抗車轍復合改性瀝青的制備及性能評價

徐敏顏奇

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 湖南長沙 410000 2.湖南省第二測繪院 湖南長沙 410000）

1 概述

近年來社會經濟發展迅猛，大交通量、重載、超載現象頻出，導致公路在設計周期內早期病害問題嚴重，其中夏季高溫地區或長大陡坡路段的車轍問題表現尤為突出。究其原因，除了重載、超載嚴重外，路面材料自身抗高溫性能不足及抗推移性能欠缺等也是形成病害的重要原因。為了改善瀝青混合料的膠漿性能，提高路面鋪裝層的抗車轍性能，國內開發使用了各式各樣的改性瀝青，但效果均不是很理想。鑒于此，為進一步提高鋪裝層抗車轍能力，本文制備了一種的新的復合改性瀝青，通過一系列試驗并與其他各種瀝青的路用性能進行對比分析，結果表明：復合改性瀝青具備良好的高溫穩定性和抗車轍能力強、經濟實惠，適用于高溫地區、收費站進出口、長大陡坡路段或宜于橋面鋪裝層。

2 改性瀝青制備

2.1 原材料

本次試驗主要目的是為了提高瀝青的高溫穩定性，獲得具有良好抗車轍能力的改性瀝青，依據聚合物改性原理，本文選取的制備材料包括：基質瀝青、改性劑A、B、C、D。基質瀝青技術指標見表1。

表1 基質瀝青

2.2 試驗方案

本次試驗方案采用正交設計，選用一張L9（34）的正交表，安排了4個因素，每個因素有3個水平，并隨機化處理，均衡搭配，試驗次數9次，所得的試驗結果在一定程度上具有可靠性。在分析數據時采用直觀分析法，即在試驗中，諸因素對響應的影響是有主次之分的，對試驗結果影響大，就是主要的，相應的試驗結果之間的差異就大，反之，是次要的，差異就小，這個主次關系用極差R來表示。以此判定各因素對性能指標的影響，并采用綜合平衡法確定各水平之間的最佳組合方案。

2.3 生產工藝及流程

改性瀝青生產流程主要分為研磨反應系統和導熱油加熱循環系統。研磨反應系統將基質瀝青與改性劑充分混合后，聚和物改性劑在研磨、擠壓和加熱的綜合作用下逐漸變細，最終以細小的顆粒狀或絲狀分布于瀝青中；送到成品罐繼續攪拌反應，使基質瀝青與改性劑的混合體進一步相互作用，發生溶脹、滲透和擴散，形成一個均勻、穩定的膠狀體物質。本次所用改性瀝青的生產工藝為對聚合物實現兩級研磨、兩次發育，使改性劑A、B、C、D均勻分散到基質瀝青中，充分發育，形成空間網狀結構，達到改性效果。其工藝流程如圖1所示。

圖1 復合改性瀝青工藝流程圖

2.4 最佳配比方案確定

本文選取當量軟化點T800和旋轉粘度兩個指標來衡量高溫穩定性。當量軟化點T800具有軟化點表示瀝青高溫性能的全部優點，又克服了瀝青中蠟對軟化點的影響。當量軟化點升高，說明其高溫穩定性得到了提高，因此考核此指標較真實客觀，為了兼顧瀝青低溫性能，將當量脆點T1.2納入考核體系一并考慮。試驗數據分析如表2。

表2 T800、T1.2正交試驗分析表

試驗結果分析：

（1）第4號試驗的總功率系數d=1.00，其值最大，相應的試驗條件是A2B1C2D3；

（2）對于總功率系數d，影響因素的主、次順序為C＞B＞A＞D。因素A隨摻量的增加，總功率系數d增加的幅度趨勢是先陡后緩，并略有降低，故取水平A2；當因素B對總功率系數d影響是先降后升，可取水平B1；因素C在C1～C3范圍內變化時，d呈先快速上升后減緩的趨勢，可取水平C2；因素D在各水平內，d呈下降的趨勢，但變化不大，且影響是最次要的，可取三水平中的任一水平，記為D0，故推薦的試驗條件為：A2B1C2D0。

粘度是指瀝青在外力作用下抵抗變形的能力。它反映瀝青內部材料阻礙其相對流動的特性。在一定的溫度范圍內，當溫度升高時，粘度隨之降低，反之則增大。粘度大的瀝青在荷載作用下產生較小的剪切變形，彈性恢復性能好，殘留的永久性塑性變形小，抵抗車轍的能力強。135℃粘度試驗值見表3。

表3 135℃粘度正交試驗分析表

由表3分析可知：①影響改性瀝青135℃粘度指標大小的主要因素排列順序為：A＞B＞C＞D；②因素A隨摻量的增加，粘度值呈先緩慢增加后陡增的趨勢，考慮施工和易性的要求（135℃時粘度指不得超過3Pa·s），不宜采用過高摻量，取水平A2；因素B隨摻量的增加，粘度值基本上呈先增后減趨勢，可取水平B2/B1；因素C對粘度值的影響是呈遞減趨勢，可取水平C1/C2；而因素D的影響趨勢是先降后增，且相差不大，由于因素D對粘度影響程度是最次要的，可忽略。

經論證，采用綜合平衡法，以高溫穩定性為主要考核指標，兼顧瀝青低溫性能和和特點，推薦采用方案：A2B1C2。

3 DSR試驗評價

Superpave瀝青結合料性能規范指出以最高路面設計溫度下DSR試驗指標G*/sinδ作為瀝青的高溫評價指標，按照G*/sinδ超過1.0kPa（原樣瀝青）和2.2kPa（經烘箱老化后）的臨界溫度將瀝青分成不同的等級。臨界溫度越高，表明該種瀝青抵抗高溫流動變形的能力越強，在某一溫度下，瀝青G*/sinδ的越大，表示抗車轍能力越強。試驗數據見表4。

由表4可知：①復合改性瀝青的車轍因子G*/sinδ相對70#瀝青、SBS改性瀝青都有大幅度的增長，表明其溫度敏感性低、高溫下抵抗剪切變形的能力強，高溫穩定性得到明顯改善；②經RTFOT老化后，復合改性瀝青的G*/sinδ較原樣瀝青都有不同程度的提高，表明其抗老化能力強，老化后瀝青的彈性作用增大，主要原因是短期老化使瀝青與改性劑的相容性得到進一步改善；③按SHRP規范分級：復合改性瀝青PG88-22，SBS改性瀝青PG76-28，70#瀝青PG70-22，表明復合改性瀝青的高溫適應溫度較后兩者分別高出了2～3等級，且G*/sinδ在88℃的實測值遠大于規范要求，說明其可適應更高的溫度范圍。

表4 不同瀝青結合料老化前后的車轍因子（G*/sinδ）

4 經濟效益分析

一種好的新型材料，除了具備良好的路用性能外，還必須考慮其使用成本，本文根據市面價格，對比了幾種瀝青的成本，其結果見表5。

表5 瀝青成本估算

由表5可知，幾種瀝青使用成本由低到高排序為：70#瀝青＜SBS改性瀝青＜復合改性瀝青＜環氧瀝青，雖然復合改性瀝青的價格較SBS改性瀝青高出了19.6個百分點，但僅為環氧瀝青的10.3%，其施工工藝遠不及環氧瀝青復雜。復合改性瀝青混合料良好的路用性能要明顯優于SBS改性瀝青混合料和普通瀝青混合料，尤其是高溫抗車轍能力，能夠提高路面的耐久性，延長其壽命，可以減少維修次數、節省養護和維修費用，改善行車條件，其社會經濟效益良好，應用前景廣闊。

5 結語

（1）通過正交試驗制備出了一種新型的復合改性瀝青，確定了基于高溫性能評價的最佳配合比方案，總結了該種瀝青的生產工藝。

（2）復合改性瀝青的當量軟化點，G*/sinδ和粘度指較70#瀝青和SBS改性瀝青都有顯著地提高，其混合料的動穩定度大，表明復合改性瀝青及其混合料的高溫穩定性得到了極大的改善。

（3）復合改性瀝青抗永久變形能力強，能有效的解決路面車轍問題，且價格遠低于環氧瀝青，僅略高于SBS改性瀝青，經濟實惠。建議在氣候炎熱、重載較多、長大縱坡等路段推薦使用。

[1]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]正交設計.北京大學數學力學系數學專業概率統計組編[M].1977.

[3]牟建波，張蘭軍.高性能改性瀝青的開發與應用研究[J].公路，2001.

[4]李寧利.改性瀝青混合料路用性能及施工特性研究，2005.

[5]李宇峙.SHAP瀝青膠結料規范及瀝青混合料設計簡介[M].2001.