guó)劃分為多年凍土區(qū)、

表2 不同規(guī)范對(duì)高黏度改性瀝青的技術(shù)要求

季節(jié)凍土區(qū)和全年不凍區(qū)三大地帶。東北季凍區(qū)氣候分區(qū)為夏熱區(qū)、冬寒區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)，具有春、秋季節(jié)持續(xù)時(shí)間短，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季高溫多雨等特征，路面結(jié)構(gòu)每年經(jīng)歷70 ℃左右的溫差變化，詳細(xì)氣候條件及PG分級(jí)見表3。冬季最低氣溫可達(dá)-30 ℃甚至更低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，路面極易產(chǎn)生低溫開裂破壞，透水路面較密級(jí)配路面更易出現(xiàn)損傷，故對(duì)改性瀝青的要求更加嚴(yán)格；夏季時(shí)瀝青路面接近40 ℃的持續(xù)高溫使車轍病害嚴(yán)重。何演等研究表明：90%的低溫抗裂性能都是由瀝青來提供的。因此，選擇低溫性能好、感溫性能好并且同時(shí)兼顧良好的高溫性能的結(jié)合料可以保證東北季凍區(qū)透水瀝青路面具有良好的低溫抗裂性能、良好的高溫抗車轍性能和耐久性等。

表3 北方季凍區(qū)氣候條件

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 基本指標(biāo)

在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)不同高黏改性劑摻量的改性瀝青進(jìn)行基本指標(biāo)的試驗(yàn)，結(jié)果如圖1～3所示。

由圖1可知:隨著高黏改性劑摻量的增加改性瀝青的軟化點(diǎn)不斷增加，摻量小于5%時(shí)軟化點(diǎn)增加較慢，這是由于改性劑摻量很小時(shí)只與小部分基質(zhì)瀝青溶脹結(jié)合，改性效果不明顯。摻量逐漸增加到13%的過程中，軟化點(diǎn)增加較快且呈線性增長(zhǎng)。原因在于，在不斷的攪拌剪切過程中，改性劑中的聚合物在拌和過程中拉絲成纖維狀，纖維體之間相互搭接，纏繞在一起，而且聚合物具有很好的熱穩(wěn)定性和相當(dāng)?shù)膭哦?，隨著改性劑的繼續(xù)增加聚合物纖維體不斷地互相搭接纏繞，逐漸形成網(wǎng)狀架構(gòu)，改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的不斷形成呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)摻量由13%增至15%時(shí)，網(wǎng)狀架構(gòu)基本形成，軟化點(diǎn)數(shù)值不再增長(zhǎng)。從圖1看出摻量為9%時(shí)軟化點(diǎn)已超過80 ℃，所以改性劑摻量大于9%時(shí)即滿足規(guī)范對(duì)軟化點(diǎn)的要求，摻量為13%時(shí)軟化點(diǎn)達(dá)102.1 ℃，說明改性瀝青的高溫性能好，用作東北季凍區(qū)的透水路面具有良好的高溫抗車轍能力。

圖1 軟化點(diǎn)曲線

圖2 針入度曲線

圖3 5 ℃延度曲線

由圖2可知：隨著改性劑摻量的增加不同試驗(yàn)溫度下改性瀝青的針入度均不斷減小，且隨摻量的減小其數(shù)值減小的幅度也逐漸變小，30 ℃下減小幅度最為明顯，25 ℃次之，15 ℃時(shí)針入度變化不明顯，摻量從0%增至15%時(shí)，針入度僅減小了1.8 mm，說明摻量的增加使改性瀝青的稠度增加，高溫性能逐漸變好。當(dāng)摻量大于8%時(shí)稠度增加變緩，這是由于改性劑的增加使聚合物纖維體不斷增多，且互相搭接纏繞提高了稠度，摻量大于8%后聚合物纖維體網(wǎng)狀架構(gòu)逐漸形成，高溫性能改善的幅度逐漸減小。

在評(píng)價(jià)瀝青低溫性能方面，低溫延度是一個(gè)重要的指標(biāo)，具有方法簡(jiǎn)單、比較直觀等優(yōu)點(diǎn)，故延度試驗(yàn)溫度不采用15 ℃，而選擇5 ℃進(jìn)行低溫延度試驗(yàn)。由圖3可知:5 ℃試驗(yàn)條件下，隨著改性劑摻量的增加改性瀝青的延度不斷增加，但是延度增加的速度變緩，改性劑摻量從12%增加到15%，延度僅增加了3.4%。表明隨著改性劑摻量的增加高黏改性瀝青的低溫性能不斷變好，但當(dāng)改性劑的摻量為15%附近時(shí)，延度增加不明顯，此時(shí)如繼續(xù)增加改性劑摻量對(duì)改善低溫性能作用很??；當(dāng)改性劑摻量為15%時(shí)，5 ℃延度為46.1 cm，滿足規(guī)范要求。

2.2 針入度指數(shù)PI值及衍生指標(biāo)

瀝青是感溫性結(jié)合料，加熱變軟，遇冷變硬，因此感溫性是評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的重要指標(biāo)。東北季凍區(qū)的明顯特征是溫差大，每年溫差可達(dá)70 ℃以上，這對(duì)改性瀝青的感溫性能提出了很高的要求。中國(guó)“八五”攻關(guān)研究中提出以針入度指數(shù)評(píng)價(jià)改性瀝青的感溫性，要求置信度為95%、R值>0.997，此時(shí)試驗(yàn)誤差小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用。

根據(jù)JTJ 052-2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的公式計(jì)算針入度指數(shù)PI值及衍生指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表4。

y=a+bx(y=lgP,x=T)

(1)

lgP=K+AlgPen×T

(2)

式中：T為不同試驗(yàn)溫度下的針入度P;K為回歸方程的常數(shù)項(xiàng)a；AlgPen為回歸方程的常數(shù)項(xiàng)b。

表4 針入度指數(shù)PI值及衍生指標(biāo)結(jié)果

(3)

(4)

(5)

ΔT=T800-T1.2

(6)

由表4可知:隨高黏改性劑摻量的增加針入度指數(shù)PI值和T800當(dāng)量軟化點(diǎn)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，表明改性瀝青溫度敏感性有所降低，提高了改性瀝青的溫度穩(wěn)定性。瀝青路面的抗車轍能力、抗低溫開裂能力和耐久性與感溫性有內(nèi)在聯(lián)系，感溫性降低意味著透水路面的整體性能提高。規(guī)范中要求對(duì)冬季寒冷，日溫差、年溫差大的地區(qū)宜選用PI指數(shù)大的瀝青，該文基質(zhì)瀝青的PI值為-0.91，當(dāng)摻量為15%時(shí)PI值為1.43，遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青的PI值和規(guī)范≥+0.2的要求，說明高黏改性劑對(duì)降低瀝青的溫度敏感性起到了巨大作用，用于大溫差的東北季凍區(qū)有很好的優(yōu)勢(shì)和適用性，可有效提高路面抗車轍能力、抗低溫開裂能力和耐久性。T1.2當(dāng)量脆點(diǎn)不斷降低，塑性溫度范圍Δt不斷增加都表明隨著改性劑摻量的增加改性瀝青的溫度敏感性降低，低溫性能變好適用于東北季凍區(qū)。

2.3 60 ℃動(dòng)力黏度和135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度指標(biāo)

透水路面空隙率大，空氣和雨水易進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以要求混合料有足夠的強(qiáng)度、耐久性和很好的抗水損害性能。日本研究表明透水路面的結(jié)合料應(yīng)使用高黏改性瀝青(要求60 ℃時(shí)改性瀝青的動(dòng)力黏度大于20 000 Pa·s，日本常用的改性劑為TPS)，并且認(rèn)為高黏改性劑具有重要地位。60 ℃動(dòng)力黏度及135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度具體結(jié)果數(shù)據(jù)見圖4、5。

由圖4、5可知：隨著高黏改性劑摻量的增加60 ℃動(dòng)力黏度呈現(xiàn)指數(shù)增加，摻量為12%時(shí)動(dòng)力黏度>20 000 Pa·s，當(dāng)摻量為15%時(shí)動(dòng)力黏度達(dá)到90 170 Pa·s，滿足透水路面結(jié)合料的要求。JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求“在不改變改性瀝青性質(zhì)并符合安全條件的溫度下易于泵送和拌和，或證明適當(dāng)提高泵送和拌和溫度時(shí)能保證改性瀝青質(zhì)量，容易施工，需要測(cè)定改性瀝青135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，要求測(cè)量值≤3 Pa·s”。試驗(yàn)結(jié)果表明：改性瀝青的135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨摻量的增加而增加，當(dāng)摻量為15%時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度值為2.75 Pa·s，滿足規(guī)范要求。

圖4 60 ℃動(dòng)力黏度曲線

圖5 135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度曲線

2.4 BBR指標(biāo)

東北季凍區(qū)冬季最低氣溫可達(dá)-30 ℃甚至更低，每年經(jīng)歷70 ℃左右的溫差變化，透水路面在這樣的氣候下，低溫開裂破損現(xiàn)象更容易發(fā)生，然后迅速發(fā)展導(dǎo)致路面使用性能急劇衰減，最后路面破壞。國(guó)際上廣泛采用SHRP提出的瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)進(jìn)行預(yù)防且證實(shí)：蠕變勁度設(shè)計(jì)值應(yīng)在路面最低溫度下加載2 h時(shí)測(cè)得，但當(dāng)試驗(yàn)溫度提高10 ℃后，等價(jià)的蠕變勁度值只需要加載60 s便可測(cè)得。

采用彎曲梁流變儀對(duì)高黏改性瀝青(包括基質(zhì)瀝青)進(jìn)行BBR試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-12、-18和-24 ℃。試驗(yàn)荷載加載時(shí)間為240 s，取60 s的蠕變勁度S和蠕變速率m進(jìn)行分析(圖6、7)。

由圖6可知：隨著高黏改性劑摻量的增加不同溫度下的蠕變勁度值S變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)出在摻量范圍為0～5%時(shí)S值先緩慢減小，摻量范圍為5%～13%時(shí)S值迅速減小，當(dāng)摻量大于13%之后S值開始有迅速增加的趨勢(shì)。因?yàn)槿渥儎哦萐反映的是瀝青抵抗永久變形的能力，其值越小越好，所以S值變化趨勢(shì)說明當(dāng)改性劑摻量在12%附近時(shí)抵抗永久變形能力最好；不同試驗(yàn)溫度下S值的最低值有些差異，試驗(yàn)溫度為-12和-24 ℃、摻量為13%時(shí)S值最小，試驗(yàn)溫度為-18 ℃、摻量10%時(shí)S值最小，試驗(yàn)溫度越低S值越大，越呈現(xiàn)出低溫脆性的特點(diǎn)，且相同溫差下試驗(yàn)溫度越低S值變化越大，說明改性瀝青的低溫脆性為非線性變化，溫度越低低溫脆性越明顯；摻量15%時(shí)，試驗(yàn)溫度為-18 ℃和-24 ℃時(shí)的S值相同，說明摻量15%或者更大時(shí)，改性瀝青抵抗永久變形的能力相同，在一定的條件下可以通過提高改性劑摻量改善改性瀝青的抵抗極限低溫的能力。

圖6 蠕變勁度值S曲線

圖7 蠕變勁度變化率m曲線

蠕變速率值m是反映瀝青勁度的時(shí)間敏感性及應(yīng)力松弛性能的參數(shù)，其值越大越好。由圖7可知：m值隨摻量的增加而增加，當(dāng)摻量在12%附近時(shí)m值達(dá)到最大，隨后開始下降，說明當(dāng)摻量12%時(shí)應(yīng)力釋放能力最強(qiáng)，低溫抗開裂能力最好；摻量小于14%時(shí)，相同溫差下m值變化基本相同，試驗(yàn)溫度-18 ℃和-24 ℃、摻量15%時(shí)的m值逐漸接近，說明改性瀝青的應(yīng)力松弛性能也是非線性的。綜合S值和m值的分析可知：高黏改性劑摻量為12%～13%時(shí)，改性瀝青抵抗永久變形的能力和應(yīng)力釋放能力最好，低溫脆性現(xiàn)象最不明顯，滿足用于東北季凍區(qū)透水路面結(jié)合料的要求。

根據(jù)BBR試驗(yàn)PG低溫等級(jí)可知，基質(zhì)瀝青和改性劑摻量為15%的改性瀝青低溫性能較差，而改性劑摻量為4%、8%和12%的改性瀝青PG低溫等級(jí)相同。對(duì)于相同PG低溫等級(jí)的改性瀝青，根據(jù)不同溫度下BBR試驗(yàn)得出的S和m值按照lgS=a1+b1T和lgm=a2+b2T回歸計(jì)算出臨界溫度TL,S(S=300 MPa時(shí)的低溫臨界溫度)和TL,m(m=0.3時(shí)的低溫臨界溫度)，再根據(jù)Superpave性能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)得出S≤300 MPa且m≥0.3時(shí)的低溫等級(jí)溫度TLC。數(shù)據(jù)見表5。

表5 PG低溫等級(jí)溫度分析

一般來說改性瀝青S值小，m值大，表明材料的低溫性能好，當(dāng)PG等級(jí)相同時(shí)，采用低溫等級(jí)溫度TLC進(jìn)行低溫性能區(qū)分，得到的不同改性劑摻量的改性瀝青低溫性能差異性明顯，可有效區(qū)分低溫性能的優(yōu)劣。由表5可知:改性劑摻量為4%、8%和12%的改性瀝青低溫等級(jí)溫度TLC大小排序?yàn)椋簱搅?2%>8%>4%，所以高黏改性瀝青中改性劑摻量在12%左右時(shí)低溫抗開裂性能最好。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)高黏改性劑摻量大于9%時(shí)軟化點(diǎn)和針入度均滿足規(guī)范要求。隨著摻量增加軟化點(diǎn)、PI值和T800當(dāng)量軟化點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，表明改性瀝青高溫性能逐漸變好，溫度敏感性降低，透水路面的整體性能提高。T1.2當(dāng)量脆點(diǎn)不斷降低，塑性溫度范圍Δt不斷增加都表明隨摻量的增加改性瀝青的溫度敏感性降低，低溫性能變好，用于大溫差的東北季凍區(qū)具有很好的優(yōu)勢(shì)和適用性。

(2) 60 ℃動(dòng)力黏度是評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的重要指標(biāo)，要求試驗(yàn)值>20 000 Pa·s，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)知改性劑摻量大于11%時(shí)就可保證透水路面具有良好的高溫性能和耐久性。高黏改性瀝青黏度大，對(duì)施工要求高，規(guī)范規(guī)定試驗(yàn)值>3.0 Pa·s，當(dāng)摻量為15%時(shí)改性瀝青的135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為2.75 Pa·s滿足規(guī)范要求。

(3) 當(dāng)高黏改性劑摻量在13%附近時(shí)S值最小，瀝青抵抗永久變形的能力最好。改性瀝青的低溫脆性為非線性變化，溫度越低低溫脆性越明顯，在一定的條件下可以通過提高摻量改善改性瀝青的抵抗極限低溫的能力。m值隨摻量的增加而增加，當(dāng)摻量在12%附近時(shí)m值達(dá)到最大，說明摻量為12%時(shí)應(yīng)力釋放能力最強(qiáng)，低溫抗開裂能力最好；試驗(yàn)溫度為-18和-24 ℃下?lián)搅?5%時(shí)m值逐漸接近，說明改性瀝青的應(yīng)力松弛性能也是非線性的。改性劑摻量為12%時(shí)，低溫延度為44.6 cm遠(yuǎn)大于規(guī)范要求限值，表明該摻量下的高黏改性瀝青低溫性能良好。