呂大春，劉斌清，田 華，王 浩，鄧家喜，李美華

(1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007； 2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007； 3.高等級公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣西 南寧 530007)

1 前 言

透水性瀝青路面是近些年新興的一種功能型路面，可以為人們的出行提供更舒適、安全及低噪的道路交通，是未來瀝青路面發(fā)展的重要方向之一。這種路面具備更加優(yōu)異的耐磨抗滑、降噪排水等功能，但由于其開級配的特點，大空隙率導(dǎo)致其更容易受到紫外線、粉塵及雨水等不利因素的侵蝕，故需要選用黏結(jié)能力更強、抗老化能力更好的瀝青結(jié)合料。高黏改性瀝青就是當(dāng)初日本為設(shè)計透水瀝青路面而專門研發(fā)的一種高黏、高彈、高強度的改性瀝青。

目前，國外已經(jīng)實現(xiàn)了透水性瀝青路面技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，從配合比設(shè)計、高黏劑材料生產(chǎn)加工、施工控制要點與難點及后期運營養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)都已經(jīng)非常成熟，形成了相關(guān)行業(yè)規(guī)范。而我國高黏改性劑的生產(chǎn)技術(shù)還未完全成熟，各類廠家產(chǎn)品的高黏改性效果各不相同，性能不夠穩(wěn)定，仍未形成統(tǒng)一的高黏改性劑生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)刑明亮等[1]研究了不同材料、粉膠比及溫度等因素對高黏改性瀝青膠漿流變特性的影響；劉斌清等[2]采用國內(nèi)外3種高黏改性瀝青進行高溫下常規(guī)性能指標(biāo)和黏彈性能指標(biāo)測試，并且進行區(qū)分度和一致性分析，研究發(fā)現(xiàn)采用滯后環(huán)試驗指標(biāo)和零剪切黏度指標(biāo)評價高黏改性瀝青的高溫性能更加準(zhǔn)確；呂大春[3]等通過對不同種類的基質(zhì)瀝青進行高黏改性劑配伍性試驗，發(fā)現(xiàn)常規(guī)性能指標(biāo)(質(zhì)量損失、15 ℃殘留延度、10 ℃延度及60 ℃動力黏度)和流變性能指標(biāo)(82 ℃耗損因子tanδ、δ值范圍、60 ℃復(fù)合黏度及ZSV)可作為基質(zhì)瀝青配伍性優(yōu)選指標(biāo)；袁東東等[4]分析了不同老化程度對高黏改性瀝青微觀性能、高低溫性能及疲勞性能的影響。

瀝青結(jié)合料作為黏彈性材料之一，采用流變學(xué)的方法可以有效地評價高黏改性瀝青的黏彈特性，但是目前從流變學(xué)角度對于高黏改性瀝青結(jié)合料的系統(tǒng)性評價較少，大多數(shù)研究[5-6]往往僅從單一因素或者老化狀態(tài)對高黏改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響進行研究。因此，本研究從流變學(xué)的角度全面系統(tǒng)地評價、對比了國內(nèi)外3種類型高粘劑以不同摻量制備的高黏改性瀝青結(jié)合料的黏彈特性，通過動態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀分析了應(yīng)變、頻率及不同老化狀態(tài)下不同溫度對高黏改性瀝青流變特性的影響，為高黏改性劑的合理選擇及施工提供理論分析和實踐指導(dǎo)。

2 實 驗

2.1 原材料

本實驗采用的基質(zhì)瀝青為廈門華特70號A級石油瀝青，高黏劑分別為國產(chǎn)S型高黏改性劑、意大利I型高黏改性劑及日本TPS高黏改性劑(形貌見圖1)，基質(zhì)瀝青各項技術(shù)指標(biāo)的檢測結(jié)果列于表1中，均符合我國規(guī)范[7]的相關(guān)技術(shù)要求。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

圖1 高黏改性劑照片

2.2 改性瀝青制備

將基質(zhì)瀝青放入135 ℃的烘箱中加熱1 h，完全融化后分別加入相對于基質(zhì)瀝青質(zhì)量分數(shù)0%、6%及12%的高黏改性劑均勻攪拌，隨后放置于150～160 ℃的烘箱發(fā)育2 h，然后采用高速剪切儀在160～170 ℃的溫度下以4000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切1 h，直至高黏改性劑完全溶解，即制得高黏改性瀝青。同時為了保證實驗的準(zhǔn)確性，消除制備過程對試樣自身的影響，實驗室對零摻量的對比實驗樣本也進行同樣的加工處理。

2.3 改性瀝青性能測試及參數(shù)設(shè)置

采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對改性瀝青進行應(yīng)變掃描試驗、頻率掃描試驗及不同老化狀態(tài)下溫度掃描試驗；采用彎曲梁流變儀(BBR)進行瀝青低溫性能測試，試驗分別按照ASTM D7175-15規(guī)程[8]和ASTM D6648-08(2016)規(guī)程[9]進行。試驗參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 試驗參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 高粘改性瀝青的流變特性

DSR是用來研究瀝青結(jié)合料流變特性的儀器，它主要由固定板和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組成，實驗過程中，試樣在固定板上固定不動，轉(zhuǎn)子根據(jù)設(shè)置的不同溫度、角度、頻率等參數(shù)對試樣施加正弦應(yīng)力和應(yīng)變，以獲得材料的流變特性響應(yīng)。

圖2 應(yīng)變和相位角的變化關(guān)系

圖3 應(yīng)變和復(fù)數(shù)模量的變化關(guān)系

從圖2可知，6種高黏改性瀝青的相位角均隨著應(yīng)變的增加而緩慢增大，當(dāng)應(yīng)變達到80%左右時，相位角增速均有明顯提高，這是因為此時應(yīng)變逐漸達到高黏改性瀝青的破壞應(yīng)變。從圖中還可得，不同應(yīng)變下，不同摻量的三種高黏改性瀝青的相位角大小區(qū)分度較為明顯，在相同摻量和溫度條件下，意大利I型<國產(chǎn)S型<日本TPS。這說明在高溫性能上，原樣意大利I型>國產(chǎn)S型>日本TPS，但與基質(zhì)瀝青相比較而言，三種高黏改性劑均使基質(zhì)瀝青的高溫性能有改善，但各自改善效果不同。

分析圖3可知，不同摻量的三種高黏改性瀝青的應(yīng)變掃描趨勢一致，說明其具有類似的線黏彈性區(qū)間。根據(jù)瀝青材料線黏彈性區(qū)間的確定方法可得，基質(zhì)瀝青線黏彈范圍的應(yīng)變區(qū)間為0%～15.2%，以3種高粘改性劑(意大利I型、國產(chǎn)S型、日本TPS)摻量均為12%制備的高黏改性瀝青線粘彈范圍的應(yīng)變區(qū)間分別為0%～36.3%、0%～36.7%、0%～17.4%。通過應(yīng)變區(qū)間范圍分析可得，摻入這3種高黏改性劑均可提高基質(zhì)瀝青的線黏彈區(qū)間的范圍，其中TPS提升值較小，意大利I型和國產(chǎn)S型高黏改性劑均可使基質(zhì)瀝青的線粘彈區(qū)間提高2倍以上。以其它摻量制備的高效改性瀝青呈現(xiàn)類似規(guī)律。

3.1.2溫度掃描試驗 分別對3種高效改性劑的不同摻量試樣和不同老化狀態(tài)(原樣(未老化瀝青)、RTFO(短期老化)及PAV(壓力老化))的高黏改性瀝青和基質(zhì)瀝青進行溫度掃描試驗。原樣瀝青和RTFO短期老化瀝青溫度掃描范圍為46～82 ℃，溫度間隔6 ℃；PAV長期老化瀝青溫度掃描范圍為16～25 ℃，溫度間隔3 ℃。測試結(jié)果如圖4～8所示。

圖4 原樣瀝青溫度和車轍因子的變化關(guān)系

分析圖4和圖5可得，隨著溫度的升高和改性劑摻量的增加，3種高效改性劑不同摻量制備的高黏改性瀝青RTFO短期老化前后的車轍因子分別呈不同的變化趨勢。其中未老化狀態(tài)下，同摻量意大利I型和國產(chǎn)S型改性劑制備的改性瀝青高溫性能均比日本TPS改性的高溫性能好，這與應(yīng)變掃描分析一致。從圖4和圖5還可得，在同一溫度下，經(jīng)過RTFO短期老化后，國產(chǎn)S型的改性的瀝青車轍因子增加十分顯著，這說明[10]國產(chǎn)S型高黏改性瀝青的熱氧老化嚴重，抗老化能力不強，導(dǎo)致其中的輕質(zhì)組分揮發(fā)嚴重，復(fù)數(shù)模量急劇增加。同時，隨溫度的增加，國產(chǎn)S型高黏改性瀝青的車轍因子降低率最大，高溫性能衰減最嚴重。這是因為RTFO短期老化破壞了瀝青分子結(jié)構(gòu)，提高了其溫度敏感性，這也從側(cè)面驗證了摻加國產(chǎn)S型改性劑的高黏改性瀝青抗老化能力較差。

圖5 RTFO瀝青溫度和車轍因子的變化關(guān)系

流變學(xué)中瀝青的相位角正切值[11](tanδ)代表其中黏性部分和彈性部分的比值。當(dāng)tanδ等于1時，說明瀝青中的黏彈兩性均相等，此時對應(yīng)的溫度為瀝青黏彈性轉(zhuǎn)變溫度；當(dāng)tanδ小于1時，說明此時瀝青中彈性部分大于黏彈部分，在性能上更多表現(xiàn)為彈性狀態(tài)；tanδ越小，說明瀝青中的彈性部分越大，其抵抗變形的能力越強。當(dāng)tanδ大于1時，說明此時瀝青中黏性部分大于彈性部分，在性能上更多表現(xiàn)為黏性狀態(tài)；tanδ越大，說明瀝青中的黏性部分越大，其抵抗變形的能力越弱。

從圖6、圖7可得，以3種不同摻量高粘改性劑制備的高黏改性瀝青的tanδ在RTFO短期老化前后均隨溫度的升高而增大，并且均大于1，這是因為瀝青中分子熱運動隨著溫度的升高得到加強，導(dǎo)致瀝青中的彈性部分降低，黏性部分升高，瀝青處于黏性狀態(tài)。從圖中還可以看出，基質(zhì)瀝青tanδ的增速和增量隨著溫度的升高，均遠大于高黏改性瀝青，這主要是因為[12]在瀝青內(nèi)部高黏改性劑與基質(zhì)瀝青形成了互相交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以有效地束縛分子間的運動。對比6種RTFO老化前后高黏改性瀝青的tanδ可知，以3種摻量均為12%的高粘改性劑制備的高黏改性瀝青的黏彈性轉(zhuǎn)變溫度均在46 ℃左右，可以預(yù)見隨著溫度的降低，意大利I型高黏改性瀝青會先達到黏彈性轉(zhuǎn)變溫度，隨后依次為國產(chǎn)S型高黏改性瀝青、日本TPS高黏改性瀝青。

圖6 原樣(未老化)瀝青相位角正切值隨溫度的變化

圖7 RTFO瀝青相位角正切值隨溫度的變化

在瀝青路面通車運營的后期，瀝青往往容易發(fā)生疲勞性破壞，故本研究對PAV長期壓力老化的殘留物進行中溫溫度掃描。分析圖8可知，與基質(zhì)瀝青相比，意大利I型和日本TPS兩種高黏改性瀝青的疲勞因子更小，而國產(chǎn)S型高黏改性瀝青的疲勞因子更大，這說明意大利I型和日本TPS均可提高基質(zhì)瀝青的抗疲勞性能，國產(chǎn)S型則會降低基質(zhì)瀝青的抗疲勞破壞能力，這與其抗老化能力較弱有密切關(guān)系。

圖8 PAV瀝青疲勞因子隨溫度變化關(guān)系

3.1.3頻率掃描試驗 根據(jù)近些年的研究發(fā)現(xiàn)，行車荷載會對瀝青路面施加接近于正弦方程的應(yīng)力和應(yīng)變效果，可以采用動態(tài)剪切流變儀通過頻率掃描模擬實際路面行車車速對路面黏彈特性的影響。一般認為10 rad/s的加載頻率對應(yīng)實際行車速度為70 km/h，2.86 rad/s的加載頻率對應(yīng)實際行車速度為20 km/h，故本研究采用0.1～100 rad/s的加載頻率，模擬不同車速對高黏改性瀝青的黏彈特性的影響。試驗結(jié)果見圖9和圖10。

圖9 加載頻率和車轍因子的變化關(guān)系

圖10 加載頻率和相位角的變化關(guān)系

由圖9可得，隨著加載頻率和改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青和由3種不同摻量高粘改性劑制備的高黏改性瀝青的車轍因子均隨之增大，這說明隨著改性劑摻量和加載頻率的增加，高黏改性劑對基質(zhì)瀝青抗車轍能力的改善效果不斷增強。不同改性劑的改性效果從優(yōu)到劣排序為意大利I型>國產(chǎn)S型>日本TPS。從圖中還可得，3種不同摻量高粘改性劑制備的高黏改性瀝青及基質(zhì)瀝青在低頻時車轍因子較小，高頻時車轍因子較大，這很好地解釋了停車場、急剎車處等渠化交通比高速公路更易形成車轍病害的現(xiàn)象。

分析圖10可得，隨加載頻率和改性劑摻量的增加，3種不同摻量高粘改性劑制備的高黏改性瀝青的相位角均降低，這說明加載頻率的升高和改性劑摻量的增加，均可提高高黏改性瀝青中的彈性部分，增強了高黏改性瀝青抵抗不可恢復(fù)變形的能力，這與圖9分析結(jié)論一致。從圖中還可得，3種摻量均為6%的高黏改性瀝青相位角隨加載頻率變化的斜率基本一致，當(dāng)摻量達到12%時，2種國外高黏劑改性的瀝青在低頻范圍內(nèi)，相位角均隨加載頻率的增加而快速降低；當(dāng)加載頻率超過10 rad/s后，這兩種高黏劑改性瀝青的相位角開始進入緩慢降低區(qū)。以上現(xiàn)象表明，由意大利I型和日本TPS高黏改性劑制備的瀝青相位角對10 rad/s內(nèi)的加載頻率變化敏感性較高，更適用于車速在70 km/h內(nèi)變化大的路段使用，這基本上符合我國瀝青路面車速使用要求，其中日本TPS高黏改性劑效果更好。而國產(chǎn)S型高黏劑制備的改性瀝青的相位角則隨加載頻率的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這從側(cè)面反映了國產(chǎn)高黏劑改性瀝青的性質(zhì)不夠穩(wěn)定，不宜在車速變化大的路段使用。

3.2 彎曲梁流變試驗結(jié)果

BBR[13]測試主要是通過測量6.35 mm×127 mm×12.7 mm瀝青結(jié)合料試樣在低溫狀態(tài)下的蠕變勁度模量S(t)和勁度模量變化率m，表征瀝青結(jié)合料在低溫下的流變特性。在相同條件下，瀝青結(jié)合料的勁度模量S(t)越小，勁度模量變化率m越大，則代表瀝青結(jié)合料的低溫性能越好。在試驗過程中，若試驗結(jié)果在S≤300 MPa，m≥0.300的要求范圍內(nèi)，則可以直接分析數(shù)據(jù)；若試驗結(jié)果在300 MPa

圖11 勁度模量和溫度的關(guān)系

分析圖11和圖12可知，不同摻量高黏改性劑制備的瀝青和基質(zhì)瀝青的測試結(jié)果均滿足S≤300 MPa，m≥0.300的要求范圍，故不需進一步做直接拉伸(DT)試驗。

圖12 勁度模量變化率和溫度的關(guān)系

由圖11和圖12可得，國產(chǎn)S型和意大利I型高黏改性瀝青的S值，隨著改性劑摻量的增加而呈減小趨勢,而m值則呈增大趨勢。這表明國產(chǎn)S型和意大利I型高黏劑改性瀝青在低溫下的溫度收縮應(yīng)力不斷減少，消解自身溫度應(yīng)力的能力不斷增強。

從圖中還可得，當(dāng)6%摻量的TPS加入基質(zhì)瀝青中時，可減小基質(zhì)瀝青的蠕變勁度模量S，增大蠕變勁度模量變化率m，提高基質(zhì)瀝青的低溫性能。但當(dāng)TPS摻量達到12%時，會大幅降低改性瀝青蠕變勁度模量S；溫度在-6～-12 ℃時瀝青的蠕變勁度模量變化率m略有降低，低溫改善效果不如摻量6%。究其原因[3]是當(dāng)高黏改性劑達到摻量閾值時，基質(zhì)瀝青和高黏改性劑的相態(tài)都會不斷發(fā)生變化，會進入一段各自互不主導(dǎo)的狀態(tài)，此時高黏改性劑未形成穩(wěn)定的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而基質(zhì)瀝青也未完全溶解分散于高黏改性劑形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。

綜上分析可得，3種高黏改性劑均能提高基質(zhì)瀝青的低溫性能，意大利I型和國產(chǎn)S型高黏劑的改善效果均隨其摻量的增加而增強，其中意大利I型改性效果更好，而日本TPS在摻量達到12%時，改性效果則下降。

4 結(jié) 論

1．3種高黏改性劑(國產(chǎn)S型、意大利I型和日本TPS)摻入基質(zhì)瀝青均可不同程度地提高瀝青的線黏彈性區(qū)間、高溫性能及低溫性能，但對瀝青的抗疲勞性能影響效果不同。

2．國產(chǎn)S型高黏改性劑能顯著提高瀝青的高溫性能，但抗老化能力較弱，同時會降低瀝青的抗疲勞性能；意大利I型高黏改性劑改性瀝青性能改善較為綜合，低溫性能改善更顯著；日本TPS高黏劑改性瀝青的高溫性能較低，但抗疲勞性能突出，更適合于車速變化大的路段使用。不同高黏改性劑的改性效果不同，應(yīng)根據(jù)實際工程需要進行合理選擇。

(校對：周邦昌)