高溫多雨氣候環(huán)境下的高黏瀝青性能測試

李忠校

（海南路橋工程有限公司，海南 三亞 572000）

大空隙的排水瀝青路面具有良好的抗滑、透水、防水霧水漂等功能特性，能夠提高路面行車安全系數(shù)，在我國廣泛應用。為提高排水瀝青混合料的強度和穩(wěn)定性，減少排水瀝青路面高溫變形、掉粒飛散等病害的發(fā)生，日本于20世紀90年代研制了高黏度改性瀝青，大幅提高了排水瀝青路面的路用力學性能。我國部分地區(qū)高溫多雨，排水瀝青路面的變形、推移、飛散等病害頻發(fā)，服役壽命大大縮短。為因地制宜地提高高溫多雨地區(qū)排水瀝青的路用性能，本文通過室內(nèi)試驗分析排水瀝青路面的膠結(jié)料高黏改性瀝青性能，尋求最適宜的高黏改性劑摻量。

一、原材料選用

瀝青采用SBS改性瀝青作為高黏劑改性對象。高黏改性劑選用國產(chǎn)HVA高黏改性劑。國產(chǎn)HVA高黏改性劑由SBS和乙烯一辛烯共聚物彈性體混合物、偶聯(lián)劑、增塑劑等添加劑混熔而成，外觀為黃色顆粒，能夠有效提高瀝青黏度、延度等技術指標。

二、高黏改性瀝青的制備方法和技術要求

采用高速剪切機制備高黏改性瀝青——首先把SBS瀝青在烘箱中恒溫至190℃，加入設計量的高黏改性劑，用玻璃棒均勻攪拌15min；其次把剪切機調(diào)整為4000r/min持續(xù)剪切60min，溫度保持在180℃～190℃；最后把剪切完成的瀝青放入180℃的烘箱中溶脹發(fā)育60min。

夏季漫長、持續(xù)高溫、全年雨量豐沛的地區(qū)，排水瀝青路面18%～25%的空隙率導致路面內(nèi)部直接與空氣、水等外界環(huán)境直接接觸，路面容易出現(xiàn)車轍變形、掉粒飛散等病害。因此，選用能夠顯著提高路面高溫性能和抗飛散能力，并且能夠兼顧路面低溫抗裂性能的瀝青膠結(jié)料，是提高高溫地區(qū)透水路面耐久性能，延長路面服役壽命的關鍵。

三、基本指標

本文測試了相同試驗條件下，不同高黏改性劑摻量的高黏瀝青技術性能。結(jié)果顯示，隨著高黏改性劑摻量的提高，瀝青在25℃下的針入度呈下降趨勢，變化幅度較為平穩(wěn)，當摻量從0%提高到12%時，針入度僅變化4.2mm，這說明添加高黏改性劑可以提高瀝青的稠度，增強瀝青的抗剪切破壞能力，并且較小的改性幅度能夠把針入度控制在合理范圍內(nèi)，不至于影響改性瀝青的低溫和施工和易性能。

高黏改性劑對瀝青軟化點和5℃延度的提升效果明顯，當摻量從0%提高到12%時，軟化點從82℃增至107.8℃，共提高了25.8℃，延度由34.7mm增至47.1mm，提高了12.4mm。其中，軟化點的增長幅度較為平緩，每提高高黏改性劑1%的摻量，軟化點提高2.1℃左右，這說明高黏改性劑的添加能夠持續(xù)降低瀝青的溫度敏感性，提高改性瀝青的耐熱性。當高黏改性劑摻量變化范圍在0%～10%時，瀝青5℃延度的提升較為明顯，這說明高黏改性劑能夠有效增強瀝青的塑性，提高瀝青的低溫變形能力，從而強化瀝青混合料的低溫抗裂能力。當高黏改性劑摻量超過10%時，瀝青延度提高的幅度減小。因為高黏改性劑中的高分子聚合物通過剪切均勻分散在瀝青中，形成了一種網(wǎng)狀的分子鏈結(jié)構(gòu)，從而增加了瀝青黏度，當高黏改性劑摻量達到一定量時，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基本搭接完成，所以瀝青延度的提高幅度開始放緩。

四、60℃動力黏度和170℃的布氏旋轉(zhuǎn)黏度

60℃動力黏度與瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能具有良好的關聯(lián)。隨著60℃動力黏度的提高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到改善。本文選用170℃的旋轉(zhuǎn)黏度小于3Pa.s控制高黏瀝青混合料的施工性能。

具體測試結(jié)果顯示，隨著高黏改性劑摻量的提高，瀝青的60℃動力黏度呈現(xiàn)指數(shù)級增長，當摻量達到6%時，動力黏度達到32萬Pa.s，滿足本文設定的應用在高溫地區(qū)透水路面的技術要求。雖然在12%摻量下，瀝青170℃的旋轉(zhuǎn)黏度低于3Pa.s，但已經(jīng)接近規(guī)定值，為了確保高黏改性瀝青能滿足施工和易性能需要，保證瀝青的施工質(zhì)量，建議采用＜12%的高黏改性劑摻量。

五、動態(tài)剪切流變試驗（DSR）

夏季長時間的陽光直射導致地表溫度升高，部分高速公路的路面溫度達60℃～70℃，路面抵抗荷載變形能力下降，導致出現(xiàn)車轍、擁包、推移等病害。目前，國際廣泛采用美國SHPR計劃中的動態(tài)剪切流變試驗測試瀝青中、高溫性能。基于以上性能檢測，本文選用0%、6%、8%、10%摻量的高黏改性瀝青，采用動態(tài)剪切方法中溫度掃描試驗測試給定溫度和荷載頻率下高黏改性瀝青的復數(shù)模量G*和相位角δ，得到疲勞因子和車轍因子，并試驗其在不同溫度下的表現(xiàn)。

相位角反映了材料的黏性成分和彈性成分比例。相位角越大，黏性成分比例越高。SBS改性瀝青的相位角隨著溫度上升而增大，原因是高溫導致分子力作用下降，瀝青由彈性向黏性轉(zhuǎn)化。摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青則呈現(xiàn)不同的走向，隨著溫度升高，相位角逐漸減小，且高黏改性劑摻量越多相位角越大。這說明隨著溫度提高，摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青的黏性都呈下降趨勢，瀝青流動性增強，相比較SBS改性瀝青，高黏瀝青的黏性成分含量更高，宏觀上表現(xiàn)出更好的高溫性能。復數(shù)模量可以表征瀝青抵抗重復剪切應力變形的能力。復數(shù)模量曲線顯示，提高高黏改性劑摻量可以大幅提高瀝青的復數(shù)模量，摻量為10%的高黏改性瀝青的復數(shù)模量可以達到6628Pa。

SBS改性瀝青和摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青的復數(shù)模量都隨溫度升高明顯下降，其中在70℃～76℃區(qū)間的下降幅度最大。這表明溫度越高，瀝青的抗剪切變形能力越差，12%摻量的高黏瀝青因為內(nèi)部黏彈性高分子聚合物與瀝青充分融合，有效增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，復數(shù)模量隨溫度升高下降幅度相對緩慢。瀝青的疲勞性能對混合料疲勞性能影響顯著，疲勞因子（G*·sinδ）越大，抗疲勞性能越差。疲勞因子曲線顯示，高黏改性劑增加，瀝青疲勞性能下降，SBS改性瀝青和摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青的疲勞性能均和溫度呈明顯的線性關系，溫度升高，瀝青的抗疲勞損傷能力得到提高。

美國高性能瀝青路面瀝青結(jié)合料規(guī)范把瀝青在高溫等級時通過動態(tài)剪切試驗測定的車轍因子（G*/sinδ）＞1.0 kPa作為代表運輸、儲存和裝卸的基本要求；把瀝青經(jīng)過旋轉(zhuǎn)播磨烘箱加熱后的殘留物車轍因子（G*/sinδ）＞2.2 kPa作為代表瀝青在拌和及鋪筑過程短期老化后的瀝青性能要求。基于此，本文對SBS改性瀝青和摻量為6%、8%、10%的3種高黏改性瀝青及其FTOFT老化后的殘留瀝青實施PG高溫分級。

PG高溫分級試驗結(jié)果顯示，隨著溫度的提高，SBS和高黏改性瀝青的車轍因子均有所減小，當溫度由70℃提高到76℃時，下降速度表現(xiàn)最為明顯。隨著高黏改性摻量的提高，高黏改性瀝青的高溫分級有所提高，6%和8%的高黏改性劑摻量的高溫分級均可以達到88℃，而10%摻量下的高黏瀝青的PG分級可以達到94℃。可以推斷，高溫條件下瀝青軟化，重復應力作用導致瀝青中瀝青質(zhì)增多，不可恢復變形增大，車轍因子降低。添加高黏改性劑的改性瀝青黏度增大，高分子聚合物搭接纏繞形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在高溫情形下比SBS改性瀝青表現(xiàn)出更好地抗變形能力，車轍因子下降幅度也相對減小。同樣，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后的高黏改性瀝青因為具有較高的瀝青黏度，所以老化程度并不充分，不同溫度下相比原樣瀝青都表現(xiàn)出了更好的高溫性能，展現(xiàn)了高黏改性瀝青具有較好的耐老化性能。