透水路面高黏改性瀝青的高低溫性能評價

馮 芳

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引言

透水瀝青路面具有透水性好、降噪性強、抗滑性高等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用于市政道路工程。透水瀝青路面的應(yīng)用和推廣為海綿城市的建設(shè)提供了有力支撐，并為環(huán)境友好型道路的建設(shè)提供了依據(jù)。

透水瀝青路面是由大孔隙、開級配瀝青混合料鋪筑而成的，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成排水通道的低噪聲新型路面。低噪聲透水瀝青路面結(jié)構(gòu)層組合和所用材料的基本特點是上面層采用大空隙瀝青混合料，黏結(jié)料為高黏度瀝青；下承面層采用不透水的密級配瀝青混凝土，且在頂面灑布兼有防水功能的改性乳化瀝青黏層。透水瀝青路面設(shè)計中最關(guān)鍵的技術(shù)指標是瀝青膠結(jié)料的材料性能，一般采用高黏改性瀝青作為透水瀝青路面的膠結(jié)料。

1 透水瀝青路面的發(fā)展情況

目前，透水瀝青路面在國內(nèi)外均有應(yīng)用，大致的發(fā)展情況介紹如下。

一般國內(nèi)采用厚度約4 cm的大空隙瀝青路面。低噪聲透水瀝青路面是一種具有大于15%（一般為18%～25%）空隙率的瀝青路面[1]，由于其結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在不同的國家有不同的名稱。在德國被稱之為大空隙或排水性路面（Porous Asphalt）；在英國被稱為大空隙瀝青碎石（Pervious Macadam）；美國和日本稱其為開級配瀝青排水層（Open-Graded Asphalt Friction Course， 簡 稱OGFC）；加拿大則稱其為（Open-Graded Asphalt，簡稱OGA）；我國按照美國和日本的方法，稱之為OGFC[2]。由于開級配透水瀝青路面具有降低噪聲、增加抗滑、避免眩光、減小水漂等環(huán)保性能[3-4，6]，因此，常稱之為低噪聲透水瀝青路面。低噪聲透水瀝青路面因具有雨天行車安全、可降低噪聲以及能夠增加抗滑能力等特點，故在國內(nèi)外迅速發(fā)展起來。從20世紀50年代中期開始，低噪聲透水瀝青路面便已開始使用，現(xiàn)在主要用于美國、日本、丹麥、荷蘭、比利時、法國、澳大利亞和意大利等國家。

透水瀝青路面的設(shè)計采用間斷級配，集料之間的接觸是點接觸，混合料強度的保證主要依賴瀝青的黏結(jié)作用。因此，瀝青膠結(jié)料的性能指標是確保透水瀝青混合料質(zhì)量的關(guān)鍵。本文針對透水瀝青路面中高黏改性瀝青的高低溫性能進行試驗研究和評價分析，旨在明確透水瀝青路面設(shè)計中對高黏瀝青的基本要求和技術(shù)標準。

2 高溫性能評價

2.1 試驗方案

美國公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP）提出用車轍因子（G*/sinδ）評價瀝青材料的高溫性能，并將其作為高性能瀝青路面設(shè)計規(guī)范（SUPERPAVE）[5]中瀝青膠結(jié)料PG分級的主要參考指標。高性能瀝青路面設(shè)計規(guī)范（SUPERPAVE）中的瀝青標準規(guī)定：在路面最高設(shè)計溫度下，原樣瀝青的車轍因子（G*/sinδ）需大于或等于1.0 kPa；薄膜加熱老化（RTFOT）后殘留瀝青的車轍因子（G*/sinδ）需大于或等于2.2 kPa。

采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）測試瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)剪切勁度模量（G*）和相位角（δ）。進而用車轍因子（G*∕sinδ）評價瀝青膠結(jié)料的抗車轍能力，也即高溫性能。試驗測試溫度為平均路面設(shè)計溫度，結(jié)果分析中分別采用原樣瀝青及薄膜加熱老化（RTFOT）后殘留瀝青的車轍因子（G*∕sinδ），依次評價不同瀝青膠結(jié)料在老化前后的高溫性能。

本研究共測試了18種瀝青膠結(jié)料的高溫性能，其中17種是改性瀝青，1種是基質(zhì)瀝青，具體名稱及編號見表1。

2.2 結(jié)果分析

不同測試溫度條件下，18種瀝青老化前后的車轍因子（G*/sinδ）如圖1、圖2所示。

圖1 原樣瀝青的車轍因子

由圖1、圖2可知，高溫條件下，改性瀝青的車轍因子（G*/sinδ）普遍高于基質(zhì)瀝青的車轍因子（G*/sinδ）。由此可見，在瀝青路面的使用溫度范圍內(nèi)，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性普遍優(yōu)于基質(zhì)瀝青，改性瀝青的抗車轍能力也普遍高于基質(zhì)瀝青。

圖2 RTFOT殘留瀝青的車轍因子

3 低溫性能評價

3.1 試驗方案

對于瀝青的低溫性能常采用的方法是5℃延度、低溫柔度等指標，但這些指標在有效區(qū)分瀝青性能等方面存在缺陷。本文通過借鑒瀝青混合料低溫彎曲試驗的經(jīng)驗和成果，對改性瀝青材料的低溫彎曲抗拉試驗進行研究，以進一步評價改性瀝青的低溫性能。

依據(jù)國內(nèi)外已有的經(jīng)驗[7~10]，本課題在進行該項研究時，試驗采用的溫度為-20℃溫度點，試驗采用的加載裝置是型號為WDW-5的萬能試驗機，試件是尺寸為長120 mm×寬20mm×高20 mm的瀝青樣條。試驗通過獲得的最大應(yīng)力及對應(yīng)的撓度數(shù)值，計算相應(yīng)的彎曲抗拉模量和韌度。

3.2 結(jié)果分析

改性瀝青低溫性能指標的測試結(jié)果如表2以及圖3所示。

由試驗結(jié)果可知，改性后的瀝青材料的模量和韌度大多是下降的，只有極個別的是增加的，例如7#瀝青的模量和10#瀝青的韌度，這種反常極有可能是由實驗室的誤差引起的。一般情況下老化前的指標更能代表材料的使用性能，因此建議采用老化前的指標作為評價指標。不同改性瀝青的模量大小排序為：4#＞7#＞5#＞3#＞6#＞2#＞9#＞1#＞8#＞10#，韌度大小排序為：8#＞7#＞6#＞3#＞2#＞5#＞1#＞4#＞9#＞10#。由此可以看出，不同改性瀝青在模量較高的情況下，其韌度不一定較高，因此此項試驗建議采用兩指標共同控制。

如圖4和圖5所示，通過對改性瀝青的低溫彎曲抗拉試驗，可以看到市場上改性瀝青該項性能的平均生產(chǎn)力水平。其中有70%瀝青材料的模量值介于450~650MPa之間，對于模量值在450MPa以下和650 MPa以上的僅占30%。對于韌度的分布值，其中50%的改性瀝青材料在100~200 kPa之間，還有30%的達到了200 kPa以上，僅有20%的改性瀝青的韌度值100 kPa以下。因此對于該項試驗的技術(shù)標準值，以一定的市場保證率為依據(jù)，提出模量不大于450 MPa，韌度不小于100 kPa的技術(shù)標準要求。而且，根據(jù)左東奧瀝青（4#）綜合量指標可以看出是處于中等生產(chǎn)力水平的。

表2 改性瀝青低溫彎曲試驗結(jié)果

圖3 改性瀝青的模量和韌度大小比較

圖4 模量分布水平

4 感溫性能評價

4.1 試驗方案

圖5 韌度分布水平

瀝青的針入度反映了瀝青的平均黏度，與瀝青路面的使用性能密切相關(guān)。它不僅表現(xiàn)在高溫穩(wěn)定性上，對于瀝青的低溫抗裂性也同樣重要。在寒冷地區(qū)，為了預(yù)防開裂，宜選用針入度較大的軟質(zhì)瀝青[11]。研究表明，當瀝青的針入度小于45（0.01 mm）、延度小于20 cm時，路面開裂便比較多。一般來說，瀝青的針入度在加熱拌合過程中會降低很多，鋪筑到路面上以后2年內(nèi)也會降低較多，而以后的變化很小[11]。因此，瀝青的針入度，尤其是老化后的針入度與瀝青路面的抗裂性能關(guān)系非常密切。

目前，國際上對瀝青15℃針入度日益重視。美國SHRP通過對瀝青混合料低溫開裂的評價研究表明，無論是原樣瀝青、短期老化還是經(jīng)長期老化后的瀝青，其15℃針入度與反映瀝青混合料低溫開裂性能的約束試件溫度應(yīng)力試驗（TSRST）的破斷溫度之間有良好的相關(guān)關(guān)系，15℃針入度越大，抗裂性能越好。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)深圳不同季節(jié)瀝青路面溫度場分布情況，本文研究測試了5℃、15℃、25℃和30℃四個溫度下瀝青老化前后的針入度。本節(jié)以25℃和15℃兩個溫度下老化前后針入度為主要分析對象，考察目前市面上常用改性瀝青的針入度水平。

如圖6所示可知，（1）除海川高黏度改性瀝青和路安特高黏度改性瀝青外，75%的改性瀝青老化前25℃針入度均能達到佐東奧高黏度改性瀝青技術(shù)指標要求。其中佐東奧高黏度改性瀝青老化前25℃針入度為56.8（0.01 mm），處于所測試瀝青的中上水平。（2）除路翔高黏度改性瀝青外，其余改性瀝青經(jīng)高溫短期熱老化后，同一溫度下的針入度均有所下降，但下降幅度均在35%以內(nèi)，滿足國家相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。50%改性瀝青降幅保持在10%~20%范圍內(nèi)，25%的改性瀝青降幅在10%以下。

圖6 老化前后瀝青25℃針入度水平

如圖7所示可知，15℃的針入度明顯小于25℃時的針入度，且同一溫度下不同瀝青間的變化幅值減小，即各種改性瀝青在15℃時的針入度差別不顯著。

如圖8所示可知，目前市場上在售的改性瀝青的針入度水平普遍較高，老化后針入度降低幅度并不顯著，15℃老化前后的針入度變化幅度較25℃老化前后變化幅度更小。

5 結(jié)語

本文通過對18種瀝青進行系統(tǒng)的試驗研究，分析評價了市售改性瀝青高低溫性能的優(yōu)劣程度，主要得到以下結(jié)論。

圖7 老化前15℃與25℃針入度情況

圖8 老化后瀝青15℃針入度下降百分比

（1）在瀝青路面的使用溫度范圍內(nèi)，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性普遍優(yōu)于基質(zhì)瀝青，改性瀝青的抗車轍能力也普遍高于基質(zhì)瀝青。

（2）建議采用老化前低溫指標評價改性瀝青的低溫性能。評價指標建議確定為：模量不大于450 MPa，韌度不小于 100 kPa。

（3）市售改性瀝青的針入度水平普遍較高，老化后針入度降低幅度并不顯著，15℃老化前后的針入度變化幅度較25℃老化前后變化幅度更小。