新型高強(qiáng)瀝青SHRP試驗(yàn)及混合料抗水侵蝕性能研究*

陳其龍，覃峰，靳衛(wèi)華，唐雙美

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530216；2.廣西南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530000；3.中遠(yuǎn)海運(yùn)國際貿(mào)易有限公司，北京 100029 )

SHRP試驗(yàn)將瀝青路面的路用性能與室內(nèi)研究建立直觀聯(lián)系，將瀝青的基本性能與其所處環(huán)境相結(jié)合，評價(jià)瀝青路面的綜合性能。柳葉芳等在瀝青中摻入不同摻量巖瀝青制成巖瀝青改性瀝青進(jìn)行SHRP試驗(yàn),結(jié)果顯示在瀝青中添加適量巖瀝青,瀝青膠結(jié)料的抗車轍因子、抗疲勞因子及運(yùn)動(dòng)黏度顯著提高,PG高溫等級提高近2個(gè)等級，但低溫性能有所下降,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格控制巖瀝青摻量。趙曉康等對6種不同油源及標(biāo)號的石油瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR),綜合評價(jià)各瀝青結(jié)合料的高溫性能及抗疲勞性能,并將其與國內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,探究SHRP試驗(yàn)指標(biāo)與國內(nèi)瀝青常規(guī)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果表明SHRP試驗(yàn)指標(biāo)可將瀝青性質(zhì)與路用性能結(jié)合起來,能更好地反映瀝青材料的路用性能。李海軍等通過SHRP瀝青膠結(jié)料試驗(yàn),基于瀝青路用性能的流變力學(xué)條件,測試不同標(biāo)號、不同老化程度道路瀝青在一定溫度范圍內(nèi)的性能，結(jié)果表明膠結(jié)料高溫指標(biāo)(車轍因子)對不同標(biāo)號瀝青的響應(yīng)程度比低溫指標(biāo)(勁度模量)大,與針入度試驗(yàn)方法相比,在評定石油瀝青低溫性能量度方面,SHRP方法的溫度分級量度偏大。該文將高強(qiáng)改性劑和自行研制的抗車轍劑加入70#Esso重交基質(zhì)瀝青中得到新型高強(qiáng)改性瀝青，并對其進(jìn)行SHRP試驗(yàn)及瀝青混合料抗水侵蝕性能研究，評價(jià)新型高強(qiáng)瀝青膠結(jié)料的高溫性能、抗疲勞性能及抗水侵蝕性能。

1 試驗(yàn)原料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用70#Esso重交瀝青，其基本性能指標(biāo)見表1。

表1 70#Esso重交瀝青的性能指標(biāo)

1.2 高強(qiáng)改性劑

高強(qiáng)改性劑的主要性能指標(biāo)見表2。該改性劑最大程度上避免了無效組分的負(fù)作用，可大幅改善瀝青的高溫性能，且對瀝青各項(xiàng)性能的改善效果較均衡，還能減輕改性瀝青在生產(chǎn)過程中的老化現(xiàn)象。

表2 高強(qiáng)改性劑的性能指標(biāo)

1.3 自行研制的抗車轍劑

抗車轍劑由多種改性劑復(fù)配而成，其性能指標(biāo)見表3，具有高軟化點(diǎn)、高溶解度、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，與70#Esso重交瀝青具有良好的互溶性。

表3 抗車轍劑的性能指標(biāo)

1.4 集料及填料

粗集料由石灰?guī)r加工而成，分為15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm 4種規(guī)格；細(xì)集料為由石灰?guī)r加工而成的石屑(0～3 mm)；填料采用由石灰?guī)r碎石磨細(xì)的礦粉。其性能指標(biāo)見表4，均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

表4 礦料的性能指標(biāo)

2 試樣制備

2.1 新型高強(qiáng)瀝青試樣制備

將70#Esso重交瀝青加熱到180 ℃,按比例分別添加高強(qiáng)改性劑和抗車轍劑(添加時(shí)間間隔0.5 h,給予瀝青充分的發(fā)育時(shí)間),使用剪切機(jī)高速旋轉(zhuǎn)剪切,使高強(qiáng)改性劑和抗車轍劑均勻分散到基質(zhì)瀝青中。各改性劑與添加劑相對于70#Esso重交瀝青的質(zhì)量比如下：高強(qiáng)改性劑為1.5%～18%；抗車轍劑為1%～10%；穩(wěn)定劑為0.1%～5%；助溶劑為1%～10%。

70#Esso重交瀝青的價(jià)格為3 000元/t，高強(qiáng)改性劑的價(jià)格為12 000元/t，自行研制的抗車轍劑的價(jià)格為8 000元/t，自行研制的穩(wěn)定劑的價(jià)格為6 900元/t，助溶劑的價(jià)格為35 000元/t。根據(jù)上述配方，新型高強(qiáng)瀝青的價(jià)格為5 500元/t，加上人工及運(yùn)輸費(fèi)用，新型高強(qiáng)瀝青的價(jià)格為6 000元/t，與進(jìn)口高強(qiáng)瀝青(13 000元/t)相比具有明顯優(yōu)勢。

2.2 SHRP試樣制備

按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求制作SHRP試樣。DSR試樣制備：將新型高強(qiáng)瀝青在烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)后澆筑至試驗(yàn)板中心處，待高強(qiáng)瀝青變硬后將試驗(yàn)板裝回流變儀。低溫小梁彎曲試驗(yàn)(BBR)試樣制備：將新型高強(qiáng)瀝青在烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)后澆筑至金屬試模中，冷卻至室溫后切掉高出模具頂端的部分，得到BBR試樣。將新型高強(qiáng)瀝青加熱至203 ℃并保持40 min，制得旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)試樣。

2.3 混合料試樣制備

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，將配置好的新型高強(qiáng)瀝青混合料以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的方式成型試樣，再以4.30%的油石比制備浸水馬歇爾試樣、凍融劈裂試樣、浸水車轍試樣。

3 瀝青SHRP試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 DSR 試驗(yàn)分析

通過DSR試驗(yàn)測試新型高強(qiáng)瀝青膠結(jié)料的流變性能。先將原樣新型高強(qiáng)瀝青、SBS改性瀝青、70#Esso重交瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)，試驗(yàn)板板徑為25 mm,試驗(yàn)間隙為1 mm，試驗(yàn)頻率為10 rad/s,應(yīng)變?yōu)?2%，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2；然后對新型高強(qiáng)瀝青RTFOT試驗(yàn)后的殘留物進(jìn)行DSR試驗(yàn)，試驗(yàn)板板徑為25 mm,試驗(yàn)間隙為1 mm，試驗(yàn)頻率為10 rad/s,應(yīng)變?yōu)?0%，試驗(yàn)結(jié)果見圖3；最后將 RTFOT試驗(yàn)后殘留物經(jīng)PAV老化后進(jìn)行DSR試驗(yàn)，試驗(yàn)板板徑為8 mm,試驗(yàn)間隙為2 mm，試驗(yàn)頻率為10 rad/s,應(yīng)變?yōu)?%，試驗(yàn)結(jié)果見表5。表6 為不同類型瀝青的PG高溫等級。

表6 不同類型瀝青的PG高溫等級

圖2 原樣新型高強(qiáng)瀝青不同溫度下的抗車轍因子

圖3 新型高強(qiáng)瀝青RTFOT后殘留物的抗車轍因子

由圖1～3、表5～6可知：1) 相同試驗(yàn)溫度(50 ℃或60 ℃)下，新型高強(qiáng)瀝青的抗車轍因子高于SBS改性瀝青和70#Esso重交瀝青，其高溫性能和流變性能更優(yōu)，更適用于中國南方高溫地區(qū)。2) 原樣高強(qiáng)瀝青在60 ℃下的抗車轍因子是試驗(yàn)溫度76 ℃下抗車轍因子的4.11倍，而試驗(yàn)溫度82 ℃下抗車轍因子僅為60 ℃下抗車轍因子的12.19%，說明高強(qiáng)瀝青的溫感性能較強(qiáng)，其彈性恢復(fù)能力隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低。3) 同一溫度等級下，原樣高強(qiáng)瀝青和 RTFOT 老化后高強(qiáng)瀝青的抗車轍因子都隨著溫度的上升而下降，且RTFOT 老化后高強(qiáng)瀝青的抗車轍因子比原樣高強(qiáng)瀝青的小，說明RTFOT老化后高強(qiáng)瀝青的彈性恢復(fù)能力不斷減小，抗車轍能力不斷弱化。4) 溫度下降時(shí)，高強(qiáng)瀝青的復(fù)合模數(shù)上升，相位角下降，且抗疲勞因子小于5 000 kPa，說明高強(qiáng)瀝青的疲勞損傷發(fā)展緩慢，其抗疲勞性能優(yōu)異。5) 高強(qiáng)瀝青的PG高溫等級比SBS改性瀝青提高2個(gè)等級，比70#Esso重交瀝青提高3個(gè)等級，其高溫性能優(yōu)異。

圖1 不同類型原樣瀝青的抗車轍因子

表5 PAV殘留物DSR試驗(yàn)結(jié)果

3.2 BBR 試驗(yàn)分析

瀝青在低溫環(huán)境下表現(xiàn)為彈性體,如果瀝青的蠕變勁度很大,瀝青會(huì)呈現(xiàn)脆性狀態(tài),瀝青路面容易開裂。為防止瀝青路面開裂破壞,需限制瀝青的蠕變勁度。參照Superpave規(guī)范，分別對原樣新型高強(qiáng)瀝青、RTFOT老化后高強(qiáng)瀝青及PAV老化后高強(qiáng)瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 新型高強(qiáng)瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

從表7可看出：1)原樣、RTFOT 老化和PAV老化后新型高強(qiáng)瀝青在試驗(yàn)溫度-12 ℃時(shí)的M值均符合規(guī)范要求(≥0.3)，但試驗(yàn)溫度為-18 ℃時(shí)3種狀態(tài)瀝青的M值均不滿足要求，說明經(jīng)過老化后高強(qiáng)瀝青的低溫性能變化幅度不大。2) -12 ℃時(shí)，原樣、RTFOT老化后和PAV老化后新型高強(qiáng)瀝青的PG低溫等級均為-22 ℃，沒有變化。

3.3 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)分析

參照AASHTO-T316方法對3種瀝青進(jìn)行布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同類型瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果

從表8可以看出：不同品種瀝青在試驗(yàn)溫度135 ℃下的布氏黏度均小于3 Pa·s，符合規(guī)范要求；高強(qiáng)瀝青的布氏黏度為2.980 Pa·s，高于其他2種瀝青，在70#Esso重交瀝青中加入高強(qiáng)改性劑和抗車轍劑會(huì)大大增強(qiáng)其黏性。

4 瀝青混合料抗水侵蝕性能試驗(yàn)研究

4.1 級配設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行瀝青混合料級配設(shè)計(jì)，結(jié)果見表9。

表9 AC-20瀝青混合料級配設(shè)計(jì)

4.2 馬歇爾試驗(yàn)分析

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀分別成型新型高強(qiáng)瀝青、SBS改性瀝青混合料試件，試樣冷卻24 h后進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表10可知：新型高強(qiáng)瀝青混合料的穩(wěn)定度高于SBS改性瀝青混合料。穩(wěn)定度是反映混合料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，表征混合料抵抗破壞的能力,也是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)。新型高強(qiáng)瀝青混合料的穩(wěn)定度提高，表明添加高強(qiáng)改性劑和抗車轍劑可在一定程度上提高混合料的高溫性能。

4.3 浸水馬歇爾試驗(yàn)分析

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》分別成型2種瀝青混合料馬歇爾試件,冷卻24 h后脫模，在60 ℃±0.5 ℃恒溫水浴中浸泡48 h后進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，測定其穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表11可知：新型高強(qiáng)瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度是SBS改性瀝青混合料的1.02倍，說明加入高強(qiáng)改性劑能提高混合料的力學(xué)性能。

4.4 凍融劈裂試驗(yàn)分析

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》分別成型2種瀝青混合料凍融劈裂試件，每種混合料采用8個(gè)試樣，隨機(jī)分成2組。第一組室溫下保存，第二組進(jìn)行真空飽水后放入-18 ℃±2 ℃冰箱中冷凍16 h±1 h后再放入60 ℃±0.5 ℃恒溫水箱中保溫24 h，最后將2組試樣一起放入25 ℃±0.5 ℃恒溫水槽中不少于2 h，然后進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，測試其抗拉劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

由表12可知：凍融前后新型高強(qiáng)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度均比SBS改性瀝青大,說明加入高強(qiáng)改性劑可有效提高混合料的劈裂強(qiáng)度。

表12 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

4．5 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

進(jìn)行不浸水車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度(60±1) ℃,荷載輪壓(0.7±0.05) MPa,作用時(shí)間60 min，試驗(yàn)結(jié)果見表13。

表13 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表13可知：新型高強(qiáng)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度高于SBS改性瀝青混合料，其高溫穩(wěn)定性優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

5 結(jié)論

(1) 原樣新型高強(qiáng)瀝青在試驗(yàn)溫度60 ℃下的抗車轍因子是試驗(yàn)溫度76 ℃下抗車轍因子的4.11倍，而試驗(yàn)溫度82 ℃下抗車轍因子僅為試驗(yàn)溫度60 ℃下抗車轍因子的12.19%，說明新型高強(qiáng)瀝青的溫感性能較強(qiáng)，其彈性恢復(fù)能力隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低。

(2) 溫度下降時(shí)，新型高強(qiáng)瀝青的復(fù)合模數(shù)上升，相位角下降，且抗疲勞因子均小于5 000 kPa，說明新型高強(qiáng)瀝青的疲勞損傷發(fā)展緩慢，其抗疲勞性能優(yōu)異。

(3) 新型高強(qiáng)瀝青的PG高溫等級比SBS改性瀝青提高2個(gè)等級，比70#Esso重交瀝青提高3個(gè)等級；其PG低溫等級均為-22 ℃，沒有變化。

(4) 新型高強(qiáng)瀝青的布氏黏度為2.980 Pa·s，略小于規(guī)范要求的3.000 Pa·s，高于SBS改性瀝青和70#Esso重交瀝青，說明在70#Esso重交瀝青中加入高強(qiáng)改性劑和抗車轍劑會(huì)大大增強(qiáng)瀝青的黏性，其工作性能有所降低，但不影響其正常工作。

(5) 高溫性能、抗水損害性能方面，新型高強(qiáng)瀝青混合料優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

(6) 進(jìn)口高強(qiáng)瀝青的成本為13 000 元/t，新型高強(qiáng)瀝青的成本為6 000 元/t，僅為進(jìn)口高強(qiáng)瀝青的46.15%,新型高強(qiáng)瀝青具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。