不同養護劑參量對老化瀝青高溫流變性能的影響研究

李敬峰

（廣東晶通公路工程建設集團有限公司，廣東 廣州 510655）

0 引言

隨著我國高速公路的大量建設，許多路面隨著交通量的增加和惡劣環境等諸多因素的綜合作用，在使用較短的時間內，便會發生車轍、松散等大面積的早期損壞，影響路面的使用性能和壽命[1，2]。早期損壞現象損壞特征及損壞機理與一般的瀝青路面破壞不同，早期損壞現象屬于功能性破壞而非結構性破壞[3]，為了延長瀝青路面的使用壽命，需對出現早期損壞現象的路面進行養護處理，使其恢復正常的使用功能。實踐表明在發生早期破壞的瀝青路面中添加適量的養護劑是一種公認的養護措施和手段[4]，破壞老化后的瀝青路面在噴灑養護劑后，養護劑能夠迅速滲入路表，使破壞的老化瀝青路面表層恢復再生，恢復后的性能可達到原有新瀝青性能標準，從而延長瀝青路面的使用壽命。本文針對養護劑的組成及技術特點進行介紹，并采用SHRP標準中動態剪切指標G*/sinδ來評價瀝青膠結料高溫流變性能，采用動態剪切流變儀（DSR）對老化后的瀝青進行不同養護劑參量下的試驗研究。

1 養護劑組成及特點

1.1 養護劑的組分及技術指標

養護劑是一種有輕微揮發性氣味，呈黑色油狀，用于瀝青路面的再生密封保護劑，其主要成份由改性煤焦油瀝青、石油蒸餾液和瀝青活性再生劑（人造樹脂、石油乳劑、經提煉的石油溶劑合成的滲透劑）。其主要化學成份、物化特性和性能（技術）參數如表1～表3所示。

表1 養護劑成份

養護劑的物化特性如表2所示。

表2 養護劑的物化指標

養護劑的技術參數如表3所示。

表3 養護劑的技術參數

1.2 養護劑的特點

養護劑是一種具有極其高效的滲透性的瀝青路面再生保護劑。其特點主要有：

a）有抵抗油類、水、紫外線、化學品侵蝕和抵抗其它有害雜質影響的特性；

b）有不改變瀝青表面結構就能起到密封和再生作用的特性；

c）能滲透到瀝青表層，變成瀝青層整體的一部分與之共同收縮和膨脹，不像普通表面密封劑那樣易于剝落、開裂和脫層，因而具有較強的溫度適應性，十分耐久；

d）它不僅是一種高效密封劑，而且還是一種充滿活性、能滲透瀝青表層，并將瀝青激活的結合劑，可使瀝青路面表層約15mm厚的瀝青的硬化程度和脆性顯著降低，從而可增強瀝青路面的柔韌性和彈性；

e）只有極低的危險性，對環境的影響是極其微弱，是一種綠色環保的瀝青再生劑。

2 瀝青高溫流變性能研究

2.1 瀝青高溫流變性能評價指標

瀝青路面的高溫流動變形問題是世界各國普遍關注的路面損壞形式之一，當前我國現行瀝青針入度分級體系使用等粘溫度（軟化點）和等溫粘度（針入度）來表征瀝青結合料的高溫流變特性，它反映的是某一溫度點的流變特性。實際上，我國的瀝青路面在夏季所要經受的高溫可達到60～70℃。因此，軟化點和針入度都不能反映瀝青在實際使用高溫溫度區間內的流變特性。同時，瀝青結合料的高溫流變特性與瀝青路面的抗車轍性能和行車舒適性密切相關。因此，本文采用SHRP的分級方法對瀝青結合料的使用高溫溫度區間的流變特性進行全面研究，在美國SHRP瀝青結合料使用規范中，瀝青結合料的高溫穩定性是由瀝青的動態剪切流變儀（DSR）試驗得到的復數勁度模量和相位角描述的，SHRP標準中反映高溫穩定性的動態剪切指標為G*/sinδ。

2.2 DSR工作原理簡介

動態剪切流變儀（DSR）就是用來進行動態力學試驗的一種典型儀器[5]。它是通過量測瀝青結合料的復數剪切模量G*和相位角δ來表征瀝青在使用狀態下的粘彈性特性。DSR的基本工作原理如圖1所示，它是把瀝青試樣像三明治一樣夾在兩個平行板之間，通常是下底板固定，通過上面的這一塊平行板給試樣施加速度為10rad/s（角頻率約為1.59Hz），應變約為10%～12%或1%的變形來完成測試，應變大小的選取與瀝青結合料的老化條件有關，對原樣瀝青及RTFO老化后的殘留瀝青在應變值約為10%～12%時進行試驗。RTFOT/PAV老化后的殘留瀝青在大約1%的應變值進行試驗。復數剪切模量G*通常以全剪應力（τmax-τmin）對全剪應變（τmax-τmin）的比值來表示。相位角δ是作為響應的剪切應變對剪切應力的時間滯后，在數值上等于滯后的時間間隔與剪切應力（或剪切應變）的角頻率的乘積，即δ=ω（Δt）。對于絕對彈性材料，荷載作用時，變形同時產生，其相位角δ等于0°；粘性材料在加載和應變響應之間有較大的滯后，相位角δ接近90°。

圖1 DSR基本工作原理

復數剪切模量G*是材料重復剪切變形時總阻力的度量，它包括兩部分：彈性（可恢復）部分和粘性（不可恢復）部分。相位角δ是可恢復與不可恢復變形的相對指標。在大多數情況下，瀝青同時呈現出粘性和彈性性質。通過測試G*和δ，可以了解瀝青在使用狀態下的彈粘性特性。圖2表示兩種有相同G*和不同相位角δ的瀝青材料。瀝青A與瀝青B有相同的復數剪切模量G*，但它們的相位角δ不同，瀝青A比瀝青B彈性要小，而瀝青B比瀝青A粘度要小，如果作用同樣的荷載，瀝青A要比瀝青B呈現較大的永久變形，由于瀝青B的彈性分量較大，它的變形恢復要多一些。由此說明單純用復數剪切模量G*不足以描述瀝青的性能，還必須有相位角δ。美國SHRP規范定義G*/sinδ為車轍因子，其值大表示瀝青的彈性性質顯著，其高溫流變性能越好。

圖2 兩種不同瀝青材料DSR量度

3 不同養護劑參量對高溫流變指標的影響

本文采用基質瀝青作為原瀝青路面使用膠結料，采用車轍因子G*/sinδ來表征瀝青結合料抗永久變形的能力，在路面工作溫度下G*/sinδ的值越大越好，說明其抗高溫流變性能越好，但在用于瀝青路面養護時，需通過動態剪切流變試驗對不同養護劑參量下的老化瀝青試樣進行高溫流變性能研究，判斷養護劑參量對高溫流變性能恢復的影響。為了研究瀝青混合料在早期破壞使用過程中發生的老化現象，本文采用長期老化PAV試驗進行瀝青老化性能模擬，并對老化后的試樣進行DSR試驗分析。本研究中DSR試驗采用應變式控制模式，原樣試樣應變值γ＝12%，短期老化RTFOT后試樣應變值γ＝10%，試驗頻率都為ω=10rad/s。試驗方法為AASHTO標準TP5-93，原樣、RTFOT后動態剪切實驗采用直徑為25mm、厚度為lmm的試樣，試樣結果如表1所示。瀝青G*/sinδ隨養護劑摻量的變化關系如圖3所示。

表1 不同養護劑摻量下DSR試驗結果

表1（續）

圖3 瀝青G*/sinδ隨養護劑摻量的變化關系圖

從DSR試驗可知：a）溫度對瀝青試樣的剪切模量G*、相位角δ以及車轍因子G*/sinδ有著明顯的影響，隨著溫度的升高，瀝青試樣的剪切模量G*不斷降低、相位角δ不斷升高，從而導致車轍因子G*/sinδ隨著溫度的升高而降低，說明隨著溫度的不斷升高，相同條件下，瀝青結合料的抗永久變形的能力不斷降低；b）養護劑的摻入也對瀝青試樣的剪切模量G*、相位角δ以及車轍因子G*/sinδ有著明顯的影響，隨著養護劑摻量的增加車轍因子G*/sinδ較原樣瀝青都有明顯降低，說明養護劑的摻入，改善了老化瀝青的抗永久變形能力；c）養護劑摻量為4%時的G*/sinδ提高到了基質瀝青的水平，車轍因子幾乎和基質瀝青一樣；當養護劑參量增加到8%時，G*/sinδ的值反而變小，說明其高溫穩定性能變差，因此老化瀝青養護劑摻量為4%時已經能夠恢復原有瀝青的高溫性能，為養護劑參量的閥值點。

4 結論

在早期破壞瀝青路面中摻入養護劑，可以使老化的瀝青膠結料恢復原有的瀝青性能，能夠改善瀝青路面的使用功能，延長其使用年限。采用SHRP標準中動態剪切指標G*/sinδ能夠較準確的反映膠結料高溫流變性能，當養護劑參量為4%時，即可使老化的瀝青膠結料恢復到原有的水平，當養護劑參量過多時，反而使瀝青膠結料的高溫流變性能變差。本文研究結果為瀝青路面的養護技術提供一定的參考。

[1]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防[M].1版.北京：人民交通出版社，2001.

[2]楊明，蘇衛國.預防性養護霧封層措施試驗路工程實踐[J].公路，2006，（11）：205-209.

[3]李春雷，張天.一種瀝青路面預防性養護的好方法——瀝青路面封涂層[J].交通標準化，2006，（11）：112-115.

[4]周進川.采用動態剪切流變儀研究SBS改性瀝青高溫流變特性的有關問題探討[J].石油瀝青，2003，（1）：73-75.