低黏高彈改性瀝青及其混合料性能研究

王 濤，郝增恒，劉 洋，盛興躍，劉 攀，黃 峰

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶市 400074；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶市 401336）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)高速公路建設(shè)事業(yè)突飛猛進(jìn)，高速公路建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步使得高速公路路面結(jié)構(gòu)的承載力和使用壽命都得到了有效提高[1]。然而，由于重載交通和超載現(xiàn)象頻發(fā)，瀝青路面的使用功能快速下降，且衰減嚴(yán)重，對(duì)車輛行駛的安全性和舒適性造成極大的影響，給我國(guó)高速公路的養(yǎng)護(hù)和管理提出了新挑戰(zhàn)。近年來，一種新的路面養(yǎng)護(hù)理念即預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)被提出，并在眾多項(xiàng)目中得到實(shí)施運(yùn)用。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)對(duì)于保持或改進(jìn)路面功能狀況、延緩損壞和延長(zhǎng)使用壽命、節(jié)約養(yǎng)護(hù)維修成本具有重要意義[2]。

目前，國(guó)內(nèi)常用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)大致分為霧封層技術(shù)、微表處技術(shù)和超薄磨耗層技術(shù)3種[3]。

霧封層技術(shù)造價(jià)低、施工快捷、對(duì)交通影響小，但耐磨性、遮蓋力不足。微表處技術(shù)具有防水、耐磨、價(jià)格相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，但存在易開裂、易脫落、行車舒適性差、噪音高等問題。超薄磨耗層技術(shù)能夠有效修復(fù)路面病害，還能提高路面平整度，延長(zhǎng)路面使用周期，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

本文對(duì)標(biāo)目前市場(chǎng)上已有的超薄磨耗層技術(shù)，將自主研發(fā)的低黏高彈改性瀝青用于高彈高強(qiáng)瀝青超薄罩面，旨在提高超薄罩面的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)大幅提高其低溫抗裂性和疲勞性能，不僅從路用性能和舒適性方面滿足預(yù)養(yǎng)護(hù)的需求，并且降低成本。為此，本文對(duì)低黏高彈改性瀝青的性能進(jìn)行全面測(cè)試，同時(shí)對(duì)低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為高性能瀝青超薄罩面技術(shù)開發(fā)提供一定的參考。

1 低黏高彈改性瀝青膠結(jié)料性能測(cè)試

1.1 常規(guī)指標(biāo)分析

瀝青性質(zhì)是影響瀝青路面服務(wù)性能和使用壽命的重要因素[4]。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），對(duì)低黏高彈改性瀝青進(jìn)行各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 低黏高彈改性瀝青各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)

由表1可知，低黏高彈改性瀝青軟化點(diǎn)達(dá)86℃，表明其具有良好的高溫穩(wěn)定性，有利于提升路面的抗車轍能力。低黏高彈改性瀝青的5℃延度為71 cm，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后，低黏高彈改性瀝青的延度仍有37 cm，表明其具備優(yōu)異的柔韌性和抵抗低溫開裂的能力，且抗老化性能良好。低黏高彈改性瀝青的彈性回復(fù)率達(dá)到98%，表明其具有高彈性。另外，低黏高彈改性瀝青的135℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度僅為1.05 Pa·s，施工和易性良好。

1.2 高溫性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)是評(píng)價(jià)瀝青流變性能最常用的試驗(yàn)方法[5]。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)低黏高彈改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)。分別選取原樣瀝青和老化瀝青，應(yīng)變控制為12%，頻率為10 rad/s，溫度46～82℃（梯度為6℃）。瀝青試樣見圖1，試驗(yàn)操作界面見圖2，老化前后低黏高彈改性瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果見圖3。

圖1 瀝青試樣

圖2 試驗(yàn)操作界面

由圖3可見，隨著溫度的升高，原樣瀝青、老化瀝青的復(fù)數(shù)模量和車轍因子均急速下降，之后逐漸趨于平緩，這表明溫度越高對(duì)瀝青的高溫抗車轍性能越不利。經(jīng)過短期老化后，低黏高彈改性瀝青的復(fù)數(shù)模量和車轍因子均明顯增大，說明老化后瀝青中的輕質(zhì)組分向重組分轉(zhuǎn)變，流動(dòng)性有所降低，瀝青變硬，高溫抗變形能力增強(qiáng)[6]。但在老化前后，復(fù)數(shù)模量和車轍因子隨溫度的變化規(guī)律基本保持一致。相位角隨著溫度的升高呈現(xiàn)先略微減小隨后增大的趨勢(shì)，這是由于隨著溫度的升高，瀝青中的彈性部分更多地轉(zhuǎn)化為黏性部分，應(yīng)力應(yīng)變滯后效應(yīng)也隨之變得更加明顯，并且隨著溫度的升高而達(dá)到最大值。在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)，低黏高彈改性瀝青的相位角相對(duì)較小且變化范圍不大。

圖3 老化前后低黏高彈改性瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

在76℃時(shí)，原樣瀝青和老化瀝青的車轍因子分別為1.2 kPa和2.2 kPa，參照美國(guó)Superpave瀝青結(jié)合料規(guī)范[7]，該低黏高彈改性瀝青的分級(jí)為PG76，表明其具有良好的高溫流變性能。我國(guó)夏季炎熱時(shí)的高溫范圍大部分在40～70℃，該瀝青高溫等級(jí)能夠滿足高溫性能的需要[8]。

1.3 低溫性能測(cè)試

延度試驗(yàn)反映的是瀝青膠結(jié)料在某一特定溫度下的柔性，并不能真實(shí)反映路面實(shí)際使用時(shí)瀝青膠結(jié)料的低溫特性[9]，因此參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)低黏高彈改性瀝青進(jìn)行彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，以便進(jìn)一步評(píng)價(jià)其低溫性能。同樣選取原樣瀝青和老化瀝青進(jìn)行試驗(yàn)。彎曲梁流變?cè)囼?yàn)過程見圖4，低黏高彈改性瀝青的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果（蠕變勁度模量S、蠕變速率m值）見表2。

圖4 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

表2 低黏高彈改性瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由表2可知，老化前后，低黏高彈改性瀝青的蠕變勁度模量均隨著溫度的降低而增大，蠕變速率m值隨著溫度的降低而減小。瀝青的蠕變勁度模量增大，蠕變速率減小，表明瀝青的低溫性能降低，老化過程中的物化反映削弱了改性瀝青的低溫抗裂性能[9]。依據(jù)SHRP計(jì)劃中PG分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)[7]，老化前后低黏高彈改性瀝青的低溫溫度都達(dá)到-18℃，表明改性瀝青的低溫抗裂性能優(yōu)良，其PG分級(jí)為PG76-18。

由表4可知，相應(yīng)于穩(wěn)定度最大值、密度最大值、目標(biāo)空隙率的油石比分別為5.3%、5.5%和5.3%，取三者均值，得到最佳油石比OAC1=5.4%。其中OACmin=5.2%，OACmax=5.5%，從而得到OAC2=5.4%。最終得到低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的最佳油石比OAC=5.4%。

表4 低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4 低黏高彈改性瀝青混合料路用性能測(cè)試

為測(cè)試低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的路用性能，采用上述確定的級(jí)配和最佳油石比成型瀝青混合料，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、擺值試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等，測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的技術(shù)指標(biāo)

2 低黏高彈改性瀝青混合料組成設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證低黏高彈改性瀝青混合料的路用性能，采用一種易密實(shí)級(jí)配（簡(jiǎn)稱EMC-10）成型瀝青混合料，進(jìn)行瀝青混合料組成設(shè)計(jì)，并評(píng)價(jià)低黏高彈改性瀝青混合料的路用性能。

2.1 原材料

集料采用5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm 3檔玄武巖碎石，填料采用石灰石磨細(xì)的礦粉。集料與礦粉性質(zhì)均符合《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。

2.2 級(jí)配和最佳油石比設(shè)計(jì)

EMC-10合成級(jí)配見表3。采用0.3%間隔變化，分別選擇油石比4.6%、4.9%、5.2%、5.5%、5.8%成型5組瀝青混合料，測(cè)試各組瀝青混合料試件的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩(wěn)定度及流值，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 EMC-10合成級(jí)配 單位：%

由表5可知，低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到7.6 kN，表明其具有較好的承受荷載能力。同時(shí)，EMC-10的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到4 544次/mm，表明其具有一定的抗高溫車轍能力，可滿足夏季炎熱地區(qū)路面使用所需的技術(shù)要求。EMC-10的殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別為91.9%和92.1%，水穩(wěn)定性良好。EMC-10的最大彎拉應(yīng)變達(dá)到了3 573μm/m，具備優(yōu)異的低溫抗裂性能，可適用于寒冷地區(qū)。EMC-10的擺值達(dá)到75，抗滑性能優(yōu)異。標(biāo)載下，EMC-10的四點(diǎn)彎曲疲勞次數(shù)大于100萬(wàn)次，具有極為優(yōu)異的疲勞性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）低黏高彈改性瀝青具有高軟化點(diǎn)、高彈性、高延性、低黏度，其中軟化點(diǎn)達(dá)到86℃，彈性恢復(fù)達(dá)到98%，5℃延度達(dá)到71 cm，135℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度僅為1.05 Pa·s，具有良好的高溫穩(wěn)定性及抵抗低溫開裂的能力，同時(shí)具有良好的施工和易性。動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)表明，低黏高彈改性瀝青的PG分級(jí)為PG76-18，完全能夠滿足高溫性能和低溫性能的需要。

（2）低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到4 544次/mm，殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均大于90%，擺值達(dá)到75，具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及抗滑性能。其中，EMC-10的最大彎拉應(yīng)變達(dá)到3 573μm/m，在標(biāo)載下的四點(diǎn)彎曲疲勞次數(shù)大于100萬(wàn)次，具有優(yōu)異的低溫抗裂性和疲勞性能。

（3）高彈高強(qiáng)超薄罩面路面舒適，耐久性更優(yōu)，成本相對(duì)較低，推廣應(yīng)用前景良好，可適用于養(yǎng)護(hù)資金缺乏的二級(jí)及以下公路，以及氣候寒冷地區(qū)和需要冬季施工的地區(qū)。