兩種高黏瀝青高溫流變特性對比研究

林運達，邵鵬坤，石希信

(1.廣西田新高速公路有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

排水瀝青路面以其良好的排水和降噪性能為海綿城市建設所青睞，在世界各國得到推廣。一般而言，道路工程采用開級配磨耗層(OGFC)作為排水路面的上面層。OGFC于20世紀60年代發軔于德國，在歐洲得到推廣，最終在全世界成為排水路面的主流路面結構形式[1]。西班牙在1980—1990年間鋪筑了300萬m2OGFC路面，荷蘭每年鋪筑OGFC路面多達250萬m2，比利時OGFC路面總面積超過200萬m2，法國的OGFC路面每年增加約4.1萬m2[2-5]。

我國對OGFC路面的研究雖取得了一定的成果，但大多參考國外已有的經驗，且作為OGFC混合料的關鍵材料——高黏改性瀝青的進口依賴性較強。OGFC混合料為骨架空隙結構，相較于密實型瀝青混合料更容易受到水損害，其水穩定性和高溫性能依賴瀝青結合料的黏度[6]。因此，采用具有高黏度的瀝青結合料是OGFC路面成功應用的關鍵所在。國內對高黏瀝青的60 ℃黏度研究較多，所研究的高黏瀝青的黏度大多都能滿足2×106Pa·s的要求[7-8]。同時，國內也有很多文獻對高黏瀝青膠漿的流變性能進行研究，取得了一系列的研究成果[9-10]。

本文通過對比分析國產高黏瀝青與國外優秀高黏瀝青——TPS高黏瀝青的高溫流變特性差異，尋找替代進口高黏瀝青的可能性，為我國排水路面的建設提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

基質瀝青采用中海70#石油瀝青，高黏改性劑有兩種：國產高黏劑生產廠家為重慶交科，國外高黏劑為日本的TPS高黏改性劑。高黏劑摻量設置為瀝青質量的4%、8%、12%(外摻)。高黏瀝青制作方法為：加熱基質瀝青，溫度穩定在150 ℃左右，在該溫度下保溫30 min，摻入高黏改性劑，利用高速剪切機高速剪切30 min，然后在150 ℃烘箱用錫紙蓋住發育10 min。基質瀝青技術指標見表1。

表1 70#瀝青檢測結果表

1.2 試驗方法

1.2.1 動態剪切流變試驗

動態剪切流變試驗測試原理為：對瀝青施加正弦剪切應力或應變，儀器記錄其應變或應力數據，通過計算機獲得復數模量G*和相位角δ，并以復數模量G*和相位角δ兩個參數計算車轍因子G*/sinδ。本文試驗采用應變控制模式，原樣瀝青應變水平為12%，RTFOT瀝青應變水平為10%，試驗溫度為64 ℃～82 ℃，間隔6 ℃。

1.2.2 多重應力蠕變恢復試驗

多重應力蠕變恢復試驗(multiple stress creep recovery，MSCR)通過施加周期性的荷載，測試瀝青的蠕變恢復能力，以表征瀝青的高溫性能。荷載有兩個應力水平，分別為0.1 kPa和3.2 kPa，其中0.1 kPa應力水平循環加載20個周期，3.2 kPa應力水平循環加載10個周期[11]。多重應力蠕變恢復試驗根據美國標準AASHTO MP19-2010要求進行[12]，試樣采用RTFOT后的瀝青。RTFOT根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)要求進行[13]。考慮到夏天路面溫度在50 ℃～70 ℃，因此溫度設置為64 ℃～76 ℃，間隔6 ℃。

多重應力蠕變恢復試驗以0.1 kPa、3.2 kPa水平下的不可恢復蠕變柔量評價瀝青結合料的高溫性能，以應力敏感性指標評價瀝青結合料的應力敏感性。相關指標計算方法見AASHTO MP19-2010規范。

2 試驗結果及分析

2.1 高溫PG分級

在半對數坐標上繪制兩種高黏瀝青車轍因子與溫度關系圖，相位角采用常規坐標圖繪制，試驗結果見圖1～8。由圖1～8可知，高黏瀝青車轍因子在半對數坐標上與溫度呈顯著線性關系，斜率越高，表明溫度敏感性越差，為分析兩種高黏瀝青的溫度敏感性，對車轍因子與溫度的關系進行擬合，結果見下頁表2、表3。

表3 國產高黏瀝青車轍因子與溫度擬合結果表

由圖1～8與表2～3可知：原樣狀態和老化狀態下，國產高黏瀝青與TPS高黏瀝青高溫動態剪切流變試驗結果均有明顯差異，車轍因子與相位角隨溫度增加均呈現出良好的規律性。總體而言，TPS高黏瀝青車轍因子相較國產高黏瀝青高，但在64 ℃、70 ℃情況下相差較小，TPS高溫性能優于國產高黏瀝青，且TPS高黏瀝青溫度敏感性優于國產高黏瀝青，兩種高黏瀝青的溫度敏感性與摻量均無明顯相關性。值得注意的是，TPS高黏瀝青相位角隨摻量變化并非線性變化，4%摻量與8%摻量相差較小，而12%的摻量與4%摻量、8%摻量相比區分度明顯，產生該現象的原因與TPS高黏瀝青的成分有關，TPS高黏瀝青以橡膠為主要成分，再配以粘結性樹脂和增塑劑等，成分較為復雜。而本文選用的高黏瀝青主要成分為SBS，SBS瀝青相位角隨摻量變化區分度明顯。

圖1 TPS高黏瀝青原樣狀態下車轍因子與溫度關系曲線圖

圖2 國產高黏瀝青原樣狀態下車轍因子與溫度關系曲線圖

圖3 TPS高黏瀝青原樣狀態下相位角與溫度關系曲線圖

圖4 國產高黏瀝青原樣狀態下相位角與溫度關系曲線圖

圖5 TPS高黏瀝青老化狀態下車轍因子與溫度關系曲線圖

圖6 國產高黏瀝青老化狀態下車轍因子與溫度關系曲線圖

圖7 TPS高黏瀝青老化狀態下相位角與溫度關系曲線圖

圖8 國產高黏瀝青老化狀態下相位角與溫度關系曲線圖

表2 TPS高黏瀝青車轍因子與溫度擬合結果表

2.2 多重應力蠕變恢復

試驗結果見圖9～10。由圖9～10可知，兩種高黏瀝青在不同摻量下的不可恢復蠕變柔量Jnr0.1和Jnr3.2均隨溫度變化且呈相同變化趨勢，表明溫度對高黏瀝青高溫性能有較大的損害作用。與此同時，高黏劑摻量提高對高黏瀝青高溫性能提升有較大幫助。值得注意的是，當溫度較低時(60 ℃、64 ℃)，兩種高黏瀝青的不可恢復蠕變柔量差值較小，而溫度達到76 ℃時，兩種高黏瀝青的不可恢復蠕變柔量出現明顯差異。路面最高溫度大致在60 ℃～70 ℃，盡管國產高黏瀝青在76 ℃下的不可恢復蠕變柔量劣于TPS高黏瀝青，但從實際應用出發，國產高黏瀝青替代進口高黏瀝青具備很大的可行性。

圖9 不同溫度下兩種高黏瀝青不可恢復蠕變柔量Jnr0.1對比柱狀圖

圖10 不同溫度下兩種高黏瀝青不可恢復蠕變柔量Jnr3.2對比柱狀圖

3 結語

(1)動態剪切流變試驗表明TPS高黏瀝青在車轍因子和溫度敏感性兩個方面均優于國產高黏瀝青，但在64 ℃和70 ℃下差異并不明顯。

(2)TPS高黏瀝青摻量提高與相位角的減小規律較為復雜，而國產高黏瀝青摻量與相位角呈良好線性關系。

(3)64 ℃和70 ℃下國產高黏瀝青與TPS高黏瀝青不可恢復蠕變柔量差異較小，但76 ℃下差異較大，表明TPS高黏瀝青能承受更極端的溫度條件。

(4)考慮到路面實際最高溫度在60 ℃～70 ℃，極端高溫天氣并非常態，可在高溫環境并不極端的條件下采用國產高黏瀝青替代進口高黏瀝青。