抗扭轉(zhuǎn)型高黏度改性瀝青的研發(fā)與性能評價

王強，姚鴻儒，李健，牛曉偉，曹亞東

（1.上海公路橋梁（集團）有限公司，上海 200433 2.上海城建日瀝特種瀝青有限公司，上海 200231）

排水瀝青路面作為一種安全降噪的環(huán)境友好型生態(tài)路面，在國外已有大量應(yīng)用，在國內(nèi)也有長時間的實踐，但一直沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。究其原因，在于排水瀝青鋪裝特殊的骨架空隙結(jié)構(gòu)，要求瀝青膠結(jié)料具有優(yōu)異的黏韌性、耐老化、抗飛散等性能，雖然高黏度改性瀝青技術(shù)已相當成熟，但還存在一些問題。在交叉口轉(zhuǎn)彎車輛多，排水路面細集料少，路面承受剪切扭轉(zhuǎn)力的共同作用，容易發(fā)生飛散現(xiàn)象[1]。且車輛經(jīng)過交叉口時，車速較慢，路面更容易出現(xiàn)車轍損壞。因此排水性路面交叉口需要特殊設(shè)計，提高路面抗剪切扭轉(zhuǎn)變形能力以及抗荷載能力。以下幾個方案可有效應(yīng)對排水路面交叉口病害情況：

（1） 在交叉口區(qū)域采用抗荷載性能更佳的SMA 或AC 級配瀝青混合料。損失了鋪裝的一致性和排水瀝青鋪裝的排水降噪功能，但成本較低。

（2） 降低排水瀝青鋪裝的空隙率，從通常的20%降低到17%。在保有排水降噪功能的同時提高了抗飛散能力，成本基本一致。但如果是有重載交通的場所，此方案的提升能力有限。

（3） 采用環(huán)氧瀝青的排水瀝青鋪裝。反應(yīng)性的環(huán)氧瀝青樹脂提高了混合料的強度，保證功能性的同時提高了抗飛散能力，但成本很高，且對施工作業(yè)的要求很高。此外，由于是熱固性材料，將來銑刨后的回收料難以循環(huán)利用，而且環(huán)氧瀝青混合料容易發(fā)生開裂。

（4）表面強化工藝（TopCoat）。采用甲基丙烯酸甲酯（MMA）之類的樹脂材料涂布在排水瀝青鋪裝表面，此方案基本不降低排水瀝青路面的功能性，且具有很好的抑制飛散的效果。添加了顏料的MMA 使鋪裝變成彩色鋪裝，具有景觀和標識的效果。但是，TopCoat 一般難以與瀝青混合料同時施工，需要額外的封交時間和養(yǎng)生時間，而且有難聞的氣味。

（5） 半柔性鋪裝，在瀝青混合料母體中摻加剛性材料水泥砂漿或灌注水泥砂漿，能夠提高瀝青混合料的抗車轍能力，同時改善瀝青混合料的低溫抗裂性和耐久性。此種路面結(jié)構(gòu)通過骨料之間的相互嵌擠作用和灌入的水泥膠漿共同形成材料強度，提高了路面抵抗荷載作用的能力。但與TopCoat 一樣，需要額外的封交時間和養(yǎng)生時間，而且成本較高。

（6） 采用性能更優(yōu)的高黏度改性瀝青，既保證了交叉口具有良好的抵抗交通荷載的能力，同時還可保證交叉口路面的排水性能，而且具有很好的抗開裂能力。

對比以上幾種方法，半柔性鋪裝和密級配的瀝青混合料都是犧牲了交叉口處的排水性能來提高其抗扭轉(zhuǎn)能力，這違背了排水瀝青鋪裝的初衷；半柔性鋪裝和TopCoat 需要在原來的排水瀝青鋪裝之后再增加一道工序，工期更長。因此推薦第六種方法，從膠結(jié)料的角度改善排水瀝青鋪裝的抗扭轉(zhuǎn)飛散能力。為此本研究開發(fā)了一種專門用于交叉口、匝道等小轉(zhuǎn)彎半徑處的抗扭轉(zhuǎn)性能更優(yōu)的高黏度改性瀝青，即抗扭轉(zhuǎn)型高黏度改性瀝青（以下稱抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青），并評價其混合料路用性能。

日本對排水瀝青鋪裝研究和應(yīng)用較多，目前已將高黏度改性瀝青列入規(guī)范[2]。但抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青還屬于標準外產(chǎn)品。東亞道路、日瀝、大有等公司開發(fā)了抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青，其公司標準如表1。

表1 日本抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青技術(shù)要求

由表1可知，日本幾家公司的抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青技術(shù)要求基本一致，25 ℃針入度控制在10～30 1/10 mm，黏韌性的測試溫度為40 ℃。通過參考日本的技術(shù)指標，開發(fā)抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青，研究影響排水瀝青混合料抗扭轉(zhuǎn)性能的關(guān)鍵指標，并采用旋回式車轍試驗和靜扭試驗評價其抗扭轉(zhuǎn)性能。

1 試驗方法

改性瀝青的針入度、軟化點、延度、薄膜加熱老化、閃點、黏韌性、與粗集料的剝離面積率分別按照T0604、T0606、T0605、T0609、T0611、T0624、T0616 測試[3]；-20 ℃彎曲工作量試驗方法參考DB 32/T 2678—2014 附錄F[4]。瀝青混合料的動穩(wěn)定度按照T0719 測試[3]。

1.1 剪切應(yīng)力

采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）進行正弦振蕩試驗。設(shè)定的試驗條件使瀝青膠結(jié)料的受力狀態(tài)盡可能與其在旋回式車轍試驗中的受力狀態(tài)對應(yīng)。試驗溫度與旋回式車轍試驗一致，為60 ℃。

由于試驗溫度大于30 ℃，采用直徑為25 mm的平板流變儀，板間隙2 mm。進行PG分級測試時，頻率為10 rad/s 是為了與車輛速度80～100 km/h對應(yīng)；且頻率對材料的粘彈性有很大的影響，有必要根據(jù)扭轉(zhuǎn)發(fā)生的受力條件設(shè)定頻率，設(shè)定為1.1 rad/s。根據(jù)頻率確定線性粘彈區(qū)，從而確定應(yīng)變量為5%[5]。

1.2 旋回式車轍試驗

為研究排水瀝青鋪裝的抗扭轉(zhuǎn)飛散能力，采用旋回式車轍試驗儀評價排水性瀝青混合料對小轉(zhuǎn)彎半徑扭轉(zhuǎn)作用造成的骨料飛散的抵抗能力[6]。在試件表面施加強制的扭轉(zhuǎn)作用，試件受力發(fā)生骨料飛散，從而產(chǎn)生車轍，通過千分尺測定變形量來表征材料抵抗扭轉(zhuǎn)的能力。為保證試驗溫度，整個設(shè)備放在步入式控溫試驗箱中，設(shè)備見圖1。

采用的試件尺寸與測試動穩(wěn)定度的車轍試件相同（30 cm×30 cm×5 cm），旋回車轍試驗條件見表2。試驗選用統(tǒng)一類型級配OGFC-13，空隙率為20%，成型車轍板進行后續(xù)試驗研究。以變形量達到10 mm 的時間來評價瀝青混合料抵抗扭轉(zhuǎn)的能力[7]。

圖1 旋回式車轍試驗儀

表2 旋回式車轍試驗條件

1.3 靜扭試驗

旋回式車轍試驗評價小轉(zhuǎn)彎半徑時輪胎對瀝青混合料的動態(tài)飛散作用，而車輛在停車等情況下轉(zhuǎn)向時的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)對瀝青混合料也有很強的剝離作用。為評價瀝青混合料的抵抗靜態(tài)扭轉(zhuǎn)的能力，采用實際的車輪進行靜扭試驗，試驗條件見表3，設(shè)備照片見圖2。測試扭轉(zhuǎn)前后時間的質(zhì)量損失。

圖2 靜扭試驗設(shè)備

表3 靜扭試驗條件

2 結(jié)果與分析

2.1 影響抗扭轉(zhuǎn)性能的關(guān)鍵膠結(jié)料技術(shù)指標

為研究影響抗扭轉(zhuǎn)性能的關(guān)鍵膠結(jié)料技術(shù)指標，制作了六種抗扭轉(zhuǎn)性能不同的瀝青樣品，編號為A～F，測試其針入度、軟化點和-20 ℃彎曲工作量等膠結(jié)料性能，見表4，采用旋回式車轍試驗測試其變形量達到10 mm 時所需時間。

由表4可知，以達到相同10 mm 變形時間來評價，從方案A 到方案F 的變形時間逐漸增大，但從針入度、軟化點、-20 ℃彎曲工作量三個膠結(jié)料的指標上沒有看到任何明顯的變化規(guī)律。

由圖3可知，通過DSR 試驗可得到高黏度改性瀝的儲能模量G’、損耗模量G’’、復(fù)數(shù)模量G*、剪切應(yīng)力等指標。其中與10 mm 變形時間的相關(guān)關(guān)系最好的是剪切應(yīng)力，并進行相關(guān)性分析得到R2=0.89。由此可見，隨著剪切應(yīng)力越大，變形量達到10 mm 時所需時間就越長，瀝青混合料抵抗扭轉(zhuǎn)飛散的能力越強。

由圖4可知，剪切應(yīng)力與靜扭試驗質(zhì)量損失呈現(xiàn)出很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.95。剪切應(yīng)力越大，靜扭試驗質(zhì)量損失越小，混合料抵抗靜扭剝離的能力越強。

表4 抗扭轉(zhuǎn)高黏改性瀝青基本性能指標

圖3 剪切應(yīng)力與10 mm 變形時間的關(guān)系

圖4 剪切應(yīng)力與靜扭試驗質(zhì)量損失的關(guān)系

2.2 抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青的膠結(jié)料性能

參考日本相關(guān)的企業(yè)標準，結(jié)合上述研究，開發(fā)了抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青，性能指標見表5。

表5 新開發(fā)抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青性能指標

2.3 抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青的混合料性能

基于上述研究，將開發(fā)的抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝與普通高黏度改性瀝青進行對比（制備空隙率為20%的OGFC-13 瀝青混合料），測定其動穩(wěn)定度與旋回車轍試驗的變形量，見圖5、6。

圖5 膠結(jié)料對動穩(wěn)定度的影響

圖6 膠結(jié)料對旋回車轍變形量的影響

由圖5可知，抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青的動穩(wěn)定度是普通高黏度改性瀝青約2.5 倍，表現(xiàn)出明顯的高溫穩(wěn)定性能。由圖6的旋轉(zhuǎn)車轍試驗可知，普通高黏度改性瀝青混合料在50 min 時已達到8 mm的變形，而抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青混合料的達到相同的8 mm 時需要約300 min，是普通高黏度瀝青混合料的6 倍。

動穩(wěn)定度和旋回車轍試驗表明，抗扭轉(zhuǎn)型高黏改性瀝青混合料具有較強的抗扭轉(zhuǎn)飛散能力和高溫穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

a）從提升瀝青膠結(jié)料性能的角度開發(fā)出了抗扭轉(zhuǎn)型高黏度改性瀝青，應(yīng)用于小轉(zhuǎn)彎半徑的排水瀝青混合料。通過DSR 試驗和旋回式車轍試驗表明剪切應(yīng)力越大，變形量達到10 mm 時所需時間就越長，瀝青混合料抵抗扭轉(zhuǎn)飛散的能力越強。

b）旋回式車轍試驗和靜扭試驗表明開發(fā)的抗扭轉(zhuǎn)高黏瀝青混合料具有很好的抗飛散和抗扭轉(zhuǎn)效果。

c）與普通高黏瀝青排水瀝青混合料相比，抗扭轉(zhuǎn)型具有較強的抗扭轉(zhuǎn)飛散和高溫穩(wěn)定性。