抗扭轉型高黏度改性瀝青的研發與性能評價

王強，姚鴻儒，李健，牛曉偉，曹亞東

（1.上海公路橋梁（集團）有限公司，上海 200433 2.上海城建日瀝特種瀝青有限公司，上海 200231）

排水瀝青路面作為一種安全降噪的環境友好型生態路面，在國外已有大量應用，在國內也有長時間的實踐，但一直沒有得到大規模的應用。究其原因，在于排水瀝青鋪裝特殊的骨架空隙結構，要求瀝青膠結料具有優異的黏韌性、耐老化、抗飛散等性能，雖然高黏度改性瀝青技術已相當成熟，但還存在一些問題。在交叉口轉彎車輛多，排水路面細集料少，路面承受剪切扭轉力的共同作用，容易發生飛散現象[1]。且車輛經過交叉口時，車速較慢，路面更容易出現車轍損壞。因此排水性路面交叉口需要特殊設計，提高路面抗剪切扭轉變形能力以及抗荷載能力。以下幾個方案可有效應對排水路面交叉口病害情況：

（1） 在交叉口區域采用抗荷載性能更佳的SMA 或AC 級配瀝青混合料。損失了鋪裝的一致性和排水瀝青鋪裝的排水降噪功能，但成本較低。

（2） 降低排水瀝青鋪裝的空隙率，從通常的20%降低到17%。在保有排水降噪功能的同時提高了抗飛散能力，成本基本一致。但如果是有重載交通的場所，此方案的提升能力有限。

（3） 采用環氧瀝青的排水瀝青鋪裝。反應性的環氧瀝青樹脂提高了混合料的強度，保證功能性的同時提高了抗飛散能力，但成本很高，且對施工作業的要求很高。此外，由于是熱固性材料，將來銑刨后的回收料難以循環利用，而且環氧瀝青混合料容易發生開裂。

（4）表面強化工藝（TopCoat）。采用甲基丙烯酸甲酯（MMA）之類的樹脂材料涂布在排水瀝青鋪裝表面，此方案基本不降低排水瀝青路面的功能性，且具有很好的抑制飛散的效果。添加了顏料的MMA 使鋪裝變成彩色鋪裝，具有景觀和標識的效果。但是，TopCoat 一般難以與瀝青混合料同時施工，需要額外的封交時間和養生時間，而且有難聞的氣味。

（5） 半柔性鋪裝，在瀝青混合料母體中摻加剛性材料水泥砂漿或灌注水泥砂漿，能夠提高瀝青混合料的抗車轍能力，同時改善瀝青混合料的低溫抗裂性和耐久性。此種路面結構通過骨料之間的相互嵌擠作用和灌入的水泥膠漿共同形成材料強度，提高了路面抵抗荷載作用的能力。但與TopCoat 一樣，需要額外的封交時間和養生時間，而且成本較高。

（6） 采用性能更優的高黏度改性瀝青，既保證了交叉口具有良好的抵抗交通荷載的能力，同時還可保證交叉口路面的排水性能，而且具有很好的抗開裂能力。

對比以上幾種方法，半柔性鋪裝和密級配的瀝青混合料都是犧牲了交叉口處的排水性能來提高其抗扭轉能力，這違背了排水瀝青鋪裝的初衷；半柔性鋪裝和TopCoat 需要在原來的排水瀝青鋪裝之后再增加一道工序，工期更長。因此推薦第六種方法，從膠結料的角度改善排水瀝青鋪裝的抗扭轉飛散能力。為此本研究開發了一種專門用于交叉口、匝道等小轉彎半徑處的抗扭轉性能更優的高黏度改性瀝青，即抗扭轉型高黏度改性瀝青（以下稱抗扭轉高黏瀝青），并評價其混合料路用性能。

日本對排水瀝青鋪裝研究和應用較多，目前已將高黏度改性瀝青列入規范[2]。但抗扭轉高黏瀝青還屬于標準外產品。東亞道路、日瀝、大有等公司開發了抗扭轉高黏瀝青，其公司標準如表1。

表1 日本抗扭轉高黏瀝青技術要求

由表1可知，日本幾家公司的抗扭轉高黏瀝青技術要求基本一致，25 ℃針入度控制在10～30 1/10 mm，黏韌性的測試溫度為40 ℃。通過參考日本的技術指標，開發抗扭轉高黏瀝青，研究影響排水瀝青混合料抗扭轉性能的關鍵指標，并采用旋回式車轍試驗和靜扭試驗評價其抗扭轉性能。

1 試驗方法

改性瀝青的針入度、軟化點、延度、薄膜加熱老化、閃點、黏韌性、與粗集料的剝離面積率分別按照T0604、T0606、T0605、T0609、T0611、T0624、T0616 測試[3]；-20 ℃彎曲工作量試驗方法參考DB 32/T 2678—2014 附錄F[4]。瀝青混合料的動穩定度按照T0719 測試[3]。

1.1 剪切應力

采用動態剪切流變儀（DSR）進行正弦振蕩試驗。設定的試驗條件使瀝青膠結料的受力狀態盡可能與其在旋回式車轍試驗中的受力狀態對應。試驗溫度與旋回式車轍試驗一致，為60 ℃。

由于試驗溫度大于30 ℃，采用直徑為25 mm的平板流變儀，板間隙2 mm。進行PG分級測試時，頻率為10 rad/s 是為了與車輛速度80～100 km/h對應；且頻率對材料的粘彈性有很大的影響，有必要根據扭轉發生的受力條件設定頻率，設定為1.1 rad/s。根據頻率確定線性粘彈區，從而確定應變量為5%[5]。

1.2 旋回式車轍試驗

為研究排水瀝青鋪裝的抗扭轉飛散能力，采用旋回式車轍試驗儀評價排水性瀝青混合料對小轉彎半徑扭轉作用造成的骨料飛散的抵抗能力[6]。在試件表面施加強制的扭轉作用，試件受力發生骨料飛散，從而產生車轍，通過千分尺測定變形量來表征材料抵抗扭轉的能力。為保證試驗溫度，整個設備放在步入式控溫試驗箱中，設備見圖1。

采用的試件尺寸與測試動穩定度的車轍試件相同（30 cm×30 cm×5 cm），旋回車轍試驗條件見表2。試驗選用統一類型級配OGFC-13，空隙率為20%，成型車轍板進行后續試驗研究。以變形量達到10 mm 的時間來評價瀝青混合料抵抗扭轉的能力[7]。

圖1 旋回式車轍試驗儀

表2 旋回式車轍試驗條件

1.3 靜扭試驗

旋回式車轍試驗評價小轉彎半徑時輪胎對瀝青混合料的動態飛散作用，而車輛在停車等情況下轉向時的靜態扭轉對瀝青混合料也有很強的剝離作用。為評價瀝青混合料的抵抗靜態扭轉的能力，采用實際的車輪進行靜扭試驗，試驗條件見表3，設備照片見圖2。測試扭轉前后時間的質量損失。

圖2 靜扭試驗設備

表3 靜扭試驗條件

2 結果與分析

2.1 影響抗扭轉性能的關鍵膠結料技術指標

為研究影響抗扭轉性能的關鍵膠結料技術指標，制作了六種抗扭轉性能不同的瀝青樣品，編號為A～F，測試其針入度、軟化點和-20 ℃彎曲工作量等膠結料性能，見表4，采用旋回式車轍試驗測試其變形量達到10 mm 時所需時間。

由表4可知，以達到相同10 mm 變形時間來評價，從方案A 到方案F 的變形時間逐漸增大，但從針入度、軟化點、-20 ℃彎曲工作量三個膠結料的指標上沒有看到任何明顯的變化規律。

由圖3可知，通過DSR 試驗可得到高黏度改性瀝的儲能模量G’、損耗模量G’’、復數模量G*、剪切應力等指標。其中與10 mm 變形時間的相關關系最好的是剪切應力，并進行相關性分析得到R2=0.89。由此可見，隨著剪切應力越大，變形量達到10 mm 時所需時間就越長，瀝青混合料抵抗扭轉飛散的能力越強。

由圖4可知，剪切應力與靜扭試驗質量損失呈現出很好的相關關系，相關系數R2=0.95。剪切應力越大，靜扭試驗質量損失越小，混合料抵抗靜扭剝離的能力越強。

表4 抗扭轉高黏改性瀝青基本性能指標

圖3 剪切應力與10 mm 變形時間的關系

圖4 剪切應力與靜扭試驗質量損失的關系

2.2 抗扭轉高黏瀝青的膠結料性能

參考日本相關的企業標準，結合上述研究，開發了抗扭轉高黏瀝青，性能指標見表5。

表5 新開發抗扭轉高黏瀝青性能指標

2.3 抗扭轉高黏瀝青的混合料性能

基于上述研究，將開發的抗扭轉高黏瀝與普通高黏度改性瀝青進行對比（制備空隙率為20%的OGFC-13 瀝青混合料），測定其動穩定度與旋回車轍試驗的變形量，見圖5、6。

圖5 膠結料對動穩定度的影響

圖6 膠結料對旋回車轍變形量的影響

由圖5可知，抗扭轉高黏瀝青的動穩定度是普通高黏度改性瀝青約2.5 倍，表現出明顯的高溫穩定性能。由圖6的旋轉車轍試驗可知，普通高黏度改性瀝青混合料在50 min 時已達到8 mm的變形，而抗扭轉高黏瀝青混合料的達到相同的8 mm 時需要約300 min，是普通高黏度瀝青混合料的6 倍。

動穩定度和旋回車轍試驗表明，抗扭轉型高黏改性瀝青混合料具有較強的抗扭轉飛散能力和高溫穩定性能。

3 結論

a）從提升瀝青膠結料性能的角度開發出了抗扭轉型高黏度改性瀝青，應用于小轉彎半徑的排水瀝青混合料。通過DSR 試驗和旋回式車轍試驗表明剪切應力越大，變形量達到10 mm 時所需時間就越長，瀝青混合料抵抗扭轉飛散的能力越強。

b）旋回式車轍試驗和靜扭試驗表明開發的抗扭轉高黏瀝青混合料具有很好的抗飛散和抗扭轉效果。

c）與普通高黏瀝青排水瀝青混合料相比，抗扭轉型具有較強的抗扭轉飛散和高溫穩定性。