高黏度改性瀝青研制與應用

辛潤勤，李智慧

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

高黏度改性瀝青，是指60℃的動力黏度在20 000 Pa·s以上的瀝青[1]，能顯著提高混合料的抗變形能力，使集料與瀝青的黏結性得到有效的改善，在環境溫度變化較大時對粗集料骨架結構產生足夠的約束和限制[2]，同時具有優異抗老化性能。高黏度改性瀝青目前主要用于排水性瀝青路面，日本在排水路面應用方面走在世界前列。我國高黏度改性瀝青的標準[3]也是參照日本規范，其中60℃黏度及黏韌性是瀝青黏度的重要指標[4]。

在鋼箱梁橋面的鋪裝方面，利用進口高黏度改性瀝青制備的SMA混合料在國內的廣東虎門大橋、廣東崖門大橋、汕頭宕石大橋、廈門海滄大橋、重慶鵝公巖大橋、武漢白沙洲大橋等橋面鋪裝工程中應用[5-6]，經過夏季高達70℃高溫考驗以及繁重的交通，使用狀況良好。

山西省內有大量的長大縱坡路段，瀝青面層結構承受水平力和垂直荷載的組合外力作用；載重車輛在大縱坡路段上的行駛速度不超過40 km/h，不到平坡路段行駛速度的一半，對大縱坡路段瀝青面層的實際加載時間延長。在炎熱季節車轍、推移、擁包等病害較為嚴重。針對山西省交通特點，為了利用高黏度改性瀝青的特殊性能緩解長大縱坡瀝青路面破壞難題，本文進行高黏度改性瀝青的研制和應用研究。

1 瀝青黏度

基質瀝青采用遼寧盤錦90號重交通瀝青；SBS改性劑為中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司生產；增黏樹脂為市售。

將基質瀝青加熱到170℃，將一定比例的改性劑緩慢投入容器內，機械攪拌溶脹20 min后高速剪切45 min，溫度不高于180℃。停止剪切后保持溫度在170℃以上繼續機械攪拌，發育不少于30 min。改性劑用量較高時，剪切時間和發育時間必須相應延長。SBS采用內摻法，不同用量時改性瀝青指標見表1，并采用瀝青PG分級技術對各種瀝青進行了分級。

表1 不同SBS用量的改性瀝青指標 %

隨著SBS用量增加，改性瀝青針入度逐漸降低，但幅度趨緩；軟化點、5℃延度逐漸升高，但幅度趨緩；動力黏度與運動黏度則迅速增加，呈倍數增長。PG分級也顯示，改性瀝青高溫穩定性能明顯提高。當SBS用量為8%及其以上時，動力黏度達到了高黏度改性瀝青要求，但運動黏度超過3 Pa·s，由于黏度過高，將給實際生產、施工泵送帶來困難，同時加上SBS價格昂貴，采用高比例用量經濟性較差。因此必須在SBS改性瀝青的基礎上，輔以增黏樹脂進行復合改性。表2為SBS與增黏樹脂復合改性的瀝青試驗結果。

表2 SBS與增黏樹脂復合改性瀝青指標

增黏樹脂具有提高動力黏度、降低運動黏度的雙重作用，其市場價格只是SBS的一半，與SBS配合使用既能大幅度降低成本，還能最大程度發揮各自的優勢。

2 瀝青黏韌性

高黏度改性瀝青還有黏韌性指標的要求。國內對瀝青黏韌性研究很少，該指標在日本非常受到重視。根據日本的研究，瀝青的黏韌性影響瀝青混合料的抗剝離性能、脆性和高溫穩定性，提高黏韌性能夠防止骨料松散、改善抗滑能力以及抗車轍能力[7]。黏韌性試驗在1974年被日本橡膠協會定為標準，并收入日本道路協會鋪裝試驗法便覽。日本瀝青路面鋪裝要綱的改性瀝青標準中正式列入了黏韌性指標，用以評價瀝青改性效果[8]。

根據試驗規程[9]，黏韌性試驗荷載—變形曲線如圖1，瀝青韌性=曲線CDEF的面積，單位為N·m；瀝青黏韌性=曲線ABCDF的面積，單位為N·m。根據黏韌性試驗原理，本文提出瀝青“黏結性”的概念，瀝青黏結性=曲線ABCE的面積=瀝青黏韌性－瀝青韌性，單位為N·m。瀝青黏結性為瀝青的黏結性部分，表現為力值較大，變形較小；瀝青的韌性為瀝青的彈性部分，表現為力值較小，變形較大。瀝青是典型的黏彈性材料，在黏韌性試驗中會同時表現出兩種性質。

圖1 黏韌性試驗荷載—變形曲線

本文中的部分改性瀝青黏韌性試驗結果見表3。

表3 改性瀝青黏韌性試驗結果

SBS用量從0%增加到6%，黏韌性和韌性逐漸增加，但是黏結性幾乎沒有變化，峰值拉力也增加較小。說明SBS對基質瀝青的改性作用，主要體現在提高瀝青彈性方面，在提高黏結強度方面貢獻較少。當SBS用量為8%及其以上時，黏韌性、韌性、黏結性、峰值拉力開始降低，表明此時改性瀝青內部的改性劑聚集態發生轉變，由自由分散狀態轉變為凝結聚集狀態，內聚力增大，改性瀝青流動性下降，依靠SBS形成的網狀結構變形吸收能量的作用被削弱。由于黏韌性試驗拉伸速度很快（500 mm/min），改性瀝青未能及時產生相應位移，導致不易再被拉伸，而且斷裂較快。黏韌性—SBS用量的關系曲線上存在峰值點，SBS用量并不是越高越好。表3中還表明樹脂能夠顯著提高瀝青的黏韌性能，黏韌性和韌性分別提高了19%和23%。

3 工程應用

高黏度改性瀝青試驗路段位于大同至渾源高速公路路面工程在渾源—大同方向大縱坡路段。試驗路段設計為兩種結構，見表4。

表4 試驗路段設計結構

高黏度改性瀝青采用現場加工方式，中標供應商提供的基質瀝青為加德士90號道路A級石油瀝青，采用SBS與增黏樹脂復合改性技術，改性劑用量進行了微調，最終制備的高黏度改性瀝青指標見表5，高黏度改性瀝青混合料路用性能見表6。

表5 高黏度改性瀝青指標

表6 高黏度改性瀝青混合料路用性能

試驗路段于2011年施工完畢并投入使用，經過近3年的高溫重載、低溫雪凍，目前無車轍無裂紋無坑槽，是預防長大縱坡病害頑疾的一個典范。其長期使用性能仍在密切監測中。

4 結論

a）隨著SBS用量增加，改性瀝青動力黏度、運動黏度均呈倍數增長，黏韌性先增加后降低。

b）增黏樹脂能夠有效提高SBS改性瀝青動力黏度，降低運動黏度，提高黏韌性。

c）采用SBS與增黏樹脂復合改性是制備高黏度改性瀝青的一種有效方法，高黏度改性瀝青混合料路用性能優異，長期使用性能還待觀察。