新型高強瀝青SHRP試驗及混合料抗水侵蝕性能研究*

陳其龍，覃峰，靳衛華，唐雙美

(1.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530216；2.廣西南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530000；3.中遠海運國際貿易有限公司，北京 100029 )

SHRP試驗將瀝青路面的路用性能與室內研究建立直觀聯系，將瀝青的基本性能與其所處環境相結合，評價瀝青路面的綜合性能。柳葉芳等在瀝青中摻入不同摻量巖瀝青制成巖瀝青改性瀝青進行SHRP試驗,結果顯示在瀝青中添加適量巖瀝青,瀝青膠結料的抗車轍因子、抗疲勞因子及運動黏度顯著提高,PG高溫等級提高近2個等級，但低溫性能有所下降,實際應用中應嚴格控制巖瀝青摻量。趙曉康等對6種不同油源及標號的石油瀝青進行動態剪切流變試驗(DSR),綜合評價各瀝青結合料的高溫性能及抗疲勞性能,并將其與國內常規試驗結果進行對比,探究SHRP試驗指標與國內瀝青常規指標之間的關聯性，結果表明SHRP試驗指標可將瀝青性質與路用性能結合起來,能更好地反映瀝青材料的路用性能。李海軍等通過SHRP瀝青膠結料試驗,基于瀝青路用性能的流變力學條件,測試不同標號、不同老化程度道路瀝青在一定溫度范圍內的性能，結果表明膠結料高溫指標(車轍因子)對不同標號瀝青的響應程度比低溫指標(勁度模量)大,與針入度試驗方法相比,在評定石油瀝青低溫性能量度方面,SHRP方法的溫度分級量度偏大。該文將高強改性劑和自行研制的抗車轍劑加入70#Esso重交基質瀝青中得到新型高強改性瀝青，并對其進行SHRP試驗及瀝青混合料抗水侵蝕性能研究，評價新型高強瀝青膠結料的高溫性能、抗疲勞性能及抗水侵蝕性能。

1 試驗原料

1.1 基質瀝青

基質瀝青采用70#Esso重交瀝青，其基本性能指標見表1。

表1 70#Esso重交瀝青的性能指標

1.2 高強改性劑

高強改性劑的主要性能指標見表2。該改性劑最大程度上避免了無效組分的負作用，可大幅改善瀝青的高溫性能，且對瀝青各項性能的改善效果較均衡，還能減輕改性瀝青在生產過程中的老化現象。

表2 高強改性劑的性能指標

1.3 自行研制的抗車轍劑

抗車轍劑由多種改性劑復配而成，其性能指標見表3，具有高軟化點、高溶解度、適用性強等特點，與70#Esso重交瀝青具有良好的互溶性。

表3 抗車轍劑的性能指標

1.4 集料及填料

粗集料由石灰巖加工而成，分為15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm 4種規格；細集料為由石灰巖加工而成的石屑(0～3 mm)；填料采用由石灰巖碎石磨細的礦粉。其性能指標見表4，均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。

表4 礦料的性能指標

2 試樣制備

2.1 新型高強瀝青試樣制備

將70#Esso重交瀝青加熱到180 ℃,按比例分別添加高強改性劑和抗車轍劑(添加時間間隔0.5 h,給予瀝青充分的發育時間),使用剪切機高速旋轉剪切,使高強改性劑和抗車轍劑均勻分散到基質瀝青中。各改性劑與添加劑相對于70#Esso重交瀝青的質量比如下：高強改性劑為1.5%～18%；抗車轍劑為1%～10%；穩定劑為0.1%～5%；助溶劑為1%～10%。

70#Esso重交瀝青的價格為3 000元/t，高強改性劑的價格為12 000元/t，自行研制的抗車轍劑的價格為8 000元/t，自行研制的穩定劑的價格為6 900元/t，助溶劑的價格為35 000元/t。根據上述配方，新型高強瀝青的價格為5 500元/t，加上人工及運輸費用，新型高強瀝青的價格為6 000元/t，與進口高強瀝青(13 000元/t)相比具有明顯優勢。

2.2 SHRP試樣制備

按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求制作SHRP試樣。DSR試樣制備：將新型高強瀝青在烘箱中加熱至流動狀態后澆筑至試驗板中心處，待高強瀝青變硬后將試驗板裝回流變儀。低溫小梁彎曲試驗(BBR)試樣制備：將新型高強瀝青在烘箱中加熱至流動狀態后澆筑至金屬試模中，冷卻至室溫后切掉高出模具頂端的部分，得到BBR試樣。將新型高強瀝青加熱至203 ℃并保持40 min，制得旋轉黏度試驗試樣。

2.3 混合料試樣制備

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，將配置好的新型高強瀝青混合料以旋轉壓實的方式成型試樣，再以4.30%的油石比制備浸水馬歇爾試樣、凍融劈裂試樣、浸水車轍試樣。

3 瀝青SHRP試驗結果與分析

3.1 DSR 試驗分析

通過DSR試驗測試新型高強瀝青膠結料的流變性能。先將原樣新型高強瀝青、SBS改性瀝青、70#Esso重交瀝青進行DSR試驗，試驗板板徑為25 mm,試驗間隙為1 mm，試驗頻率為10 rad/s,應變為12%，試驗結果見圖1、圖2；然后對新型高強瀝青RTFOT試驗后的殘留物進行DSR試驗，試驗板板徑為25 mm,試驗間隙為1 mm，試驗頻率為10 rad/s,應變為10%，試驗結果見圖3；最后將 RTFOT試驗后殘留物經PAV老化后進行DSR試驗，試驗板板徑為8 mm,試驗間隙為2 mm，試驗頻率為10 rad/s,應變為1%，試驗結果見表5。表6 為不同類型瀝青的PG高溫等級。

表6 不同類型瀝青的PG高溫等級

圖2 原樣新型高強瀝青不同溫度下的抗車轍因子

圖3 新型高強瀝青RTFOT后殘留物的抗車轍因子

由圖1～3、表5～6可知：1) 相同試驗溫度(50 ℃或60 ℃)下，新型高強瀝青的抗車轍因子高于SBS改性瀝青和70#Esso重交瀝青，其高溫性能和流變性能更優，更適用于中國南方高溫地區。2) 原樣高強瀝青在60 ℃下的抗車轍因子是試驗溫度76 ℃下抗車轍因子的4.11倍，而試驗溫度82 ℃下抗車轍因子僅為60 ℃下抗車轍因子的12.19%，說明高強瀝青的溫感性能較強，其彈性恢復能力隨著試驗溫度的升高而降低。3) 同一溫度等級下，原樣高強瀝青和 RTFOT 老化后高強瀝青的抗車轍因子都隨著溫度的上升而下降，且RTFOT 老化后高強瀝青的抗車轍因子比原樣高強瀝青的小，說明RTFOT老化后高強瀝青的彈性恢復能力不斷減小，抗車轍能力不斷弱化。4) 溫度下降時，高強瀝青的復合模數上升，相位角下降，且抗疲勞因子小于5 000 kPa，說明高強瀝青的疲勞損傷發展緩慢，其抗疲勞性能優異。5) 高強瀝青的PG高溫等級比SBS改性瀝青提高2個等級，比70#Esso重交瀝青提高3個等級，其高溫性能優異。

圖1 不同類型原樣瀝青的抗車轍因子

表5 PAV殘留物DSR試驗結果

3.2 BBR 試驗分析

瀝青在低溫環境下表現為彈性體,如果瀝青的蠕變勁度很大,瀝青會呈現脆性狀態,瀝青路面容易開裂。為防止瀝青路面開裂破壞,需限制瀝青的蠕變勁度。參照Superpave規范，分別對原樣新型高強瀝青、RTFOT老化后高強瀝青及PAV老化后高強瀝青進行BBR試驗,試驗結果見表7。

表7 新型高強瀝青BBR試驗結果

從表7可看出：1)原樣、RTFOT 老化和PAV老化后新型高強瀝青在試驗溫度-12 ℃時的M值均符合規范要求(≥0.3)，但試驗溫度為-18 ℃時3種狀態瀝青的M值均不滿足要求，說明經過老化后高強瀝青的低溫性能變化幅度不大。2) -12 ℃時，原樣、RTFOT老化后和PAV老化后新型高強瀝青的PG低溫等級均為-22 ℃，沒有變化。

3.3 旋轉黏度試驗分析

參照AASHTO-T316方法對3種瀝青進行布洛克菲爾德旋轉黏度試驗,試驗結果見表8。

表8 不同類型瀝青的旋轉黏度試驗結果

從表8可以看出：不同品種瀝青在試驗溫度135 ℃下的布氏黏度均小于3 Pa·s，符合規范要求；高強瀝青的布氏黏度為2.980 Pa·s，高于其他2種瀝青，在70#Esso重交瀝青中加入高強改性劑和抗車轍劑會大大增強其黏性。

4 瀝青混合料抗水侵蝕性能試驗研究

4.1 級配設計

結合工程實際進行瀝青混合料級配設計，結果見表9。

表9 AC-20瀝青混合料級配設計

4.2 馬歇爾試驗分析

采用旋轉壓實儀分別成型新型高強瀝青、SBS改性瀝青混合料試件，試樣冷卻24 h后進行馬歇爾試驗，試驗結果見表10。

表10 瀝青混合料馬歇爾試驗結果

由表10可知：新型高強瀝青混合料的穩定度高于SBS改性瀝青混合料。穩定度是反映混合料力學性能的重要指標，表征混合料抵抗破壞的能力,也是瀝青混合料高溫穩定性評價指標。新型高強瀝青混合料的穩定度提高，表明添加高強改性劑和抗車轍劑可在一定程度上提高混合料的高溫性能。

4.3 浸水馬歇爾試驗分析

依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》分別成型2種瀝青混合料馬歇爾試件,冷卻24 h后脫模，在60 ℃±0.5 ℃恒溫水浴中浸泡48 h后進行浸水馬歇爾試驗，測定其穩定度，試驗結果見表11。

表11 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

由表11可知：新型高強瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度是SBS改性瀝青混合料的1.02倍，說明加入高強改性劑能提高混合料的力學性能。

4.4 凍融劈裂試驗分析

依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》分別成型2種瀝青混合料凍融劈裂試件，每種混合料采用8個試樣，隨機分成2組。第一組室溫下保存，第二組進行真空飽水后放入-18 ℃±2 ℃冰箱中冷凍16 h±1 h后再放入60 ℃±0.5 ℃恒溫水箱中保溫24 h，最后將2組試樣一起放入25 ℃±0.5 ℃恒溫水槽中不少于2 h，然后進行凍融劈裂試驗，測試其抗拉劈裂強度，試驗結果見表12。

由表12可知：凍融前后新型高強瀝青混合料的劈裂強度均比SBS改性瀝青大,說明加入高強改性劑可有效提高混合料的劈裂強度。

表12 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

4．5 高溫穩定性試驗分析

進行不浸水車轍試驗，試驗溫度(60±1) ℃,荷載輪壓(0.7±0.05) MPa,作用時間60 min，試驗結果見表13。

表13 瀝青混合料高溫穩定性試驗結果

由表13可知：新型高強瀝青混合料的動穩定度高于SBS改性瀝青混合料，其高溫穩定性優于SBS改性瀝青混合料。

5 結論

(1) 原樣新型高強瀝青在試驗溫度60 ℃下的抗車轍因子是試驗溫度76 ℃下抗車轍因子的4.11倍，而試驗溫度82 ℃下抗車轍因子僅為試驗溫度60 ℃下抗車轍因子的12.19%，說明新型高強瀝青的溫感性能較強，其彈性恢復能力隨著試驗溫度的升高而降低。

(2) 溫度下降時，新型高強瀝青的復合模數上升，相位角下降，且抗疲勞因子均小于5 000 kPa，說明新型高強瀝青的疲勞損傷發展緩慢，其抗疲勞性能優異。

(3) 新型高強瀝青的PG高溫等級比SBS改性瀝青提高2個等級，比70#Esso重交瀝青提高3個等級；其PG低溫等級均為-22 ℃，沒有變化。

(4) 新型高強瀝青的布氏黏度為2.980 Pa·s，略小于規范要求的3.000 Pa·s，高于SBS改性瀝青和70#Esso重交瀝青，說明在70#Esso重交瀝青中加入高強改性劑和抗車轍劑會大大增強瀝青的黏性，其工作性能有所降低，但不影響其正常工作。

(5) 高溫性能、抗水損害性能方面，新型高強瀝青混合料優于SBS改性瀝青混合料。

(6) 進口高強瀝青的成本為13 000 元/t，新型高強瀝青的成本為6 000 元/t，僅為進口高強瀝青的46.15%,新型高強瀝青具有明顯的價格優勢。