硬質瀝青對基質瀝青及混合料性能影響研究

陳 濤

（山西誠達公路勘察設計有限公司 晉中分公司，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來，全球變暖日趨嚴重的交通重載化對瀝青路面提出了嚴峻挑戰。硬質瀝青作為一種剛度高、抗車轍能力強的路面材料逐漸引起學者的廣泛關注。其最早出現于法國，并在歐洲應用廣泛[1]。法國將硬質瀝青主要用于高模量混凝土的開發，以提高混合料模量、抗疲勞性和抗車轍能力[2]。英國主要將硬質瀝青用于長壽命路面結構的設計[3]。芬蘭主要將硬質瀝青用于道路基層和上面層，以分別解決不均勻路基對路面結構的影響和提高面層抵抗車轍能力[4]。硬質瀝青在歐洲的應用證實其可對瀝青及混合料性能有所提升[5-7]，將硬質瀝青或高模量外摻劑用于道路鋪筑是發展趨勢之一[8]。

由于瀝青是一種成分復雜的無定型高分子化合物，許多改性劑與其存在相容性差的缺點。鑒于硬質瀝青的成分、結構與基質瀝青相似度高、相容性好，若將其以外摻改性劑的形式加入到瀝青及混合料中，不僅可減少瀝青用量并可改善路用性能。為考察硬質瀝青對基質瀝青性能的作用規律，筆者將硬質瀝青以不同比例分別加入到基質瀝青中制備出復合瀝青，對復合瀝青及混合料性能進行考察，以期得到硬質瀝青較佳摻量及影響規律，為實際應用提供指導。

1 試驗部分

1.1 主要原材料

試驗用基質瀝青為殼牌90號，硬質瀝青源于澤浩橡膠化工公司，硬質瀝青的性能指標為：25℃針入度 15.4×0.1 mm，軟化點 102.5℃，15℃延度5.8 cm。集料為石灰巖，粗集料性質見表1，細集料性質見表2。

表1 粗集料主要性質

表2 細集料主要性質

1.2 試驗工藝

稱取一定量基質瀝青將其加熱為流動狀態，而后向其內分別加入8%、16%、24%、32%和40%基質瀝青重量的硬質瀝青，混合均勻后制備出不同硬質瀝青摻量的復合瀝青，對上述復合瀝青進行各項性能檢測。黏度測試儀器為Brookfield旋轉黏度計。

2 結果與討論

2.1 硬質瀝青摻量對復合瀝青性能影響

不同硬質瀝青摻量的復合瀝青三大指標情況見表3。整體而言，隨硬質瀝青摻量增加，基質瀝青的高溫性能得到增強，感溫性能得到鈍化，低溫性能逐漸減弱，這與硬質瀝青自身高溫性能優異，低溫性能不佳有關。硬質瀝青的加入對延度指標的影響更為顯著，當摻加16%時延度下降顯著，16%與24%硬質瀝青摻量對瀝青性能的影響差異不大，32%摻量下延度指標只能滿足30號瀝青規范要求。延度指標主要用以反映瀝青的塑性變形能力，其能否用于評價材料低溫性能爭議頗多。為更體現實際，將對不同硬質瀝青摻量的復合瀝青進行混合料性能檢測。

表3 復合瀝青的三大指標

為考察硬質瀝青的加入對瀝青黏度的影響，對制備的復合瀝青進行不同溫度范圍內的黏度測試。表4為復合瀝青黏度與施工溫度。布氏黏度的結果顯示，整體上復合瀝青的黏度隨硬質瀝青摻量的增加呈上升趨勢，這與其能夠提升高溫性能的結論一致。115℃～135℃區間內瀝青黏度呈直線下降，這說明此范圍內存在瀝青的黏彈性轉變。溫度越高瀝青愈呈現出牛頓流體的性質，使得高溫下硬質瀝青摻量對復合瀝青的黏度影響不顯著。由黏溫曲線可得，整體上硬質瀝青的加入提高了復合瀝青的施工溫度。

表4 復合瀝青的黏度與施工溫度

圖1 不同硬質瀝青摻量黏溫曲線

2.2 硬質瀝青摻量對復合瀝青混合料性能影響

通常瀝青混合料性能的優劣更能反映工程實際情況，為此研究中選取AC-20級配對0～40%硬質瀝青摻量下的復合瀝青混合料性能進行檢測。級配曲線見圖2。0～40%硬質瀝青摻量下瀝青混合料的最佳油石比最終確定為4.2%、4.3%、4.3%、4.4%、4.4%和4.5%。

圖2 級配曲線

圖3為混合料動穩定度隨硬質瀝青摻量關系圖。由圖可見，硬質瀝青的加入對復合瀝青混合料的動穩定度影響顯著，混合料抵抗高溫變形能力隨硬質瀝青摻量的增多而增強。硬質瀝青自身重質組分多、體系黏度高的特性有利于抵抗形變，它的出現可提高瀝青模量，摻量越多，混合料抵抗高溫變形能力越強。當摻量達到32%以上時，硬質瀝青對混合料高溫性能的改善效果堪比SBS改性瀝青，且與其他改性劑相比，硬質瀝青更易與基質瀝青混溶，由此避免了常規改性劑與瀝青間易出現離析及穩定性差的缺陷。

圖3 動穩定度隨硬質瀝青摻量關系圖

圖4為混合料破壞應變隨硬質瀝青摻量關系圖。與圖3不同，硬質瀝青對于混合料低溫性能的改善存在最佳摻量。總體而言，混合料破壞應變隨硬質瀝青摻量的增多先升高而后降低。瀝青材料抵抗低溫破壞時與其自身彈性和黏聚力有關。雖然硬質瀝青低溫彈性不佳，但其自身黏聚性好，為此低溫時亦需付出較多能量才能將其破壞，由此導致摻量不大時，硬質瀝青的加入可增強混合料低溫性能。但當摻量過多時，硬質瀝青降低瀝青材料彈性的特點開始占主導，導致低溫性能開始下降。由此使得硬質瀝青可在一定范圍內改善混合料的低溫性能。

圖4 破壞應變隨硬質瀝青摻量關系圖

圖5為混合料凍融劈裂強度比隨硬質瀝青摻量關系圖。通常而言，集料屬性、瀝青材料、瀝青與石料間作用及混合料的空隙率等因素均會對瀝青混合料的水穩定性能產生影響。硬質瀝青的加入可以提升體系的黏度，強化潤濕趨勢，增強與集料間的黏附力，提高抗剝落能力，這有利于改善瀝青與石料間的裹覆，由此使得在一定范圍下混合料水穩定性能隨摻量增加而提高。與低溫性能相同，這種改善存在最優值，原因在于黏度大的瀝青在溫度低的情況下潤濕速度會急速下降，不利于改善黏附效果，從而導致水穩定性開始下降[9]。

圖5 凍融劈裂強度比隨硬質瀝青摻量關系圖

3 結論

a）硬質瀝青能夠以外摻改性劑的形式對瀝青性能進行提升，隨摻加量增多，復合后的瀝青軟化點升高，延度下降，感溫性降低，相同溫度下體系的黏度增加，導致由黏溫曲線和黏度要求確定的施工溫度逐漸升高。

b）硬質瀝青自身重質組分多、模量高、黏度高的特性有利于抵抗形變。因此摻量越多，混合料高溫性能越好。動穩定度結果顯示，研究摻量范圍內的動穩定度結果均可滿足規范對改性瀝青混合料的要求。

c）硬質瀝青自身黏聚性好，可在一定摻量下增強混合料低溫性能，但摻量過高時，硬質瀝青降低材料彈性的特點開始占主導，致使低溫性能下降。因此32%摻量下混合料低溫性能最佳。

d）硬質瀝青高黏的特點提升了瀝青與集料間的黏附力，使得混合料抵抗水損害的能力得以增強。但增黏對水穩定性能的改善有限，原因在于黏度大的瀝青在溫度低的情況下潤濕速度會急速下降，不利于改善黏附效果，使得水分易于浸入導致水穩定性下降。

e）混合料試驗結果表明，研究范圍內，硬質瀝青摻量為32%時混合料性能最佳。