濕熱氣候下高黏改性劑對瀝青使用性能的影響研究

唐麗榮 呂大春 胡松山 馮明珠

摘要：文章為了研究濕熱氣候條件下高黏改性劑對瀝青使用性能的影響，采用常規(guī)性能試驗和流變性能試驗對摻量分別為0%、6%、8%、10%及12%的高黏改性瀝青進行了針入度試驗、軟化點試驗、延度試驗、動力黏度試驗及動態(tài)剪切流變儀試驗，以針入度、針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點、當(dāng)量脆點及復(fù)數(shù)模量等作為技術(shù)指標對不同摻量下高黏改性瀝青的使用性能進行了研究。試驗結(jié)果表明：高黏改性劑可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能、低溫性能、感溫性能、可使用溫度范圍及黏結(jié)性能，適用于濕熱氣候條件下的工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：瀝青結(jié)合料;高黏改性劑;使用性能;濕熱氣候

In order to study the effect of highviscosity modifier on asphalt performance under hot and humid climate conditions，this article uses the conventional performance test and rheological property test to conduct the penetration test，softening point test，ductility test，dynamic viscosity test and dynamic shear rheometer test on highviscosity modified asphalt with 0%，6%，8%，10% and 12% content respectively，then，with penetration，penetration index，equivalent softening point，equivalent brittle point and complex modulus as technical indicators，it studies the performance of highviscosity modified asphalt under different contents.The test results show that the highviscosity modifier can improve the hightemperature performance，lowtemperature performance，temperature sensing performance，usable temperature range and bonding performance of matrix asphalt，thus it is suitable for engineering applications under hot and humid climate conditions.

Asphalt binder;Highviscosity modifier;Performance;Hot and humid climate

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，人們對于瀝青路面的使用要求越來越高，不但要求瀝青路面能滿足基本的行駛需求，而且要求其具備越來越多的功能性，如抗滑性、降噪性、防反光等，而透水瀝青路面憑借自身優(yōu)異的抗滑、耐磨、降噪等性能受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。透水瀝青路面是一種開級配瀝青路面，以粗骨架為主，細集料較少，骨架與骨架之間主要依靠瀝青的黏附性連接，故選用的瀝青必須有強大的粘結(jié)力，一般選用高黏改性瀝青[1]。高黏改性瀝青主要以熱塑性橡膠為原材料，再配以增塑劑、粘結(jié)劑等輔助成分，通過機械攪拌的方式，使普通瀝青改良成排水性瀝青路面使用的瀝青膠結(jié)料，是修筑透水性瀝青路面的重要膠結(jié)料[2]。

廣西地處亞熱帶氣候區(qū)，夏季高溫多雨，濕熱同期，故非常適合修建透水瀝青路面，這也是國家未來瀝青路面發(fā)展的新方向。目前廣西乃至全國對于濕熱地區(qū)高黏改性瀝青使用性能的研究較少，故本文結(jié)合廣西濕熱多雨的氣候條件對其進行全面研究，為濕熱多雨地區(qū)高黏改性瀝青的施工提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗原材料與儀器介紹

1.1 試驗原材料

實驗室采用70號A級道路石油瀝青作為試驗基質(zhì)瀝青?；|(zhì)瀝青的技術(shù)性能指標及試驗結(jié)果見表1。由表1試驗結(jié)果可知，所采用的基質(zhì)瀝青滿足我國現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）[7]的技術(shù)要求。

本研究采用的高黏改性劑產(chǎn)地為意大利，是一種淡黃色顆粒狀物質(zhì)，摻量（外摻）設(shè)定為0%、6%、8%、10%及12%，如圖1所示。

1.2 動態(tài)剪切流變儀介紹

動態(tài)剪切流變儀（DSR）是用來測試瀝青結(jié)合料高溫與中溫粘彈特性的設(shè)備。測試時將瀝青試樣夾在兩個平行板間，震蕩板以一定的角速率轉(zhuǎn)動，固定板固定不動[3]。主要用于研究應(yīng)變、頻率、溫度等多尺度因素下材料的流變力學(xué)特性響應(yīng)。

2 改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青在135 ℃的烘箱中加熱1 h，然后加入一定比例的高黏改性劑攪拌均勻，放置于150 ℃～160 ℃的烘箱中，發(fā)育2 h之后取出，在160 ℃～170 ℃的溫度下用高速剪切儀以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切1 h，直至高黏改性劑全部溶解且分布均勻為止，即制得高黏改性瀝青。

3 常規(guī)性能試驗結(jié)果分析

3.1 針入度試驗結(jié)果

瀝青針入度值與路面的路用性能聯(lián)系密切，針入度值越大代表瀝青質(zhì)地越軟，低溫性能越好;針入度值越小代表瀝青質(zhì)地越硬，高溫性能越好[4]。不同摻量下高黏改性瀝青的針入度值如圖2所示。

從圖2可知，不同溫度下，高黏改性瀝青結(jié)合料的針入度均隨著高黏改性劑摻量的增加而降低。在15 ℃和25 ℃時，降低速率較為平緩;在30 ℃時，降低速率較為明顯，改性劑摻量為6%、8%、10%、12%的高黏改性瀝青，分別比基質(zhì)瀝青的針入度降低了33.0%、38.7%、40.6%、48.1%。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG-F40-2017）規(guī)定，在摻量達到12%時，高黏改性劑可使基質(zhì)瀝青從針入度等級70降低至針入度等級50。這表明高黏改性劑可以降低基質(zhì)瀝青的針入度等級，增強基質(zhì)瀝青抵抗流動變形的能力。

針入度指數(shù)PI值代表瀝青的感溫性能，PI值越大，瀝青的溫度敏感性越低。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）的要求，瀝青的針入度指數(shù)PI值可由式（1）和式（2）共同確定。計算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，隨著高黏改性劑摻量的增加，高黏改性瀝青的PI值不斷上升。在摻量8%范圍內(nèi)，高黏改性瀝青的PI值增量明顯，改性劑摻量為6%、8%的高黏改性瀝青，分別比基質(zhì)瀝青的針入度指數(shù)增加了1.95、2.28。當(dāng)改性劑摻量超過8%時，高黏改性瀝青的PI值增量放緩。這表明高黏改性劑可以降低基質(zhì)瀝青的溫度敏感性，改善基質(zhì)瀝青的感溫性能，使基質(zhì)瀝青適用于溫度變化大的地區(qū)。

當(dāng)量軟化點T800代表瀝青針入度值為800時對應(yīng)的溫度，當(dāng)量軟化點T800值越大，表示瀝青抵抗高溫流動變形能力越強，可根據(jù)式（3）確定。當(dāng)量脆點T1.2是瀝青作為低溫抗裂性能評價指標，當(dāng)量脆點T1.2越大代表瀝青的低溫性能越好，可根據(jù)式（4）確定。塑性溫度范圍[WTBX]ΔT是指瀝青結(jié)合料在外部荷載作用下可使用的溫度范圍，表征瀝青結(jié)合料可使用的溫度范圍，其值可按公式（5）計算得出。以上計算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，隨著高黏改性劑摻量的增加，當(dāng)量軟化點不斷提高，這表明高黏改性劑可以提高基質(zhì)瀝青的高溫性能。而當(dāng)量脆點則隨高黏改性劑摻量的增加先降低后略微升高，這表明高黏改性劑可以提高瀝青的低溫性能，但效果不大。由圖4還可得知，隨著高黏改性劑摻量的增加，高黏改性瀝青結(jié)合料的塑性溫度范圍不斷增加，這表明高黏改性瀝青比普通石油瀝青更加適用于溫度變化大的地區(qū)。

3.2 軟化點試驗結(jié)果

軟化點是我國針入度體系下反映瀝青高溫性能的重要指標，主要用來表征瀝青抵抗高溫流動變形能力[5]。軟化點越大，代表瀝青的高溫性能越好，反之則越差。試驗結(jié)果見圖5。

從圖5可知，隨著高黏改性劑摻量的增加，高黏改性瀝青結(jié)合料的軟化點不斷提高。當(dāng)摻量達到6%時，每增加2%摻量改性劑，就可以提高高黏改性瀝青軟化點5 ℃左右。這表明高黏改性瀝青抵抗高溫流動變形的能力隨著改性劑摻量的增加不斷增強，高黏改性瀝青的高溫性能得到改善。其中，當(dāng)改性劑摻量達到12%之后，高黏改性瀝青的軟化點>80 ℃，滿足濕熱地區(qū)的高溫穩(wěn)定性要求。

3.3 延度試驗結(jié)果

瀝青延度反映了瀝青材料在外力作用下產(chǎn)生拉伸變形而不被破壞的能力[6]。其大小直接反映材料的低溫變形能力，延度越大，低溫抗變形能力越強。

從圖6可得，高黏改性瀝青的5 ℃延度在6%摻量時隨著高黏改性劑摻量的增加而快速增長，之后增長速度開始下降，這是因為高黏改性瀝青已經(jīng)開始形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3.4 動力黏度試驗結(jié)果

60 ℃動力黏度是評價高黏改性瀝青的關(guān)鍵性指標之一，它與高黏改性瀝青的抗飛散能力有密切的聯(lián)系[7]。60 ℃動力黏度越大則代表瀝青的黏結(jié)能力越強，抗飛散能力越強。試驗結(jié)果見圖7。

由圖7可知，高黏改性瀝青的60 ℃動力黏度隨著改性劑摻量的增加而增長。摻量在10%以內(nèi)時，增長較為緩慢;當(dāng)摻量達到12%時，動力黏度迅速增長，滿足規(guī)范要求值20 000 Pa·s，這說明高黏改性瀝青的60 ℃動力黏度隨著改性劑的增加而增大。

60 ℃動力黏度要達到規(guī)范要求具有一定的門檻摻量，在進行現(xiàn)場施工時必須密切關(guān)注高黏改性瀝青的摻量是否達到門檻值，以防止摻量不滿足使用要求而產(chǎn)生飛散病害。

4 流變性能試驗結(jié)果分析

瀝青是一種粘彈性材料，在不同的溫度下，表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。在低溫時，瀝青更多表現(xiàn)出彈性狀態(tài);而隨著溫度的不斷升高，瀝青開始逐漸從彈性向粘彈性、黏性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，故從流變學(xué)的角度評價高黏改性瀝青的粘彈特性是一種有效的方法。本文基于濕熱地區(qū)的氣候條件，對5種不同摻量的高黏改性瀝青進行動態(tài)剪切流變儀試驗，試驗溫度設(shè)置為70 ℃，頻率設(shè)置為10 rad/s，試驗結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8可知，高黏改性瀝青的70 ℃復(fù)數(shù)模量隨著改性劑摻量的增加而不斷增長。摻量在8%內(nèi)時，增長較為緩慢;當(dāng)摻量達到8%之后，復(fù)數(shù)模量增長迅速。這表明高黏改性瀝青抵抗剪切變形的能力和增速均隨著改性劑摻量的增加而增大，與上述軟化點試驗結(jié)果分析一致。

由圖9可知，高黏改性瀝青的70 ℃相位角隨著高黏改性劑摻量的增加而不斷降低，這表明高黏改性瀝青的彈性成分隨著改性劑摻量的增加而不斷增大。

5 結(jié)語

（1）通過常規(guī)性能試驗分析可得，高黏改性劑可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能、低溫性能、感溫性能、可使用溫度范圍及黏結(jié)性能，并且隨著改性劑摻量的增加而不斷增長。

（2）通過流變性能試驗分析可得，高黏改性劑可以提高瀝青抵抗剪切變形的能力和彈性成分，這與常規(guī)性能試驗結(jié)果分析一致。

參考文獻：

[1]叢卓紅，吳喜榮，鄭南翔，等.高黏度改性劑對瀝青性能的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，30（4）：759-762.

[2]張 銳，黃曉明，侯曙光.新型瀝青添加劑TPS的性能[J].交通運輸工程學(xué)報，2006，6（4）：36-40.

[3]李夢怡.高黏改性劑對瀝青流變性能的影響[J].公路交通科技，2018，35（4）：14-20.

[4]于保陽，高 超，張榮華.基于東北季凍區(qū)氣候下高黏改性瀝青性能研究[J/OL].中外公路，2019（1）：278-282

[5]馮 芳.透水路面高黏改性瀝青的高低溫性能評價[J].城市道橋與防洪，2018（7）：285-288，292，27.

[6]陳加干，周國寶，靳衛(wèi)華.高黏改性瀝青的制備及性能研究[J].石油瀝青，2016，30（2）：14-16.

[7]陳 瑤，譚憶秋，陳克群.TPS改性劑對高黏瀝青性能的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，44（6）：82-85.