王新科， 蔣建輝， 周啟偉， 張建新， 曾慶濤

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2.廣西桂興高速公路投資建設(shè)有限公司， 廣西 桂林 541000；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067； 4.廣西桂陽高速公路投資建設(shè)有限公司， 廣西 桂林 541000)

普通道路瀝青由于自身的組成和結(jié)構(gòu)決定了其感溫性能、彈性和耐老化性能差，高溫易流淌，低溫易脆裂，難以滿足高等級公路的使用要求，必須對其改性以改善使用性能[1-3]。為滿足工程需要，近年來，高粘高彈改性瀝青得到不斷研究和推廣。高粘高彈改性瀝青是一類特種瀝青，根據(jù)《高粘高彈道路瀝青》(GB/T 30516—2014)定義：動力粘度(60 ℃)大于2×104Pa·s，彈性恢復(fù)(25 ℃)大于85%的瀝青，稱之為高粘高彈瀝青。

目前，國內(nèi)學(xué)者主要從高粘高彈瀝青的粘彈特性進(jìn)行研究。朱元軍、譚憶秋、李睿等[4-7]通過動態(tài)加載試驗、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR)研究了高粘高彈改性瀝青的粘彈性能，從能量角度進(jìn)行評價，得出高粘高彈改性瀝青高、低溫性能都優(yōu)于傳統(tǒng)SBS改性瀝青；在改性劑作用下，高粘彈改性瀝青的彈性貯能能力及對集料的粘附性大幅提高，這表明其具有較強的抗疲勞性能、抗剝落能力和抗分散性。

國外學(xué)者根據(jù)流變學(xué)提出了高粘高彈改性瀝青的評價指標(biāo)。Vacin等[8]利用動態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀對橡膠瀝青及瀝青混合料進(jìn)行了研究，得出兩者在路面溫度、荷載作用時間對瀝青的高溫抗變形方面有很好的相關(guān)性。Lu等[9]通過對改性瀝青進(jìn)行剪切流變分析，得到了表征流變性能的粘彈指標(biāo)。Stadler F J等[10]采用零剪切粘度對瀝青結(jié)合料的高溫性能進(jìn)行評價。Dongre[11]提出剪切速率為 0.01 rad/s 時的粘度作為瀝青結(jié)合料的高溫性能評價參數(shù)。

高粘高彈改性瀝青混合料的路用性能也是熱點研究之一。彭強等[12]研究了紫外老化的后高彈改性瀝青混合料SMA-10，其高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性略有降低,但均滿足規(guī)范要求，仍有良好的路用性能；劉靜波、鐘國武等[13-14]對高彈改性瀝青SMA-10的路用性能進(jìn)行了研究，得出高彈SMA瀝青混合料具有較優(yōu)良的強度、粘附、抗水損害性能，高溫與疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青混凝土；Ahmad Mansourian等[15]采用多次應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗、動態(tài)剪切流變儀對復(fù)合高粘彈瀝青結(jié)合料的性能進(jìn)行了評價，試驗結(jié)果表明，無論瀝青結(jié)合料的線性或非線性粘彈性行為如何，都能提高瀝青結(jié)合料的低溫性能和抗車轍性能；Sadiq Bhat Faheem等[16]采用基于Superpave車轍參數(shù)的老化指數(shù)來評價瀝青混合料的抗老化性能，結(jié)果表明，復(fù)合改性劑的加入對SBS改性瀝青結(jié)合料的車轍和疲勞性能都有積極影響。

綜上所述，針對高粘彈改性瀝青的粘彈特性、評價指標(biāo)、路用性能等已有大量研究，但目前國內(nèi)對高粘高彈改性瀝青在超薄罩面中的應(yīng)用研究較少，本文以復(fù)合高粘彈改性瀝青的制備與應(yīng)用為旨要，通過試驗及工程應(yīng)用，以期為高粘彈改性瀝青的應(yīng)用推廣提供參考，助力提升我國公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)水平。

為滿足某超薄罩面的工程需求，本文采用SBS、高粘彈改性劑制備了復(fù)合高粘彈改性瀝青，分析評價了復(fù)合改性瀝青的性能及高粘彈改性瀝青混合料的路用性能，并進(jìn)行了試驗段鋪筑，以檢驗高粘彈改性瀝青混合料在超薄罩面中使用的合理性和可行性，為在該工程推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 原材料

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青采用70#A級道路石油瀝青，25 ℃針入度72.1，軟化點64.2 ℃，15 ℃延度大于100，SHRP 性能等級達(dá)到PG64-22，其余各項指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1.2 集料

粗細(xì)集料均采用廣西龍勝的輝綠巖，集料為0 mm～3 mm、3 mm～6 mm，6 mm～11 mm熱料，其表觀相對密度分別為2.811、2.867、2.854，毛體積相對密度分別為2.755、2.808、2.796。礦粉采用廣西龍勝的石灰石礦粉，表觀密度2.713、表觀相對密度2.717。其余各項指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1.3 SBS改性劑

SBS采用線型SBS，嵌段比(S/B)為30/70，摻量為基質(zhì)瀝青的5%。

1.4 穩(wěn)定劑

采用廣東某公司生產(chǎn)的硫磺穩(wěn)定劑，摻量為基質(zhì)瀝青的0.3%。

1.5 高粘彈改性劑

采用山東某公司生產(chǎn)的橡膠合成共混物SR-1，摻量范圍為SBS改性瀝青的2%～10%。

1.6 級配

分別取集料為0 mm～3 mm、3 mm～6 mm、6 mm～11 mm的熱料輝綠巖及礦粉進(jìn)行級配設(shè)計，最終設(shè)計結(jié)果如表1所示。

表1 配合比設(shè)計

根據(jù)上述級配，采用馬歇爾擊實試驗確定最佳油石比為5.5%。

2 高粘彈改性瀝青的制備及性能分析

2.1 制備工藝

高粘彈改性瀝青制備工藝流程如圖1所示。

圖1 高粘彈改性瀝青制備工藝流程

具體步驟為：

1) 將基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃時，添加5%SBS改性劑和0.3%穩(wěn)定劑；2) 在剪切溫度為180 ℃±2 ℃，轉(zhuǎn)速4 500 r/min，剪切時間30 min 條件下，進(jìn)行改性劑的高速剪切分散；3) 剪切完成后，置于油浴鍋內(nèi)攪拌發(fā)育，發(fā)育溫度為180 ℃，發(fā)育時間為2 h，攪拌轉(zhuǎn)速約 60 r/min，可制得成品SBS改性瀝青；4) 將成品SBS改性瀝青加熱到180 ℃，于油浴鍋內(nèi)摻入高粘彈改性劑SR-1，按轉(zhuǎn)速約 60 r/min攪拌10 min，可制成高粘彈改性瀝青。

2.2 高粘彈改性瀝青性能分析

采用SBS和高粘彈改性劑復(fù)合改性，在SBS摻量5%不變的情況下，改性劑SR-1按推薦摻量2%、4%、6%、8%、10%進(jìn)行逐步添加，通過針入度、軟化點、延度、彈性試驗、粘度試驗進(jìn)行性能分析，并確定改性劑SR-1的最佳摻量。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 高粘彈改性瀝青試驗結(jié)果

1) 針入度試驗

從表2針入度試驗結(jié)果可知，隨SR-1摻量增加，針入度增大，其原因是SR-1中含有橡膠成分，SR-1摻量增加使得SBS改性瀝青變軟。

2) 軟化點試驗

從表2軟化點試驗結(jié)果可知，隨SR-1摻量增加，瀝青軟化點逐漸增大，當(dāng)摻量大于8%時，軟化點開始降低，其原因為當(dāng)高彈劑摻量增加到一定數(shù)量后，其組分中的橡膠與SBS相互混溶形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高SBS改性瀝青的軟化點，但當(dāng)高彈劑摻量大于8%后，容易產(chǎn)生離析，導(dǎo)致軟化點降低。

3) 延度試驗

從表2延度試驗結(jié)果可知，隨SR-1摻量的增加，高彈改性瀝青低溫延度為普通SBS改性瀝青 2～3倍，表明高彈改性瀝青具有優(yōu)異的低溫性能。

4) 彈性試驗

從表2彈性恢復(fù)試驗結(jié)果可知，當(dāng)SR-1摻量為8%時，瀝青的彈性恢復(fù)為100%，其原因為SBS與瀝青形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，高粘彈改性劑起到了填充作用，提高了瀝青的彈性恢復(fù)性能。

由于測定的高粘高彈改性瀝青與SBS改性瀝青的彈性恢復(fù)區(qū)分度較小，彈性恢復(fù)值幾乎都能達(dá)到90%以上，不能準(zhǔn)確地表征和區(qū)分其恢復(fù)性能，故設(shè)計了彈性恢復(fù)速率試驗[17]。試驗方法：按照25 ℃彈性恢復(fù)試驗條件，從剪斷后立刻記錄恢復(fù)開始30 s的彈性恢復(fù)數(shù)據(jù)，此后記錄頻率為每1 min記錄一次恢復(fù)過程中相應(yīng)時間的恢復(fù)值，比較SR-1摻量8%的高彈改性瀝青與SBS改性瀝青的恢復(fù)速率，試驗記錄如圖2所示。

圖2 彈性恢復(fù)速率與恢復(fù)時間關(guān)系曲線

由圖2可以看出，SBS改性瀝青和高粘彈改性瀝青的彈性恢復(fù)速率隨著時間延長逐漸減小，高粘彈改性瀝青表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性恢復(fù)速率，在0.5 min時，高粘彈改性瀝青與SBS改性瀝青的恢復(fù)速率分別為19.3%/min、12.0%/min，高粘彈改性瀝青恢復(fù)速率為SBS改性瀝青的1.6倍。在0.5 min～3 min的過程中，高粘彈改性瀝青彈性恢復(fù)速率明顯高于SBS改性瀝青,說明高粘彈改性瀝青在剪斷瞬間內(nèi)部應(yīng)力更大，內(nèi)部殘余應(yīng)力更高，具有更優(yōu)的彈性恢復(fù)性能。分析其原因為高粘彈改性劑的摻入使得改性瀝青在發(fā)生疲勞時，單次循環(huán)損耗的能量降低，即最大限度降低疲勞發(fā)生時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變熱能，從而達(dá)到提高改性瀝青疲勞壽命的目的。

5) 粘度試驗

從表2中 60 ℃動力粘度試驗結(jié)果可知，摻加SR-1后，瀝青的60 ℃動力粘度升高，均滿足高粘高彈道路瀝青定義中大于2×104Pa·s的要求，在SR-1摻量8%時，其60 ℃動力粘度大于30×104Pa·s，證明其瀝青內(nèi)聚力較大，具有優(yōu)異的粘性；表2中135 ℃旋轉(zhuǎn)粘度試驗結(jié)果表明，135 ℃旋轉(zhuǎn)粘度降低，分析其原因為：在較高溫度時，SR-1在SBS改性瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起到了降粘作用，在8%摻量下，通過粘溫曲線可計算得出，其拌和溫度下降3 ℃～5 ℃，攤鋪溫度下降6 ℃～8 ℃，這有助于瀝青混合料的施工和易性。

基于表2試驗結(jié)果及分析，確定高粘彈改性劑SR-1的最佳摻量為8%。

3 高粘彈改性瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗評價混合料高溫穩(wěn)定性。車轍試件成型為上層2.0 cm高粘彈改性瀝青混合料，下層為3.0 cm SBS改性瀝青混合料，對比試樣為5 cm SBS改性瀝青SMA-10混合料，平行試件為每組2個，試驗結(jié)果取平均值，如表3所示。

表3 混合料車轍試驗結(jié)果 次/mm

表3試驗結(jié)果表明：摻入高彈劑SR-1后，混合料的抗車轍性能有一定的提升，與SBS改性瀝青混合料相比，動穩(wěn)定度提高了11.4%，分析其原因為SR-1填充了SBS與瀝青的膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)，增強了改性瀝青的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強度，進(jìn)而提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.2 水穩(wěn)定性

采用凍融劈裂試驗評價高粘彈改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。平行試件為每組8個，試驗結(jié)果取平均值，如表4所示。

由表4凍融劈裂結(jié)果分析得出，與SBS改性瀝青SMA-10混合料相比，高粘彈改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比提高了8.6%，表明其水穩(wěn)定性優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10混合料，其原因為SR-1中含有大量的橡膠成分，提升了瀝青與石料的粘附性。

表4 混合料凍融劈裂、低溫彎曲、疲勞試驗結(jié)果

3.3 低溫抗裂性

采用低溫小梁試驗對高粘彈改性瀝青易密實型混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評價。平行試件為每組6個，試驗結(jié)果如表4所示。

由表4低溫彎曲試驗結(jié)果可得出，與SBS改性瀝青SMA-10混合料相比，高粘彈改性瀝青混合料的低溫抗裂性提高了60.9%，明顯優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10混合料，其原因為SR-1有效提高了瀝青膠結(jié)料的粘彈性，變形損失的能量降低，提高了其抗疲勞性能，從而提升了混合料的低溫抗裂性。

3.4 抗疲勞性能

采用UTM瀝青伺服機進(jìn)行疲勞試驗。在試驗過程中，采用應(yīng)變水平為500 με，試驗溫度為15 ℃，荷載頻率為10 Hz，當(dāng)混合料的勁度模量下降到初始勁度模量的50%時停止試驗，加載次數(shù)作為該混合料的疲勞壽命，平行試件為每組4個，試驗結(jié)果如表4所示。

由表4疲勞試驗結(jié)果得出，與SBS改性瀝青SMA-10混合料相比，高粘彈改性瀝青混合料的疲勞壽命提高了175%，明顯優(yōu)于SBS改性瀝青SMA-10混合料，其原因為SR-1有效提高了瀝青膠結(jié)料的粘彈性，使瀝青在發(fā)生疲勞時，單次循環(huán)損耗的能量降低，即最大限度降低疲勞發(fā)生時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變熱能，進(jìn)一步提升了混合料的抗疲勞性。

4 工程應(yīng)用

4.1 試驗段鋪筑

基于上述室內(nèi)試驗結(jié)果，在廣西某高速公路鋪筑高粘彈瀝青混合料超薄罩面試驗段，其長度 1 000 m，具體施工工藝包括原路面處理、攤鋪、碾壓及施工工后檢測。流程如下：

1) 采用精細(xì)銑刨工藝對原路面進(jìn)行銑刨，處理深度為1.8 cm；2) 采用高壓吸泵對路面進(jìn)行除塵；3) 采用自動噴灑設(shè)備噴灑快裂型高粘乳化瀝青，其用量為0.5 kg/m2；4) 攤鋪時，超薄罩面攤鋪溫度控制在165 ℃～175 ℃，攤鋪速度為6 m/min～9 m/min；5) 碾壓時，壓實機具組合采用鋼-膠-鋼組合，初壓2遍，復(fù)壓為膠輪揉搓4遍，鋼輪壓路機再靜壓路面2遍，充分保證壓實度。

4.2 攤鋪溫度及碾壓時間控制

Bruce A.Chadbourn等[18]研究出了一種軟件工具PaveCool，通過使用計算機模型，模擬攤鋪后熱瀝青混合料在不同環(huán)境條件下的冷卻規(guī)律。通過設(shè)定環(huán)境溫度、風(fēng)速、天氣狀況、地理緯度、瀝青混合料類型、瀝青等級、鋪層厚度、攤鋪溫度、下層材料類型、材料狀況和表層溫度等條件，計算設(shè)定條件下瀝青混合料的溫度下降規(guī)律，并得出最佳的初壓及終碾時間。

在施工過程中對攤鋪溫度及壓實溫度進(jìn)行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，并與軟件PaveCool擬合的冷卻曲線進(jìn)行對比[19-20]，結(jié)果如圖3所示。

實測高粘彈瀝青混合料的開始攤鋪溫度、碾壓過程中表面溫度及初終壓時間，結(jié)果如表5所示。

(a) 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

(b) 攤鋪機溫度自動監(jiān)控

(c) PaveCool軟件預(yù)測結(jié)果

(d) 實測攤鋪碾壓溫度

表5 攤鋪、碾壓溫度及初終壓時間

從圖3(c)PaveCool預(yù)測的瀝青混合料降溫特性曲線可知，高粘彈改性瀝青超薄罩面混合料的攤鋪溫度應(yīng)控制在165 ℃～175 ℃，在當(dāng)日氣溫不高于20 ℃，風(fēng)速約3 m/s的情況下，從攤鋪開始到終壓結(jié)束時間應(yīng)不超過20 min。從圖3(d)結(jié)果可知，現(xiàn)場攤鋪碾壓過程中實測得的混合料表面降溫曲線與PaveCool軟件預(yù)測瀝青混合料降溫特性基本一致。從表5結(jié)果可知，現(xiàn)場施工中按預(yù)測時間內(nèi)完成終壓，能夠保證壓實質(zhì)量。

4.3 現(xiàn)場檢測

為驗證高粘彈改性瀝青混合料路用性能是否達(dá)標(biāo)，施工完畢后對現(xiàn)場進(jìn)行滲水、構(gòu)造深度、厚度試驗，結(jié)果如表6所示。

表6 現(xiàn)場檢測結(jié)果

表6現(xiàn)場試驗檢測結(jié)果顯示，高粘彈改性瀝青混合料的馬歇爾力學(xué)及體積參數(shù)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)及厚度等主要技術(shù)指標(biāo)均能滿足設(shè)計文件和現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求，路用性能良好。

5 結(jié)論

1) 高粘彈復(fù)合改性劑SR-1的最佳摻量為8%，在此摻量下，其低溫延度為普通SBS改性瀝青的2.4倍，粘彈性能提升顯著，60 ℃動力粘度大于30×104Pa·s，剪斷30 s時其彈性恢復(fù)速率為SBS改性瀝青的1.6倍，表明高粘彈改性瀝青的低溫性能、粘彈性能及抗疲勞性能較SBS改性瀝青均有所提高。

2) 摻入高粘彈復(fù)合改性劑SR-1后，其低溫抗裂性和抗疲勞性能分別提升了60.9%、175%，表明高粘彈改性瀝青混合料較SBS改性瀝青混合料具有更優(yōu)異的路用性能。

3) 經(jīng)試驗段鋪筑驗證，高粘彈改性瀝青混合料超薄罩面的抗滑性能、滲水性能、厚度及構(gòu)造深度均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，在本工程采用該混合料鋪筑可行。