敖清文 田永婭

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 510001；2.貴州省公路勘察設(shè)計(jì)院 貴陽 510001）

1 基質(zhì)瀝青、改性劑的選取

1.1 基質(zhì)瀝青

配制高模量瀝青采用符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［1］要求的A級70號瀝青。

1.2 改性劑的選取

針對材料使用要求特點(diǎn)，在了解各種聚合物改性劑性質(zhì)的基礎(chǔ)之上，選取了4種改性劑制備一種性能優(yōu)良的高模量改性瀝青：①熱塑性丁苯橡膠（SBS）；②聚乙烯（PE）；③湖瀝青（TLA）；④巖瀝青（BRA）。

2 改性瀝青的制備

目前，制備改性瀝青的方法主要有2大類：一次摻配法和二次摻配法。攪拌法、混融法、膠乳法適用于采用一次摻配法制備改性瀝青，母體法適用于采用二次摻配法制備改性瀝青。一次摻配法中的混融法是采用高速剪切設(shè)備或膠體磨在一定的溫度和時間下制備改性瀝青。

本研究采用一次摻配法，在進(jìn)行瀝青基本試驗(yàn)時，用量較少利用高速剪切設(shè)備配制所需改性瀝青，在進(jìn)行混合料試驗(yàn)時利用德國進(jìn)口的膠體磨對改性瀝青進(jìn)行研磨加工，為使改性劑與基質(zhì)瀝青充分混融，擬定4 500r／min。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)方法

本研究通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用極差分析的方法來找出改性劑對基質(zhì)瀝青各項(xiàng)性能的影響規(guī)律，進(jìn)而確定各因素水平之間的最佳組合［2］。

3.2 因素、水平及正交表的選取

采用摻不同的改性劑進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時主要考慮4種因素：采用湖瀝青、PE、巖瀝青、SBS 4種改性劑進(jìn)行試驗(yàn)。每種因素分為3種水平，根據(jù)各改性劑在配制改性瀝青時所采用的摻加比例及各摻加比例所得的改性效果，選取湖瀝青摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為20%，30%，40%；PE取2%，4%，6%；巖 瀝 青 取 10%，20%，30%；SBS取2%，4%，6%，見表1。

表1 因素水平表 %

由表1可知，該正交設(shè)計(jì)組合方案為4因素3水平組合設(shè)計(jì)，根據(jù)正交表的一般選擇要求，因素?cái)?shù)≤正交表列數(shù)、因素水平數(shù)與正交表對應(yīng)的水平數(shù)一致的原則，故選取正交表L9（34）來進(jìn)行分析方案的組合設(shè)計(jì)［3］。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交表得出4種改性劑中對稠度影響的排序排列出來，并得出推薦配比，再在推薦配比基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，在符合技術(shù)要求的同時考慮經(jīng)濟(jì)因素選取最經(jīng)濟(jì)的配比。

瀝青針入度、軟化點(diǎn)，135℃粘度是評價改性瀝青高溫穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。瀝青的針入度指數(shù)用來評價瀝青的溫度敏感性；當(dāng)量軟化點(diǎn)是評價瀝青的高溫穩(wěn)定性；當(dāng)量脆點(diǎn)是評價瀝青的低溫抗裂性。

3.3.1 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

通過軟化點(diǎn)試驗(yàn)可得出：

（1）根據(jù)極差分析PE對軟化點(diǎn)的影響最大，其次分別是SBS、巖瀝青。其中湖瀝青雖然極差比較大但是隨用量的增加而降低。所以根據(jù)軟化點(diǎn)對4種改性劑的影響結(jié)果是：PE＞SBS＞巖瀝青＞湖瀝青。

（2）PE、巖瀝青、SBS都是隨比例的增加軟化點(diǎn)呈遞增的趨勢，只是增加的速度不同而已，但是湖瀝青則隨比例的增加而遞減，由此試驗(yàn)則可看出湖瀝青對高溫穩(wěn)定性能的作用不大。

（3）PE從2%到6%，軟化點(diǎn)提高幅度最大是主要因素，所以初步選定6%；SBS在2%到6%的過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，通過經(jīng)濟(jì)和性能比較，綜合考慮選取2%；巖瀝青則在比較當(dāng)中20%與30%相差不大，湖瀝青則做為次要因素可以任取，考慮到經(jīng)濟(jì)因素選取最小劑量。

3.3.2 針入度試驗(yàn)

（1）通過對15，25，30℃3個溫度針入度的比較，可明顯的看出改性劑PE，SBS和巖瀝青對稠度的影響相對要大，只有湖瀝青較小，是次要因素。

（2）通過比較15，25，30℃3個溫度針入度的極差和因素趨勢圖中可知：①在各溫度時PE隨用量的增加稠度逐漸提高，并且提高幅度最大，PE在各因素中是主要因素，根據(jù)本試驗(yàn)要得到高摸量高稠度瀝青的要求應(yīng)選擇6%；②通過比較巖瀝青3個溫度可明顯看出由10%～20%變化相對要高，但在比較20%～30%時相差并不大，考慮到性能和經(jīng)濟(jì)上的要求選取20%；③通過比較SBS在3個溫度的變化情況可以很明顯地看出由2%～4%所配瀝青反而稠度減少，增加到6%以后比較3個溫度的稠度變化有所提高，但是相對2%稠度還是有所偏小。通過大量重復(fù)試驗(yàn)仍然得出這種現(xiàn)象，可能是由于通過各因素之間的影響所造成的，再由于經(jīng)濟(jì)的原因在相當(dāng)性能的條件下我們選擇更經(jīng)濟(jì)的材料用量，所以SBS選取2%；④由于湖瀝青在各個溫度的針入度比較中隨用量的增加反而稠度降低，并且也是作為次要因素考慮，則可任意選擇比例。

（3）通過以上分析，由針入度進(jìn)行正交分析得出的比例為PE6%，SBS2%，巖瀝青20%，湖瀝青任取。

3.3.3 改性瀝青針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2分析3.3.3.1 針入度指數(shù)PI

（1）由針入度指數(shù)極差比較可見，由于添加的種類有4種，大部分所配瀝青的針入度指數(shù)PI都超過了規(guī)范的范圍，在選擇瀝青時應(yīng)盡量選擇在范圍之內(nèi)的品種。通過極差比較可得出PE極差最大，其次是湖瀝青、SBS、巖瀝青。

（2）通過極差比較可得出PE極差最大，其次是湖瀝青、SBS、巖瀝青。

（3）通過回歸公式，所配9種改性瀝青線形回歸系數(shù)R2均大于0.994，說明試驗(yàn)結(jié)果是可信的。隨著PE的增加，PI值基本呈減小趨勢，當(dāng)達(dá)到6%時PI值基本達(dá)到規(guī)范的范圍之內(nèi)。這表明各摻量混合后隨PE用量增大，瀝青的溫度敏感性減小，即瀝青性能受溫度變化的影響減小，瀝青的感溫性能明顯改善。3.3.3.2 當(dāng)量軟化點(diǎn)T800

（1）由于摻加的種類較多不能確定各摻量之間是否發(fā)生相互反應(yīng)，所以不能通過試驗(yàn)檢驗(yàn)出是否瀝青中有蠟的存在。

（2）瀝青改性實(shí)測軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)之間有較好的規(guī)律性，通過極差和當(dāng)量軟化點(diǎn)趨勢圖可以得出與實(shí)測軟化點(diǎn)同樣的變化趨勢，其中從極差表中可以看出PE是主要因素，湖瀝青、SBS次之，巖瀝青影響最小，同樣湖瀝青也是隨用量的增加當(dāng)量軟化點(diǎn)降低。

（3）從整體當(dāng)量軟化點(diǎn)來看，說明改性后瀝青的高溫性得到了改善，而且提高幅度很大，高溫性能改善更明顯，為南方高溫天氣地區(qū)提供一種適合的材料。

3.3.3.3 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2

由于本試驗(yàn)是通過摻加改性劑來使瀝青模量提高即提高瀝青的稠度，隨著瀝青的稠度增加瀝青越脆，抗低溫能力越低，但是由于所配瀝青是用于中下面層，主要考慮高溫和抗疲勞性能，對抗裂性能要求沒有那么高，所以對低溫性能可以適當(dāng)放寬要求。

3.4 Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)

在SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中提出了135℃粘度不得超過3Pa·s的技術(shù)要求，以控制改性瀝青的施工性能［4］。進(jìn)行試驗(yàn)的9種瀝青都比較稠，SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中提出的135℃粘度不得超過3Pa·s的技術(shù)要求不能滿足，通過比較試驗(yàn)可知9種改性瀝青在160℃以上時大部分能滿足粘度不得超過3Pa·s的技術(shù)要求。

（1）通過比較粘度極差和各因素趨勢圖可以得出PE是影響粘度的主要因素，當(dāng)由2%變化到6%的過程中，175℃粘度由0.66Pa·s劇增到2.15Pa·s，正好符合本試驗(yàn)所要求的稠度；其次是巖瀝青和SBS，巖瀝青在10%～20%的過程中增長幅度不大，但是當(dāng)由20%～30%的過程中增長幅度大；而SBS的變化則出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，由2%～4%的變化過程中出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，但是當(dāng)增加到6%時粘度則急劇增加，但是考慮到經(jīng)濟(jì)的要求選擇2%比較合適。湖瀝青則是次要因素，隨用量的增加粘度反而減小，所以在選擇時宜選擇劑量小的。

（2）通過以上分析及結(jié)合各溫度下的粘度值，選擇配比為湖瀝青20%，PE6%，巖瀝青30%，SBS2%。

3.5 對正交結(jié)果綜合分析并得出配比

本試驗(yàn)主要是得到高模量瀝青，通過對所配瀝青進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)分析與旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)來選擇符合高模量條件的瀝青。

比較各改性瀝青軟化點(diǎn)和15，25，30℃3個溫度的針入度及針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2可以得出，PE從2%～6%軟化點(diǎn)和針入度提高幅度最大是主要因素，所以初步選定6%；SBS在2%～6%的過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，通過經(jīng)濟(jì)和性能比較，綜合考慮選取2%；巖瀝青則在比較當(dāng)中20%與30%相差不大，湖瀝青則做為次要因素可以任取，考慮到經(jīng)濟(jì)因素選取最小劑量。由旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)及175℃粘度正交表分析結(jié)果可知，9種瀝青的抗高溫能力很強(qiáng)且各因素之間的關(guān)系分別為PE影響最大做為主要因素，其次是SBS和巖瀝青，而湖瀝青做為次要因素可任取。

經(jīng)過綜合比較，最終推薦方案為20%湖瀝青＋6%PE＋20%巖瀝青＋2%SBS。

4 SHRP試驗(yàn)分析

采用 Superpave研究成果［5］，對3種瀝青AH－50，SBS改性瀝青、高模量（HM）改性瀝青進(jìn)行了SHRP性能試驗(yàn)。

4.1 DSR試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用G＊／sinδ分析材料，根據(jù)不同狀態(tài)、不同溫度條件等因素對各種瀝青流變特性的影響，進(jìn)而評價瀝青結(jié)合料高溫抗車轍性能。不同瀝青結(jié)合料的車轍因子G＊／sinδ與溫度（t）的回歸方程見表2。

表2 不同瀝青結(jié)合料的車轍因子G＊／sinδ與溫度（t）的回歸方程

由表2可見，改性瀝青的曲線比基質(zhì)瀝青的曲線高，說明摻入的改性劑有利于提高瀝青高溫性能。并且HM的改善效果最好，抗高溫剪切能力最強(qiáng)。

4.2 BBR試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用美國CANNON公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，其方法為AASHTO標(biāo)準(zhǔn)TP1－93。試樣是經(jīng)過RTFOT老化后的瀝青殘?jiān)?，對不同瀝青在不同溫度下的流變性質(zhì)進(jìn)行分析，不同瀝青膠結(jié)料的蠕變勁度S和曲線斜率m值見表3。

表3 不同瀝青膠結(jié)料的蠕變勁度S和m值

（1）在基質(zhì)瀝青中加入SBS改性劑后，蠕變勁度S稍有下降，說明SBS改性劑摻入后，使得瀝青柔性增大，在低溫下瀝青的松弛能力有所改善；而HM的蠕變勁度S較基質(zhì)瀝青有所提高，表現(xiàn)出HM比基質(zhì)瀝青要硬很多，說明HM中改性劑起到了一定負(fù)面影響，降低了瀝青的松弛能力。

（2）在同溫度的條件下，3種瀝青按蠕變勁度S值的大小排序?yàn)镠M＞AH－50＞SBS，表明SBS改性瀝青的低溫性能最好，其次是AH－50，HM最差，并且表明SBS改性劑具有改善瀝青低溫性能的作用，同時說明了HM中的改性劑對基質(zhì)瀝青的低溫性能產(chǎn)生了抑制作用。

（3）比較同溫度下瀝青的m值會發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青最大，其次是HM，再次是AH－50，表明SBS改性瀝青在溫度下降時，材料因收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力最不易累積，路面發(fā)生低溫開裂的可能性最低。

4.3 Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了表征不同瀝青在不同溫度下的流動特性，試驗(yàn)采用改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法，即變化紡錘體剪切速率，研究瀝青在不同剪切速率下粘度的變化情況，同時，改變溫度，建立粘溫曲線，得到粘度隨溫度變化的規(guī)律，進(jìn)而確定瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度。

（1）在溫度高于120℃時，基質(zhì)瀝青（AH－50）的表觀粘度與剪切速率關(guān)系不大，表明了變化剪切速率對測試結(jié)果不產(chǎn)生影響；隨著剪切速率的增大，表觀粘度值基本上保持為一個常數(shù)，即剪切應(yīng)力與剪切速率的比值是不變的，這就說明了基質(zhì)瀝青在高溫（＞120℃）時表現(xiàn)出牛頓流體的特性。

（2）SBS改性瀝青在120～150℃溫度范圍內(nèi)時，表觀粘度隨剪切率增大而減小，但降低幅度不大，即剪切應(yīng)力與剪切速率的比值是變的，表明此溫度范圍內(nèi)瀝青表現(xiàn)出了非牛頓流體特性；當(dāng)溫度達(dá)到160℃時，表觀粘度值基本上不隨剪變率而變化，在圖中表現(xiàn)為一條平行于橫坐標(biāo)的直線，當(dāng)溫度達(dá)到175℃時，表觀粘度值也不隨剪變率變化而變化，表明在此溫度之上SBS改性瀝青屬于牛頓流體［6］。

（3）在160℃以上時，HM的表觀粘度值有隨剪變率變化而稍減的趨勢，基本上看不出不同剪變率之間粘度值的差異，故可以認(rèn)為HM屬于牛頓流體。

采用剪切速率為34s－1時不同溫度下的表觀粘度值，并選取溫度在120℃以上的粘度值，通過建立粘溫曲線來確定各瀝青的施工溫度。不同瀝青混合料施工控制溫度見表4。

表4 不同瀝青混合料施工控制溫度 ℃

5 結(jié)論

（1）在常規(guī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，通過正交試驗(yàn)分析了各類改性劑對基質(zhì)瀝青各項(xiàng)性能的影響，初步擬定試驗(yàn)推薦方案。

（2）再根據(jù)高模量材料性能提出的抗高溫、耐疲勞等特殊要求，采用比較分析各因素對瀝青路用性能影響變化規(guī)律，確定了各因素水平之間的最佳組合。通過綜合比較最終推薦方案為20%湖瀝青＋6%PE＋20%巖瀝青＋2%SBS。

（3）采用Superpave研究成果，對3種瀝青（AH－50、SBS改性瀝青、HM 改性瀝青）進(jìn)行了SHRP性能試驗(yàn)，結(jié)果表明HM改性瀝青具有良好的高溫性能，但低溫性能不如SBS改性瀝青。

（4）通過粘度試驗(yàn)確定了不同瀝青的施工溫度。

［1］JTJ F40－2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］汪榮鑫.數(shù)量統(tǒng)計(jì)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1986.

［3］吳 亮.摻聚酯纖維SMA瀝青混凝土路用性能及其作用機(jī)理研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2008.

［4］孫德棟，彭 波.瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［M］.北京：黃河水利出版社，2003.

［5］李宇峙.SHAP瀝青膠結(jié)料規(guī)范及瀝青混合料設(shè)計(jì)簡介［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［6］陸兆峰，何兆益，黃 剛.天然巖瀝青改性瀝青性能及改性機(jī)理研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2011（6）：1161－1169.