張躍宏韋金城曾國(guó)東李夢(mèng)月李浩

(1.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)有限公司，廣東 佛山528000；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250102；3.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101 4.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山528300)

0 引言

交通量的快速增長(zhǎng)，車輛軸載的不斷增加，致使瀝青路面出現(xiàn)破壞的時(shí)間大大提前，這對(duì)瀝青路面提出了新的挑戰(zhàn)。 在當(dāng)今復(fù)雜的交通環(huán)境下，瀝青路面材料和結(jié)構(gòu)如何應(yīng)變才能適應(yīng)新的交通形式是道路建設(shè)中一個(gè)亟需解決的問題[1-2]。 在瀝青路面使用過程中，因車轍和開裂所引起的路面損壞所占比例愈來愈大。 近年來，我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路面產(chǎn)生的永久車轍變形日趨嚴(yán)重，是當(dāng)前高等級(jí)公路病害最受關(guān)注的問題之一，其產(chǎn)生的主要原因?yàn)槊鎸訛r青混合料高溫穩(wěn)定性較差，在夏季高溫、超載重載現(xiàn)象極其嚴(yán)重的交通環(huán)境下，面層瀝青混合料在車輪邊緣處發(fā)生剪切破壞，從而導(dǎo)致車輪下方的路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，其累積形成車轍。 為了解決瀝青路面的車轍變形問題，許多專家、道路工作者提出了許多解決方法，其中通過提高瀝青模量進(jìn)而提高混合料模量已成為解決車轍難題的有效手段之一[3-6]。

針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外已開展了大量的研究，法國(guó)等歐洲國(guó)家最早開始低標(biāo)號(hào)瀝青的應(yīng)用研究，并將其成功運(yùn)用到道路工程建設(shè)中，設(shè)計(jì)了基于低標(biāo)號(hào)瀝青的高模量瀝青混合料[7-8]；我國(guó)也開展了低標(biāo)號(hào)瀝青的研究，并取得階段性成果[9]。 此外，韓冰等[10]通過對(duì)不同工藝制備高模量瀝青的研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)制備高模量瀝青常用的低標(biāo)號(hào)瀝青為30＃、50＃，可以表現(xiàn)出優(yōu)異的抗車轍性能，但低溫性能表現(xiàn)欠佳；葉恒鑫等[11]利用50＃瀝青設(shè)計(jì)了應(yīng)用于瀝青路面下面層的新型瀝青混合料，其施工檢測(cè)結(jié)果表明，該混合料具有良好的均勻性和密實(shí)性；李文娟[12]研究發(fā)現(xiàn)瀝青標(biāo)號(hào)是影響瀝青低溫性能的重要因素之一，瀝青標(biāo)號(hào)越低，高溫抗車轍性越好，低溫性能越差。 雖然國(guó)內(nèi)開展了大量改善低標(biāo)號(hào)瀝青的低溫性能的研究，但在改善低溫性能的同時(shí)，進(jìn)一步提升其高溫性能的研究較少，因此文章從復(fù)合改性手段著手，開展苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer，SBS)改性劑和巖瀝青對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青復(fù)合改性的研究，嘗試充分發(fā)揮兩者的性能優(yōu)勢(shì)，提高低標(biāo)號(hào)瀝青的高溫性能和低溫抗裂性，不僅對(duì)我國(guó)低標(biāo)號(hào)瀝青的道路工程應(yīng)用具有重要意義，也為采用SBS 改性劑加巖瀝青復(fù)合改性方式制備低標(biāo)號(hào)高性能瀝青提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

瀝青選用50＃基質(zhì)瀝青、改性劑選用SBS 改性劑和巖瀝青(北美巖瀝青)，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[13]對(duì)選用材料進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[14]的技術(shù)要求，3 種材料的具體試驗(yàn)結(jié)果見表1、2。

表1 50?；|(zhì)瀝青性能指標(biāo)表

表2 選用改性劑性能指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方案

參照J(rèn)TG E20—2011[13]試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)制備的復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、10 ℃延度、135 ℃布式黏度及離析等常規(guī)性能指標(biāo)分析評(píng)價(jià)；采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度為25 ～85 ℃，溫度間隔為5 ℃)，分析復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，并計(jì)算車轍因子G*/sinδ；通過瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度為-12、-18 ℃)評(píng)價(jià)了RTFOT 短期老化后瀝青的流變性能，分析瀝青樣品的蠕變勁度S和蠕變速率m；采用瀝青質(zhì)量快速檢測(cè)設(shè)備LTI-210，在25 ℃條件下進(jìn)行瀝青氣動(dòng)流變回彈試驗(yàn)，評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的最大蠕變變形、蠕變恢復(fù)率和PG 分級(jí)。

2 瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SBS 改性瀝青制備及性能分析

將基質(zhì)瀝青預(yù)先在163 ℃烘箱中加熱至熔化，分別將摻量為2%、4%、6%的SBS 加入到基質(zhì)瀝青中，采用高速剪切機(jī)以4 000 r/min 的速率，在175 ℃溫度下剪切40 min，再用攪拌機(jī)以500 r/min的速率，在180 ℃溫度下攪拌2 h，攪拌完成后分別進(jìn)行性能試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 顯示了不同摻量SBS 改性劑對(duì)50?；|(zhì)瀝青常規(guī)性能影響的變化趨勢(shì)。 隨著SBS 改性劑摻量的增加，制備的改性瀝青軟化點(diǎn)升高，針入度降低，瀝青延度和布式黏度增大，表明改性劑的摻入改善了50＃基質(zhì)瀝青的高、低溫性能，這是由于加入SBS 改性劑后，改性劑以微小粒子形式存在改性瀝青中，吸收了基質(zhì)瀝青中的軟組織成分，從而導(dǎo)致瀝青軟化點(diǎn)升高，針入度降低，提升了瀝青的高溫性能；SBS 在瀝青中產(chǎn)生交聯(lián)作用，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使瀝青獲得彈性，致使瀝青延度增強(qiáng)，改善了其低溫性能。

圖1 不同摻量的SBS 改性瀝青常規(guī)指標(biāo)變化圖

2.2 復(fù)合改性瀝青制備及性能分析

將基質(zhì)瀝青預(yù)先放在烘箱中加熱至熔化后，將4%、6%、8%的巖瀝青分別加入到不同摻量的SBS改性瀝青中，采用高速剪切機(jī)以4 000 r/min 的速率，在175 ℃溫度下剪切40 min，剪切過程中將巖瀝青分3 次加入，再以2 000 r/min 的速率，在175 ℃溫度下剪切15 min，再用攪拌機(jī)以500 r/min 的速率攪拌，在180 ℃條件下攪拌2 h，制備完成后分別試驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示。

根據(jù)圖2 分析可知，在相同SBS 改性劑摻量條件下，隨著巖瀝青摻量增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)升高、針入度降低、低溫延度減小、黏度增大，表明巖瀝青的加入進(jìn)一步改善提升了復(fù)合改性瀝青的高溫性能，但對(duì)低溫延性的損失影響也較明顯。 究其原因在于，巖瀝青的摻入使瀝青中的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)所占比例增大，軟組織成分和飽和分大量減少，隨著巖瀝青的增加，復(fù)合改性瀝青的膠體結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，逐漸從凝膠型瀝青向溶-凝膠型瀝青轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致改性瀝青高、低溫性能發(fā)生明顯改變。

圖2 不同摻量的復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)變化圖

2.3 離析結(jié)果分析

為了能夠更好地面向工程應(yīng)用，復(fù)合改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性至關(guān)重要。 通過對(duì)SBS 改性瀝青、復(fù)合改性瀝青進(jìn)行離析試驗(yàn)，分析復(fù)合改性瀝青的熱穩(wěn)定性。 軟化點(diǎn)差值結(jié)果如圖3 所示，其中ΔT為軟化點(diǎn)差。

圖3 軟化點(diǎn)差值變化圖

由圖3 可知，50?；|(zhì)瀝青軟化點(diǎn)差為0.1 ℃，基本不存在離析現(xiàn)象；當(dāng)只摻加SBS 改性劑時(shí)，隨著SBS 改性劑摻量的增加，改性瀝青軟化點(diǎn)差逐漸變大，當(dāng)SBS 改性劑摻量為4%、6%時(shí)，軟化點(diǎn)差超過了規(guī)范值2.5 ℃，出現(xiàn)了離析現(xiàn)象；當(dāng)加入巖瀝青后，離析現(xiàn)象有所改善，在SBS 改性劑摻量不變的情況下，巖瀝青摻量增加，軟化點(diǎn)差逐漸減小。 表明復(fù)合改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性要比單一的SBS 改性劑改善效果好。

3 流變性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高溫流變性能分析

中、高溫下的瀝青流變特征是利用不同溫度和荷載條件下的瀝青復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ來表征的，美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(Strategic H-ighway Research Program，SHRP)將車轍因子G*/sinδ作為評(píng)價(jià)和控制瀝青的高溫抗車轍性能指標(biāo)。 文章利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，DSR)來測(cè)試瀝青在中、高溫條件下的黏彈性特征。 試驗(yàn)選用50＃基質(zhì)瀝青、不同摻量SBS 改性瀝青和不同配比復(fù)合改性瀝青進(jìn)行溫度掃描，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，7 種瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度變化的整體變化趨勢(shì)一致，均隨著溫度升高而不斷減小，在25 ～35 ℃時(shí)下降最快，然后隨溫度的升高逐漸趨于平緩；摻入SBS 改性劑后，改性瀝青的車轍因子明顯增大，且SBS 改性劑摻量越高，車轍因子越大；當(dāng)加入巖瀝青后，復(fù)合改性瀝青的車轍因子進(jìn)一步增大，而瀝青的抗車轍能力:復(fù)合改性瀝青＞SBS 改性瀝青＞基質(zhì)瀝青。 因?yàn)闉r青車轍因子越小，則瀝青的損失柔性剪切柔量越大，瀝青中所含的彈性成分越少，瀝青的抗車轍能力越差，所以通過SBS 改性劑和巖瀝青復(fù)合改性方式可以更好地改善提升瀝青的高溫性能。

圖4 復(fù)合改性瀝青車轍因子變化圖

3.2 低溫流變性能分析

為了評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫性能，美國(guó)研究開發(fā)了彎曲梁流變儀(Bending Beam Rheometer，BBR)，如圖5 所示。 BBR 試件如圖6 所示。 在現(xiàn)實(shí)的路面環(huán)境中，瀝青路面要經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間才會(huì)產(chǎn)生低溫開裂，所以研究瀝青低溫性能結(jié)合PAV 長(zhǎng)期老化后的低溫性能，但鑒于我國(guó)路面的低溫開裂大多數(shù)都發(fā)生在早期，因此采用RTFOT 短期老化后的瀝青進(jìn)行低溫流變分析。 試驗(yàn)溫度選用-12、-18 ℃，測(cè)定不同摻量的SBS 改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的彎曲蠕變勁度模量S和蠕變速率m值，評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖5 BBR 試驗(yàn)儀器圖

圖6 BBR 試件圖

圖7 不同溫度下復(fù)合改性瀝青BBR 試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律圖

在-12、-18 ℃兩種試驗(yàn)溫度下，隨著SBS 改性劑摻量的增加，改性瀝青的勁度模量逐漸減小，蠕變速率不斷增大；在SBS 改性劑摻量一定的情況下，隨著巖瀝青的摻入，瀝青勁度模量值明顯增大，蠕變速率隨之減小，瀝青的抗低溫開裂能力為:SBS 改性瀝青＞復(fù)合改性瀝青＞基質(zhì)瀝青。 因?yàn)闉r青材料勁度模量S值越大，瀝青呈現(xiàn)的脆性越明顯，路面越易開裂破壞，m為表征瀝青勁度模量隨時(shí)間的變化速率，其值越小，則隨溫度降低路面材料的勁度增強(qiáng)，材料中的拉力增大，低溫開裂的可能性也隨之增大，所以SBS 改性劑的摻入，使瀝青在低溫環(huán)境下所受的拉力變小，有效地改善了瀝青的低溫開裂性能；巖瀝青中含有大量的瀝青質(zhì)，加入后使復(fù)合改性瀝青的脆性增大，松弛應(yīng)力下降，從而導(dǎo)致當(dāng)溫度發(fā)生劇烈變化時(shí)瀝青容易發(fā)生開裂。 巖瀝青的摻入雖然弱化了復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性，但與50?；|(zhì)瀝青相比仍不失其優(yōu)勢(shì)。

4 瀝青氣動(dòng)流變回彈性能分析

4.1 瀝青氣動(dòng)流變回彈試驗(yàn)原理

氣動(dòng)瀝青流變回彈試驗(yàn)采用LTI-210 瀝青質(zhì)量快速檢測(cè)設(shè)備，測(cè)量瀝青在單一應(yīng)力或多應(yīng)力條件下產(chǎn)生的蠕變以及蠕變恢復(fù)能力，從而可以快速得出瀝青膠結(jié)料的PG 分級(jí)、最大蠕變變形和彈性恢復(fù)率等數(shù)據(jù)。 該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是方便輕巧便于攜帶，可以在5 min 內(nèi)得到全面表征瀝青力學(xué)和路用性能的PG 分級(jí)。 加載原理示意圖如圖8 所示。 試驗(yàn)原理[15]如下:

圖8 氣動(dòng)回彈試驗(yàn)加載原理圖

(1) 瀝青氣動(dòng)流變回彈系統(tǒng)利用氮?dú)膺M(jìn)行加載，一般試驗(yàn)溫度為常溫(25 ℃)。 在瀝青試件圓形加載區(qū)域中加載20 s 氮?dú)?，通過測(cè)量系統(tǒng)的激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量并記錄加載時(shí)的變形。

(2) 加載結(jié)束后，瀝青變形開始恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間為10 s；激光測(cè)量系統(tǒng)不僅測(cè)量加載時(shí)的變形，還檢測(cè)和記錄材料卸載后的恢復(fù)變形，以便在一定時(shí)間內(nèi)獲得材料的變形恢復(fù)能力。

(3) 材料加載時(shí)的最大蠕變變形和卸載時(shí)的變形恢復(fù)能力是每種熱塑性材料的獨(dú)特性能，因此可用于快速評(píng)估一定溫度下瀝青材料的力學(xué)響應(yīng)和路用性能。

4.2 流變回彈分析

選取50?；|(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、SBS 和巖瀝青復(fù)合改性瀝青，利用LTI-210 瀝青質(zhì)量控制系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。 試驗(yàn)結(jié)果見表3，改性瀝青蠕變變形和蠕變變形恢復(fù)率曲線分別如圖9、10 所示。

表3 瀝青氣動(dòng)回彈試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)表3 和圖9、10 分析可知，相較于SBS 改性瀝青，復(fù)合改性瀝青在標(biāo)準(zhǔn)加載條件下產(chǎn)生的最大蠕變變形更小，蠕變恢復(fù)率更高，表明復(fù)合改性瀝青的剛度和模量更大，瀝青更硬，且瀝青的黏彈性能更好；在SBS 改性瀝青中，當(dāng)改性劑摻量為6%時(shí)，改性瀝青的回彈率為46.9%，待加入8%的巖瀝青后，復(fù)合改性瀝青的回彈率達(dá)到54.2%，其值提升了7.3%，表明復(fù)合改性瀝青的變形恢復(fù)要比單一SBS改善效果更佳。

圖9 改性瀝青蠕變變形曲線圖

圖10 改性瀝青蠕變變形恢復(fù)率圖

由表3 得到的PG 結(jié)果分析可知，SBS 改性劑和巖瀝青的加入提高了瀝青的高溫等級(jí)，當(dāng)SBS 改性劑摻量為6%、巖瀝青摻量為8%時(shí)，復(fù)合改性瀝青相較于基質(zhì)瀝青的高溫等級(jí)提高了兩級(jí)；只摻加SBS 改性劑時(shí)，低溫等級(jí)提升了一個(gè)等級(jí)，但隨著巖瀝青的加入，低溫等級(jí)又下降到原先水平。 結(jié)合DSR、BBR 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整體分析，巖瀝青的加入并沒有使瀝青的低溫性能徹底損失，SBS 改性劑的存在使復(fù)合改性瀝青保留了一定的低溫性能優(yōu)勢(shì)；通過瀝青氣動(dòng)回彈試驗(yàn)，快速評(píng)價(jià)并驗(yàn)證了復(fù)合改性瀝青的PG 等級(jí)，再基于最大蠕變變形及變形恢復(fù)率進(jìn)一步驗(yàn)證了SBS 和巖瀝青復(fù)合改性，從而有效地改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性和黏彈性能。

5 結(jié)論

文章通過瀝青性能試驗(yàn)，對(duì)基于SBS 改性劑加巖瀝青復(fù)合改性方式制備的50＃低標(biāo)號(hào)復(fù)合改性瀝青的性能分析，主要得出以下結(jié)論:

(1) 相比單一SBS 改性劑制備的改性瀝青，基于SBS 改性劑和巖瀝青復(fù)合改性的瀝青高溫性能表現(xiàn)更優(yōu)，低溫性能表現(xiàn)略差，但因SBS 改性劑在復(fù)合改性瀝青中發(fā)揮了低溫性能優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了因巖瀝青加入造成的低溫性能損失。

(2) 瀝青氣動(dòng)回彈試驗(yàn)不僅可以快速獲得瀝青的PG 分級(jí)結(jié)果，并且可以通過分析瀝青最大蠕變變形和瀝青回彈數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證明SBS 改性劑和巖瀝青復(fù)合改性低標(biāo)號(hào)瀝青可以更好地發(fā)揮兩種改性劑自身優(yōu)勢(shì)，既提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性，還保留了SBS 低溫抗裂性優(yōu)勢(shì)，形成相對(duì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。