高黏劑對瀝青高溫性能的影響分析

駱明金

(昆山交通工程集團有限公司，蘇州 215300)

2015年國務院辦公廳頒布《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導意見》，對推進海綿城市建設(shè)工程明確了安排部署。海綿城市采用的特殊路面形式為透水性瀝青路面，其由多孔瀝青混合料組成，屬于混合料的開級配設(shè)計，具有排水[1]、降噪[2]、抗滑[3]等性能，與海綿城市水循環(huán)體系相結(jié)合，可緩解城市雨水管網(wǎng)壓力，節(jié)約水資源[4]。

透水性瀝青路面通常采用18%～25%設(shè)計空隙率的開級配混合料施工，導致粗集料較多，細集料較少[5]，透水路面往往遭受損害。多孔瀝青混合物中空隙率高，細骨料的缺乏降低了其抗拉強度，因此，當骨料暴露在高溫下的交通中時，其初始位置可能會產(chǎn)生位移，從而導致車轍破壞[6]。此外，由于骨料之間的黏結(jié)力較弱，透水路面通常會出現(xiàn)松散現(xiàn)象[7]。研究表明，解決車轍、松散等由較大空隙率引起的病害的關(guān)鍵是使用高黏劑。為了改善多孔隙路面路用性能，國內(nèi)外研究人員開展了廣泛研究，具有超高動力黏度的高黏瀝青在日本透水性瀝青路面中被廣泛應用[8]。高黏劑可以有效加強瀝青與集料之間的黏結(jié)，對瀝青的剝落具有強烈的抑制作用。更重要的是, 瀝青的高溫流變性能直接決定著透水路面的高溫穩(wěn)定性，換言之，瀝青的高溫流變性與抗車轍能力息息相關(guān)[9-10]。

高黏劑的類型和用量會顯著影響路面的路用性能。本文通過對高黏劑的類型和用量進行動力黏度試驗和動態(tài)剪切流變(DSR)試驗，確定高黏劑的最優(yōu)類型和最佳用量，探究高黏劑對改善透水性瀝青路面路用性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 高黏劑

本試驗使用目前工程中應用較廣泛的3種高黏劑，分別為LY-TPS、HVA和TAIYOU-TPS。3種高黏劑均為固體顆粒，呈黃色，顆粒平均直徑4～6 mm。

1.1.2 瀝青

瀝青作為膠結(jié)料，直接決定了透水性瀝青路面使用品質(zhì)的好壞，由于透水性瀝青混合料孔隙較大，容易被環(huán)境因素影響，因此要求瀝青對集料具有高黏附性，能以較厚的瀝青膜包裹集料，同時還要有較強的抗剝落性。使用SBS改性瀝青摻配而成的高黏瀝青的針入度、延度、軟化點一般都能符合規(guī)范要求，但由70號基質(zhì)瀝青摻配而成的高黏瀝青，并非都能夠滿足針入度和軟化點的規(guī)范要求。工程實踐表明，SBS改性瀝青是制備高黏瀝青的優(yōu)選材料。

采用5%SBS改性瀝青作為基礎(chǔ)瀝青，與高黏劑進行復配，并選用70號基質(zhì)瀝青與高黏劑復配作為對照，瀝青技術(shù)指標如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標

1.2 試驗方法

1.2.1 高黏瀝青制備過程

高黏瀝青的制作步驟分為3步：①預熱。把70號基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青放入烘箱，兩者性質(zhì)不同，預熱溫度也不同，70號基質(zhì)瀝青135 ℃，SBS改性瀝青160 ℃。②人工攪拌。預熱好的瀝青呈流動狀，稱量定量的瀝青和高黏劑。為了防止瀝青溫度下降導致流動性降低，將盛有瀝青的容器置于電磁爐上加熱，并用玻璃棒攪拌。當容器中的瀝青溫度為180 ℃ 時，加入高黏劑繼續(xù)攪拌，整個過程持續(xù)時間不得少于5 min。③高速剪切。將攪拌后的瀝青混合物置于高速剪切乳化儀上進行高速剪切，在此過程中仍然需要防止其降溫，保持高溫的方式為油浴。剪切速率 4 500～5 000 r/min，剪切時間30 min。高黏瀝青室內(nèi)制備流程如圖1所示。

圖1 高黏瀝青室內(nèi)制備流程

1.2.2 高黏瀝青性能試驗

高黏瀝青需要測定其針入度、延度、軟化點、動力黏度和剪切模量。采用美國AASHTO 202-15[11]中的真空毛細管減壓法對高黏瀝青進行60 ℃動力黏度試驗，水浴溫度60 ℃，真空減壓毛細管規(guī)格R800。試驗前，需確保儀器中的真空度達到 300 mmHg。采用美國AASHTO MP 1[12]中DSR試驗方法測試高黏瀝青的剪切模量。試驗溫度選擇70 ℃、76 ℃和82 ℃。

1.3 試驗設(shè)計

將3種不同種類的高黏劑分別加入70號基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中，對其進行針入度、延度、軟化點、60 ℃動力黏度和DSR試驗。高黏劑與瀝青的組合方式如表2所示。

表2 高黏劑與瀝青的組合方式 (%)

2 結(jié)果與討論

2.1 高黏劑對瀝青針入度、軟化點和延度的影響

高黏瀝青針入度、軟化點和延度試驗結(jié)果如表3所示。SBS改性瀝青摻配高黏劑后，其軟化點均高于90 ℃，表明SBS改性瀝青摻配3種高黏劑后，其高溫性能都較好，并且高黏劑含量越高，高黏瀝青的針入度越低，軟化點越高。當高黏劑用量相同時，同種用量下相較于摻配其他兩種高黏劑，TAIYOU-TPS與SBS改性瀝青和70號基質(zhì)瀝青摻配得到的高黏瀝青針入度最低，但軟化點最高，因此，無論與70號基質(zhì)瀝青還是SBS改性瀝青摻配，相比于其他兩種高黏劑，摻配TAIYOU-TPS制成的高黏瀝青展現(xiàn)的高溫穩(wěn)定性更好。

表3 高黏瀝青針入度、軟化點和延度試驗結(jié)果

2.2 高黏劑對瀝青60 ℃動力黏度的影響

高黏劑對高黏瀝青60 ℃動力黏度的影響如圖2所示。摻配3種高黏劑的高黏瀝青，其動力黏度都隨著高黏劑用量的增加而增大，當3種高黏劑含量由10%增至12%時，60 ℃動力黏度急劇增大。70號基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青摻配高黏劑后，高黏瀝青的60 ℃動力黏度總體趨勢一致。結(jié)果表明，當使用高黏劑與瀝青進行復配時，不同高黏劑用量對所制的高黏瀝青60 ℃動力黏度存在臨界值，一旦超過臨界值，高黏瀝青的60 ℃動力黏度將發(fā)生突變。對比圖2(a)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，采用SBS改性瀝青摻配得到的高黏瀝青的60 ℃動力黏度提升顯著，比70號基質(zhì)瀝青摻配所得高黏瀝青提高了約10倍。

(a) 70號基質(zhì)瀝青

為了進一步研究高黏劑種類與用量對瀝青60 ℃ 動力黏度的影響，使用多組用量的LY-TPS和TAIYOU-TPS與SBS改性瀝青進行摻配，并測試60 ℃ 動力黏度，高黏劑用量對高黏瀝青60 ℃動力黏度的影響如圖3所示。

圖3 高黏劑用量對高黏瀝青60 ℃動力黏度的影響

由圖3可知，SBS改性瀝青摻配高黏劑所得高黏瀝青的60 ℃動力黏度與高黏劑用量不是線性增長關(guān)系，但是曲線擬合的相關(guān)程度很高，LY-TPS和TAIYOU-TPS擬合曲線的R2分別為0.98和0.99。隨著高黏劑用量的增加，SBS改性瀝青與LY-TPS、TAIYOU-TPS摻配所得的高黏瀝青的60 ℃動力黏度也逐漸增加，但增加速度隨用量的增大而減緩。

高黏劑用量與高黏瀝青60 ℃動力黏度的相關(guān)關(guān)系如圖4所示。

圖4 高黏劑用量與高黏瀝青60 ℃動力黏度的相關(guān)關(guān)系

本研究中高黏劑用量上限為12%，因此當高黏劑用量為0%～12%時，高黏瀝青的60 ℃動力黏度隨高黏劑含量的變化呈現(xiàn)3個不同的增長階段：第一階段，當高黏劑含量較少時，高黏瀝青的60 ℃動力黏度隨高黏劑含量的增加而增大，增速也逐漸增大，但總體增速較緩慢；第二階段，高黏瀝青的 60 ℃ 動力黏度隨高黏劑含量增加近似線性增加，增速總體較大；第三階段，高黏瀝青的60 ℃動力黏度的增速隨高黏劑含量的增加逐漸減小。TAIYOU-TPS摻配SBS改性瀝青所得高黏瀝青的第一與第二階段、第二與第三階段分界點的高黏劑含量分別為5%和8%；LY-TPS摻配SBS改性瀝青所得高黏瀝青的第一與第二階段、第二與第三階段分界點的高黏劑含量分別為3%和6%。相比于LY-TPS，TAIYOU-TPS需要相對更高的含量提升高黏瀝青的 60 ℃ 動力黏度。

2.3 高黏劑對瀝青高溫流變性的影響

車轍因子結(jié)果如圖5所示。當高黏劑與SBS改性瀝青摻配時，其高溫性能明顯高于與70號基質(zhì)瀝青摻配所得高黏瀝青，由SBS改性瀝青復配所得高黏瀝青的高溫等級比由70號基質(zhì)瀝青復配而成的高3個性能等級(performance graded，PG)，這表明SBS改性瀝青本身對高溫性能有著顯著影響。當70號基質(zhì)瀝青和高黏劑含量相同時，高黏劑的種類對高溫PG等級未表現(xiàn)出顯著影響。

(a) SBS改性瀝青

車轍因子越高，代表瀝青的抗車轍性越好。由圖5可知，隨著高黏劑含量增加，車轍因子增大，這是由于高黏瀝青中所含高黏劑的含量越高，瀝青黏度越高，所以瀝青的流動變形能力越低，抗車轍性越高。在3種溫度下，當SBS改性瀝青與任意高黏劑復配時，所得高黏瀝青的車轍因子均高于其與70號基質(zhì)瀝青復配所得高黏瀝青。

瀝青種類對車轍因子的影響還與高黏劑的種類和含量有關(guān)。在3種溫度下，使用70號基質(zhì)瀝青與含量為12%的3種高黏劑進行復配時，摻配TAIYOU-TPS的高黏瀝青車轍因子最低，而高黏劑復配SBS改性瀝青時，含TAIYOU-TPS的高黏瀝青車轍因子則最高。在3種溫度下，由8% LY-TPS 與70號基質(zhì)瀝青復配所得高黏瀝青的車轍因子高于與其他高黏劑復配所得高黏瀝青，而當高黏劑復配SBS改性瀝青時，8% LY-TPS與SBS改性瀝青復配所得高黏瀝青的車轍因子最低。其可能原因為：不同類型的高黏劑與SBS改性瀝青發(fā)生不同程度的反應，導致高黏瀝青高溫性能的變化幅度有所差異。因此，若由一種高黏劑與70號基質(zhì)瀝青復配所得的高黏瀝青具有較好的抗高溫流變性能，其并不能代表此種高黏劑與SBS改性瀝青復配時也具有較強的抗高溫流變性能，反之亦然。

3 結(jié)論

(1) 當添加相同類型和用量的高黏劑時，由SBS改性瀝青復配所得的高黏瀝青比由70號基質(zhì)瀝青復配而成的高黏瀝青具有更高的60 ℃動力黏度和更穩(wěn)定的高溫流變性。

(2) 當使用SBS改性瀝青作為基礎(chǔ)瀝青時，高黏劑用量從0%增至12%的過程中，高黏瀝青60 ℃動力黏度的變化趨勢分為3個階段，增速先變大，中間穩(wěn)定，后減小。相比于LY-TPS，TAIYOU-TPS需要相對更高的用量提升高黏瀝青的60 ℃動力黏度。

(3) 隨著高黏劑用量的增加，高黏瀝青的抗高溫流動變形能力增強。但對于不同種類的瀝青，高黏劑的種類與用量對高黏瀝青抗車轍性的影響規(guī)律不具有一致性。

(4) 綜合技術(shù)性與經(jīng)濟性考慮，推薦海綿城市建設(shè)中透水路面工程采用5% SBS改性瀝青與5% LY-TPS高黏劑復配所得的高黏瀝青。