高溫多雨氣候環(huán)境下的高黏瀝青性能測試

李忠校

（海南路橋工程有限公司，海南 三亞 572000）

大空隙的排水瀝青路面具有良好的抗滑、透水、防水霧水漂等功能特性，能夠提高路面行車安全系數(shù)，在我國廣泛應(yīng)用。為提高排水瀝青混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少排水瀝青路面高溫變形、掉粒飛散等病害的發(fā)生，日本于20世紀(jì)90年代研制了高黏度改性瀝青，大幅提高了排水瀝青路面的路用力學(xué)性能。我國部分地區(qū)高溫多雨，排水瀝青路面的變形、推移、飛散等病害頻發(fā)，服役壽命大大縮短。為因地制宜地提高高溫多雨地區(qū)排水瀝青的路用性能，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)分析排水瀝青路面的膠結(jié)料高黏改性瀝青性能，尋求最適宜的高黏改性劑摻量。

一、原材料選用

瀝青采用SBS改性瀝青作為高黏劑改性對(duì)象。高黏改性劑選用國產(chǎn)HVA高黏改性劑。國產(chǎn)HVA高黏改性劑由SBS和乙烯一辛烯共聚物彈性體混合物、偶聯(lián)劑、增塑劑等添加劑混熔而成，外觀為黃色顆粒，能夠有效提高瀝青黏度、延度等技術(shù)指標(biāo)。

二、高黏改性瀝青的制備方法和技術(shù)要求

采用高速剪切機(jī)制備高黏改性瀝青——首先把SBS瀝青在烘箱中恒溫至190℃，加入設(shè)計(jì)量的高黏改性劑，用玻璃棒均勻攪拌15min；其次把剪切機(jī)調(diào)整為4000r/min持續(xù)剪切60min，溫度保持在180℃～190℃；最后把剪切完成的瀝青放入180℃的烘箱中溶脹發(fā)育60min。

夏季漫長、持續(xù)高溫、全年雨量豐沛的地區(qū)，排水瀝青路面18%～25%的空隙率導(dǎo)致路面內(nèi)部直接與空氣、水等外界環(huán)境直接接觸，路面容易出現(xiàn)車轍變形、掉粒飛散等病害。因此，選用能夠顯著提高路面高溫性能和抗飛散能力，并且能夠兼顧路面低溫抗裂性能的瀝青膠結(jié)料，是提高高溫地區(qū)透水路面耐久性能，延長路面服役壽命的關(guān)鍵。

三、基本指標(biāo)

本文測試了相同試驗(yàn)條件下，不同高黏改性劑摻量的高黏瀝青技術(shù)性能。結(jié)果顯示，隨著高黏改性劑摻量的提高，瀝青在25℃下的針入度呈下降趨勢，變化幅度較為平穩(wěn)，當(dāng)摻量從0%提高到12%時(shí)，針入度僅變化4.2mm，這說明添加高黏改性劑可以提高瀝青的稠度，增強(qiáng)瀝青的抗剪切破壞能力，并且較小的改性幅度能夠把針入度控制在合理范圍內(nèi)，不至于影響改性瀝青的低溫和施工和易性能。

高黏改性劑對(duì)瀝青軟化點(diǎn)和5℃延度的提升效果明顯，當(dāng)摻量從0%提高到12%時(shí)，軟化點(diǎn)從82℃增至107.8℃，共提高了25.8℃，延度由34.7mm增至47.1mm，提高了12.4mm。其中，軟化點(diǎn)的增長幅度較為平緩，每提高高黏改性劑1%的摻量，軟化點(diǎn)提高2.1℃左右，這說明高黏改性劑的添加能夠持續(xù)降低瀝青的溫度敏感性，提高改性瀝青的耐熱性。當(dāng)高黏改性劑摻量變化范圍在0%～10%時(shí)，瀝青5℃延度的提升較為明顯，這說明高黏改性劑能夠有效增強(qiáng)瀝青的塑性，提高瀝青的低溫變形能力，從而強(qiáng)化瀝青混合料的低溫抗裂能力。當(dāng)高黏改性劑摻量超過10%時(shí)，瀝青延度提高的幅度減小。因?yàn)楦唣じ男詣┲械母叻肿泳酆衔锿ㄟ^剪切均勻分散在瀝青中，形成了一種網(wǎng)狀的分子鏈結(jié)構(gòu)，從而增加了瀝青黏度，當(dāng)高黏改性劑摻量達(dá)到一定量時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基本搭接完成，所以瀝青延度的提高幅度開始放緩。

四、60℃動(dòng)力黏度和170℃的布氏旋轉(zhuǎn)黏度

60℃動(dòng)力黏度與瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能具有良好的關(guān)聯(lián)。隨著60℃動(dòng)力黏度的提高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到改善。本文選用170℃的旋轉(zhuǎn)黏度小于3Pa.s控制高黏瀝青混合料的施工性能。

具體測試結(jié)果顯示，隨著高黏改性劑摻量的提高，瀝青的60℃動(dòng)力黏度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長，當(dāng)摻量達(dá)到6%時(shí)，動(dòng)力黏度達(dá)到32萬Pa.s，滿足本文設(shè)定的應(yīng)用在高溫地區(qū)透水路面的技術(shù)要求。雖然在12%摻量下，瀝青170℃的旋轉(zhuǎn)黏度低于3Pa.s，但已經(jīng)接近規(guī)定值，為了確保高黏改性瀝青能滿足施工和易性能需要，保證瀝青的施工質(zhì)量，建議采用＜12%的高黏改性劑摻量。

五、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）

夏季長時(shí)間的陽光直射導(dǎo)致地表溫度升高，部分高速公路的路面溫度達(dá)60℃～70℃，路面抵抗荷載變形能力下降，導(dǎo)致出現(xiàn)車轍、擁包、推移等病害。目前，國際廣泛采用美國SHPR計(jì)劃中的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)測試瀝青中、高溫性能?；谝陨闲阅軝z測，本文選用0%、6%、8%、10%摻量的高黏改性瀝青，采用動(dòng)態(tài)剪切方法中溫度掃描試驗(yàn)測試給定溫度和荷載頻率下高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，得到疲勞因子和車轍因子，并試驗(yàn)其在不同溫度下的表現(xiàn)。

相位角反映了材料的黏性成分和彈性成分比例。相位角越大，黏性成分比例越高。SBS改性瀝青的相位角隨著溫度上升而增大，原因是高溫導(dǎo)致分子力作用下降，瀝青由彈性向黏性轉(zhuǎn)化。摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青則呈現(xiàn)不同的走向，隨著溫度升高，相位角逐漸減小，且高黏改性劑摻量越多相位角越大。這說明隨著溫度提高，摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青的黏性都呈下降趨勢，瀝青流動(dòng)性增強(qiáng)，相比較SBS改性瀝青，高黏瀝青的黏性成分含量更高，宏觀上表現(xiàn)出更好的高溫性能。復(fù)數(shù)模量可以表征瀝青抵抗重復(fù)剪切應(yīng)力變形的能力。復(fù)數(shù)模量曲線顯示，提高高黏改性劑摻量可以大幅提高瀝青的復(fù)數(shù)模量，摻量為10%的高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)模量可以達(dá)到6628Pa。

SBS改性瀝青和摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)模量都隨溫度升高明顯下降，其中在70℃～76℃區(qū)間的下降幅度最大。這表明溫度越高，瀝青的抗剪切變形能力越差，12%摻量的高黏瀝青因?yàn)閮?nèi)部黏彈性高分子聚合物與瀝青充分融合，有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，復(fù)數(shù)模量隨溫度升高下降幅度相對(duì)緩慢。瀝青的疲勞性能對(duì)混合料疲勞性能影響顯著，疲勞因子（G*·sinδ）越大，抗疲勞性能越差。疲勞因子曲線顯示，高黏改性劑增加，瀝青疲勞性能下降，SBS改性瀝青和摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青的疲勞性能均和溫度呈明顯的線性關(guān)系，溫度升高，瀝青的抗疲勞損傷能力得到提高。

美國高性能瀝青路面瀝青結(jié)合料規(guī)范把瀝青在高溫等級(jí)時(shí)通過動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)測定的車轍因子（G*/sinδ）＞1.0 kPa作為代表運(yùn)輸、儲(chǔ)存和裝卸的基本要求；把瀝青經(jīng)過旋轉(zhuǎn)播磨烘箱加熱后的殘留物車轍因子（G*/sinδ）＞2.2 kPa作為代表瀝青在拌和及鋪筑過程短期老化后的瀝青性能要求?；诖耍疚膶?duì)SBS改性瀝青和摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青及其FTOFT老化后的殘留瀝青實(shí)施PG高溫分級(jí)。

PG高溫分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著溫度的提高，SBS和高黏改性瀝青的車轍因子均有所減小，當(dāng)溫度由70℃提高到76℃時(shí)，下降速度表現(xiàn)最為明顯。隨著高黏改性摻量的提高，高黏改性瀝青的高溫分級(jí)有所提高，6%和8%的高黏改性劑摻量的高溫分級(jí)均可以達(dá)到88℃，而10%摻量下的高黏瀝青的PG分級(jí)可以達(dá)到94℃。可以推斷，高溫條件下瀝青軟化，重復(fù)應(yīng)力作用導(dǎo)致瀝青中瀝青質(zhì)增多，不可恢復(fù)變形增大，車轍因子降低。添加高黏改性劑的改性瀝青黏度增大，高分子聚合物搭接纏繞形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在高溫情形下比SBS改性瀝青表現(xiàn)出更好地抗變形能力，車轍因子下降幅度也相對(duì)減小。同樣，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后的高黏改性瀝青因?yàn)榫哂休^高的瀝青黏度，所以老化程度并不充分，不同溫度下相比原樣瀝青都表現(xiàn)出了更好的高溫性能，展現(xiàn)了高黏改性瀝青具有較好的耐老化性能。