一種高粘彈改性瀝青及其混合料性能與工程應(yīng)用

王新科， 蔣建輝， 周啟偉， 張建新， 曾慶濤

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2.廣西桂興高速公路投資建設(shè)有限公司， 廣西 桂林 541000；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 4.廣西桂陽高速公路投資建設(shè)有限公司， 廣西 桂林 541000)

普通道路瀝青由于自身的組成和結(jié)構(gòu)決定了其感溫性能、彈性和耐老化性能差，高溫易流淌，低溫易脆裂，難以滿足高等級(jí)公路的使用要求，必須對其改性以改善使用性能[1-3]。為滿足工程需要，近年來，高粘高彈改性瀝青得到不斷研究和推廣。高粘高彈改性瀝青是一類特種瀝青，根據(jù)《高粘高彈道路瀝青》(GB/T 30516—2014)定義：動(dòng)力粘度(60 ℃)大于2×104Pa·s，彈性恢復(fù)(25 ℃)大于85%的瀝青，稱之為高粘高彈瀝青。

目前，國內(nèi)學(xué)者主要從高粘高彈瀝青的粘彈特性進(jìn)行研究。朱元軍、譚憶秋、李睿等[4-7]通過動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)研究了高粘高彈改性瀝青的粘彈性能，從能量角度進(jìn)行評價(jià)，得出高粘高彈改性瀝青高、低溫性能都優(yōu)于傳統(tǒng)SBS改性瀝青；在改性劑作用下，高粘彈改性瀝青的彈性貯能能力及對集料的粘附性大幅提高，這表明其具有較強(qiáng)的抗疲勞性能、抗剝落能力和抗分散性。

國外學(xué)者根據(jù)流變學(xué)提出了高粘高彈改性瀝青的評價(jià)指標(biāo)。Vacin等[8]利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀對橡膠瀝青及瀝青混合料進(jìn)行了研究，得出兩者在路面溫度、荷載作用時(shí)間對瀝青的高溫抗變形方面有很好的相關(guān)性。Lu等[9]通過對改性瀝青進(jìn)行剪切流變分析，得到了表征流變性能的粘彈指標(biāo)。Stadler F J等[10]采用零剪切粘度對瀝青結(jié)合料的高溫性能進(jìn)行評價(jià)。Dongre[11]提出剪切速率為 0.01 rad/s 時(shí)的粘度作為瀝青結(jié)合料的高溫性能評價(jià)參數(shù)。

高粘高彈改性瀝青混合料的路用性能也是熱點(diǎn)研究之一。彭強(qiáng)等[12]研究了紫外老化的后高彈改性瀝青混合料SMA-10，其高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性略有降低,但均滿足規(guī)范要求，仍有良好的路用性能；劉靜波、鐘國武等[13-14]對高彈改性瀝青SMA-10的路用性能進(jìn)行了研究，得出高彈SMA瀝青混合料具有較優(yōu)良的強(qiáng)度、粘附、抗水損害性能，高溫與疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青混凝土；Ahmad Mansourian等[15]采用多次應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀對復(fù)合高粘彈瀝青結(jié)合料的性能進(jìn)行了評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果表明，無論瀝青結(jié)合料的線性或非線性粘彈性行為如何，都能提高瀝青結(jié)合料的低溫性能和抗車轍性能；Sadiq Bhat Faheem等[16]采用基于Superpave車轍參數(shù)的老化指數(shù)來評價(jià)瀝青混合料的抗老化性能，結(jié)果表明，復(fù)合改性劑的加入對SBS改性瀝青結(jié)合料的車轍和疲勞性能都有積極影響。

綜上所述，針對高粘彈改性瀝青的粘彈特性、評價(jià)指標(biāo)、路用性能等已有大量研究，但目前國內(nèi)對高粘高彈改性瀝青在超薄罩面中的應(yīng)用研究較少，本文以復(fù)合高粘彈改性瀝青的制備與應(yīng)用為旨要，通過試驗(yàn)及工程應(yīng)用，以期為高粘彈改性瀝青的應(yīng)用推廣提供參考，助力提升我國公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)水平。

為滿足某超薄罩面的工程需求，本文采用SBS、高粘彈改性劑制備了復(fù)合高粘彈改性瀝青，分析評價(jià)了復(fù)合改性瀝青的性能及高粘彈改性瀝青混合料的路用性能，并進(jìn)行了試驗(yàn)段鋪筑，以檢驗(yàn)高粘彈改性瀝青混合料在超薄罩面中使用的合理性和可行性，為在該工程推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 原材料

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青采用70#A級(jí)道路石油瀝青，25 ℃針入度72.1，軟化點(diǎn)64.2 ℃，15 ℃延度大于100，SHRP 性能等級(jí)達(dá)到PG64-22，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1.2 集料

粗細(xì)集料均采用廣西龍勝的輝綠巖，集料為0 mm～3 mm、3 mm～6 mm，6 mm～11 mm熱料，其表觀相對密度分別為2.811、2.867、2.854，毛體積相對密度分別為2.755、2.808、2.796。礦粉采用廣西龍勝的石灰石礦粉，表觀密度2.713、表觀相對密度2.717。其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1.3 SBS改性劑

SBS采用線型SBS，嵌段比(S/B)為30/70，摻量為基質(zhì)瀝青的5%。

1.4 穩(wěn)定劑

采用廣東某公司生產(chǎn)的硫磺穩(wěn)定劑，摻量為基質(zhì)瀝青的0.3%。

1.5 高粘彈改性劑

采用山東某公司生產(chǎn)的橡膠合成共混物SR-1，摻量范圍為SBS改性瀝青的2%～10%。

1.6 級(jí)配

分別取集料為0 mm～3 mm、3 mm～6 mm、6 mm～11 mm的熱料輝綠巖及礦粉進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)上述級(jí)配，采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳油石比為5.5%。

2 高粘彈改性瀝青的制備及性能分析

2.1 制備工藝

高粘彈改性瀝青制備工藝流程如圖1所示。

圖1 高粘彈改性瀝青制備工藝流程

具體步驟為：

1) 將基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃時(shí)，添加5%SBS改性劑和0.3%穩(wěn)定劑；2) 在剪切溫度為180 ℃±2 ℃，轉(zhuǎn)速4 500 r/min，剪切時(shí)間30 min 條件下，進(jìn)行改性劑的高速剪切分散；3) 剪切完成后，置于油浴鍋內(nèi)攪拌發(fā)育，發(fā)育溫度為180 ℃，發(fā)育時(shí)間為2 h，攪拌轉(zhuǎn)速約 60 r/min，可制得成品SBS改性瀝青；4) 將成品SBS改性瀝青加熱到180 ℃，于油浴鍋內(nèi)摻入高粘彈改性劑SR-1，按轉(zhuǎn)速約 60 r/min攪拌10 min，可制成高粘彈改性瀝青。

2.2 高粘彈改性瀝青性能分析

采用SBS和高粘彈改性劑復(fù)合改性，在SBS摻量5%不變的情況下，改性劑SR-1按推薦摻量2%、4%、6%、8%、10%進(jìn)行逐步添加，通過針入度、軟化點(diǎn)、延度、彈性試驗(yàn)、粘度試驗(yàn)進(jìn)行性能分析，并確定改性劑SR-1的最佳摻量。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 高粘彈改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

1) 針入度試驗(yàn)

從表2針入度試驗(yàn)結(jié)果可知，隨SR-1摻量增加，針入度增大，其原因是SR-1中含有橡膠成分，SR-1摻量增加使得SBS改性瀝青變軟。

2) 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

從表2軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨SR-1摻量增加，瀝青軟化點(diǎn)逐漸增大，當(dāng)摻量大于8%時(shí)，軟化點(diǎn)開始降低，其原因?yàn)楫?dāng)高彈劑摻量增加到一定數(shù)量后，其組分中的橡膠與SBS相互混溶形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)，但當(dāng)高彈劑摻量大于8%后，容易產(chǎn)生離析，導(dǎo)致軟化點(diǎn)降低。

3) 延度試驗(yàn)

從表2延度試驗(yàn)結(jié)果可知，隨SR-1摻量的增加，高彈改性瀝青低溫延度為普通SBS改性瀝青 2～3倍，表明高彈改性瀝青具有優(yōu)異的低溫性能。

4) 彈性試驗(yàn)

從表2彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)SR-1摻量為8%時(shí)，瀝青的彈性恢復(fù)為100%，其原因?yàn)镾BS與瀝青形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，高粘彈改性劑起到了填充作用，提高了瀝青的彈性恢復(fù)性能。

由于測定的高粘高彈改性瀝青與SBS改性瀝青的彈性恢復(fù)區(qū)分度較小，彈性恢復(fù)值幾乎都能達(dá)到90%以上，不能準(zhǔn)確地表征和區(qū)分其恢復(fù)性能，故設(shè)計(jì)了彈性恢復(fù)速率試驗(yàn)[17]。試驗(yàn)方法：按照25 ℃彈性恢復(fù)試驗(yàn)條件，從剪斷后立刻記錄恢復(fù)開始30 s的彈性恢復(fù)數(shù)據(jù)，此后記錄頻率為每1 min記錄一次恢復(fù)過程中相應(yīng)時(shí)間的恢復(fù)值，比較SR-1摻量8%的高彈改性瀝青與SBS改性瀝青的恢復(fù)速率，試驗(yàn)記錄如圖2所示。

圖2 彈性恢復(fù)速率與恢復(fù)時(shí)間關(guān)系曲線

由圖2可以看出，SBS改性瀝青和高粘彈改性瀝青的彈性恢復(fù)速率隨著時(shí)間延長逐漸減小，高粘彈改性瀝青表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性恢復(fù)速率，在0.5 min時(shí)，高粘彈改性瀝青與SBS改性瀝青的恢復(fù)速率分別為19.3%/min、12.0%/min，高粘彈改性瀝青恢復(fù)速率為SBS改性瀝青的1.6倍。在0.5 min～3 min的過程中，高粘彈改性瀝青彈性恢復(fù)速率明顯高于SBS改性瀝青,說明高粘彈改性瀝青在剪斷瞬間內(nèi)部應(yīng)力更大，內(nèi)部殘余應(yīng)力更高，具有更優(yōu)的彈性恢復(fù)性能。分析其原因?yàn)楦哒硰椄男詣┑膿饺胧沟酶男詾r青在發(fā)生疲勞時(shí)，單次循環(huán)損耗的能量降低，即最大限度降低疲勞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變熱能，從而達(dá)到提高改性瀝青疲勞壽命的目的。

5) 粘度試驗(yàn)

從表2中 60 ℃動(dòng)力粘度試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加SR-1后，瀝青的60 ℃動(dòng)力粘度升高，均滿足高粘高彈道路瀝青定義中大于2×104Pa·s的要求，在SR-1摻量8%時(shí)，其60 ℃動(dòng)力粘度大于30×104Pa·s，證明其瀝青內(nèi)聚力較大，具有優(yōu)異的粘性；表2中135 ℃旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)結(jié)果表明，135 ℃旋轉(zhuǎn)粘度降低，分析其原因?yàn)椋涸谳^高溫度時(shí)，SR-1在SBS改性瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起到了降粘作用，在8%摻量下，通過粘溫曲線可計(jì)算得出，其拌和溫度下降3 ℃～5 ℃，攤鋪溫度下降6 ℃～8 ℃，這有助于瀝青混合料的施工和易性。

基于表2試驗(yàn)結(jié)果及分析，確定高粘彈改性劑SR-1的最佳摻量為8%。

3 高粘彈改性瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)評價(jià)混合料高溫穩(wěn)定性。車轍試件成型為上層2.0 cm高粘彈改性瀝青混合料，下層為3.0 cm SBS改性瀝青混合料，對比試樣為5 cm SBS改性瀝青SMA-10混合料，平行試件為每組2個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，如表3所示。

表3 混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果 次/mm

表3試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入高彈劑SR-1后，混合料的抗車轍性能有一定的提升，與SBS改性瀝青混合料相比，動(dòng)穩(wěn)定度提高了11.4%，分析其原因?yàn)镾R-1填充了SBS與瀝青的膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了改性瀝青的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.2 水穩(wěn)定性

采用凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)高粘彈改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。平行試件為每組8個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，如表4所示。

由表4凍融劈裂結(jié)果分析得出，與SBS改性瀝青SMA-10混合料相比，高粘彈改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比提高了8.6%，表明其水穩(wěn)定性優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10混合料，其原因?yàn)镾R-1中含有大量的橡膠成分，提升了瀝青與石料的粘附性。

表4 混合料凍融劈裂、低溫彎曲、疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.3 低溫抗裂性

采用低溫小梁試驗(yàn)對高粘彈改性瀝青易密實(shí)型混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評價(jià)。平行試件為每組6個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果可得出，與SBS改性瀝青SMA-10混合料相比，高粘彈改性瀝青混合料的低溫抗裂性提高了60.9%，明顯優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10混合料，其原因?yàn)镾R-1有效提高了瀝青膠結(jié)料的粘彈性，變形損失的能量降低，提高了其抗疲勞性能，從而提升了混合料的低溫抗裂性。

3.4 抗疲勞性能

采用UTM瀝青伺服機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，采用應(yīng)變水平為500 με，試驗(yàn)溫度為15 ℃，荷載頻率為10 Hz，當(dāng)混合料的勁度模量下降到初始勁度模量的50%時(shí)停止試驗(yàn)，加載次數(shù)作為該混合料的疲勞壽命，平行試件為每組4個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4疲勞試驗(yàn)結(jié)果得出，與SBS改性瀝青SMA-10混合料相比，高粘彈改性瀝青混合料的疲勞壽命提高了175%，明顯優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10混合料，其原因?yàn)镾R-1有效提高了瀝青膠結(jié)料的粘彈性，使瀝青在發(fā)生疲勞時(shí)，單次循環(huán)損耗的能量降低，即最大限度降低疲勞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變熱能，進(jìn)一步提升了混合料的抗疲勞性。

4 工程應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)段鋪筑

基于上述室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，在廣西某高速公路鋪筑高粘彈瀝青混合料超薄罩面試驗(yàn)段，其長度 1 000 m，具體施工工藝包括原路面處理、攤鋪、碾壓及施工工后檢測。流程如下：

1) 采用精細(xì)銑刨工藝對原路面進(jìn)行銑刨，處理深度為1.8 cm；2) 采用高壓吸泵對路面進(jìn)行除塵；3) 采用自動(dòng)噴灑設(shè)備噴灑快裂型高粘乳化瀝青，其用量為0.5 kg/m2；4) 攤鋪時(shí)，超薄罩面攤鋪溫度控制在165 ℃～175 ℃，攤鋪速度為6 m/min～9 m/min；5) 碾壓時(shí)，壓實(shí)機(jī)具組合采用鋼-膠-鋼組合，初壓2遍，復(fù)壓為膠輪揉搓4遍，鋼輪壓路機(jī)再靜壓路面2遍，充分保證壓實(shí)度。

4.2 攤鋪溫度及碾壓時(shí)間控制

Bruce A.Chadbourn等[18]研究出了一種軟件工具PaveCool，通過使用計(jì)算機(jī)模型，模擬攤鋪后熱瀝青混合料在不同環(huán)境條件下的冷卻規(guī)律。通過設(shè)定環(huán)境溫度、風(fēng)速、天氣狀況、地理緯度、瀝青混合料類型、瀝青等級(jí)、鋪層厚度、攤鋪溫度、下層材料類型、材料狀況和表層溫度等條件，計(jì)算設(shè)定條件下瀝青混合料的溫度下降規(guī)律，并得出最佳的初壓及終碾時(shí)間。

在施工過程中對攤鋪溫度及壓實(shí)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，并與軟件PaveCool擬合的冷卻曲線進(jìn)行對比[19-20]，結(jié)果如圖3所示。

實(shí)測高粘彈瀝青混合料的開始攤鋪溫度、碾壓過程中表面溫度及初終壓時(shí)間，結(jié)果如表5所示。

(a) 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

(b) 攤鋪機(jī)溫度自動(dòng)監(jiān)控

(c) PaveCool軟件預(yù)測結(jié)果

(d) 實(shí)測攤鋪碾壓溫度

表5 攤鋪、碾壓溫度及初終壓時(shí)間

從圖3(c)PaveCool預(yù)測的瀝青混合料降溫特性曲線可知，高粘彈改性瀝青超薄罩面混合料的攤鋪溫度應(yīng)控制在165 ℃～175 ℃，在當(dāng)日氣溫不高于20 ℃，風(fēng)速約3 m/s的情況下，從攤鋪開始到終壓結(jié)束時(shí)間應(yīng)不超過20 min。從圖3(d)結(jié)果可知，現(xiàn)場攤鋪碾壓過程中實(shí)測得的混合料表面降溫曲線與PaveCool軟件預(yù)測瀝青混合料降溫特性基本一致。從表5結(jié)果可知，現(xiàn)場施工中按預(yù)測時(shí)間內(nèi)完成終壓，能夠保證壓實(shí)質(zhì)量。

4.3 現(xiàn)場檢測

為驗(yàn)證高粘彈改性瀝青混合料路用性能是否達(dá)標(biāo)，施工完畢后對現(xiàn)場進(jìn)行滲水、構(gòu)造深度、厚度試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

表6 現(xiàn)場檢測結(jié)果

表6現(xiàn)場試驗(yàn)檢測結(jié)果顯示，高粘彈改性瀝青混合料的馬歇爾力學(xué)及體積參數(shù)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)及厚度等主要技術(shù)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求，路用性能良好。

5 結(jié)論

1) 高粘彈復(fù)合改性劑SR-1的最佳摻量為8%，在此摻量下，其低溫延度為普通SBS改性瀝青的2.4倍，粘彈性能提升顯著，60 ℃動(dòng)力粘度大于30×104Pa·s，剪斷30 s時(shí)其彈性恢復(fù)速率為SBS改性瀝青的1.6倍，表明高粘彈改性瀝青的低溫性能、粘彈性能及抗疲勞性能較SBS改性瀝青均有所提高。

2) 摻入高粘彈復(fù)合改性劑SR-1后，其低溫抗裂性和抗疲勞性能分別提升了60.9%、175%，表明高粘彈改性瀝青混合料較SBS改性瀝青混合料具有更優(yōu)異的路用性能。

3) 經(jīng)試驗(yàn)段鋪筑驗(yàn)證，高粘彈改性瀝青混合料超薄罩面的抗滑性能、滲水性能、厚度及構(gòu)造深度均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，在本工程采用該混合料鋪筑可行。