李文輝

（重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074）

近年來，隨著中國高速公路的飛速發(fā)展，改性瀝青作為優(yōu)質結合料，具有提高路面瀝青混合料的路用性能和延長使用壽命等優(yōu)點，得到了廣泛應用.目前應用于路面較為普遍的SBS改性瀝青和易性較差，這是由于SBS與基質瀝青無論在分子結構組成，還是化學性質上均存在著較大的差異，因此二者難以相融，比較容易出現(xiàn)離析分層的現(xiàn)象.另外，SBS改性瀝青混合料的施工溫度較普通瀝青混合料的高10～20℃，如施工時間把握不好，極易導致混合料中的改性瀝青過度老化，影響混合料的路用性能.

EC－120溫拌改性劑作為一種熔點在100℃左右的有機添加劑，與基質瀝青的相容性較好，且制備簡單，不存在離析問題.所制得的EC－120溫拌改性瀝青不僅能顯著提高瀝青膠結料的高溫穩(wěn)定性，還能大幅降低改性瀝青的施工粘度.與其他改性瀝青相比較，降低其施工溫度30～50℃，有利于緩解施工過程中瀝青的老化問題，同時能有效降低瀝青混合料的生產能耗，減少了混合料生產過程中有害氣體和溫室氣體的排放量，符合節(jié)能減排的原則，符合走可持續(xù)發(fā)展道路的科學發(fā)展觀.基于對EC－120在路面瀝青使用前景上的樂觀判斷，作者擬針對EC－120溫拌改性瀝青的高溫性能和疲勞性能進行試驗評價及闡述.

1 試驗材料

EC－120溫拌改性劑是一種合成直鏈脂肪族碳氫混合物，其熔點為100℃，溫度超過120℃時以液體的形式完全溶解于瀝青結合料中，在瀝青結合料中形成柵格結構，這使改性劑能穩(wěn)定、均勻地溶于瀝青結合料中而不產生離析，其基本物理指標詳見表1.在試驗室內制備EC－120溫拌改性瀝青結合料也較為簡單，只需將這種改性劑添加在溫度高于120℃的瀝青中，并攪拌30min，即可制得.

表1 EC－120溫拌改性劑的基本物理指標Table 1 Basic physical indicators of EC－120warm mix modifier

為了更有說服力地闡述EC－120對瀝青結合料的高溫性能與疲勞性能的影響，選用2種有地域代表性的基質瀝青，一種是在南方炎熱高溫地區(qū)應用較為廣泛的70號埃索瀝青（ES70＃），另一種是在北方寒冷低溫地區(qū)應用較為普遍的130號盤錦瀝青（PJ130＃）.

2 EC－120溫拌改性瀝青高溫性能試驗評價

瀝青路面的高溫流動變形問題一直是最普遍、最常見的路面損壞形式之一.在中國大部分地區(qū)，尤其是南方，夏季最高氣溫可達到35～40℃以上，而此時瀝青路面最高溫度可能達到60～65℃以上，加之路面交通量大，某些地方甚至超載嚴重，導致路面迅速變性破壞.因此，為了保證瀝青路面的高溫條件下的路用性能，必須在瀝青標準中列入反映和評價瀝青高溫性能的指標.

2.1 評價方法及指標

中國的瀝青高溫指標是軟化點和60℃粘度.顯然，瀝青的軟化點越高，60℃粘度越高，瀝青的耐高溫性越強.美國戰(zhàn)略公路研究計劃（簡稱為SHRP）在其瀝青結合料路用性能規(guī)范中提出對原樣瀝青及短期老化后（RTFOT）殘留瀝青試樣分別進行兩次動態(tài)剪切試驗（動態(tài)剪切流變儀DSR），以G＊／sinδ（稱之為車轍因子）作為對瀝青結合料高溫穩(wěn)定性的評價指標.試樣在高溫設計溫度下進行動態(tài)剪切，速率為10rad／s，且必須滿足：① 原 樣 瀝 青 的 G＊／sinδ ≥ 1.0kPa；②RTFOT殘留瀝青的G＊／sinδ≥2.2kPa.否則稱之為試樣已破壞.破壞時的溫度稱為臨界破壞溫度.本研究采用SHRP動態(tài)剪切試驗及其配套指標G＊／sinδ來評價EC－120溫拌改性瀝青的高溫性能.事實上，復數(shù)剪切彈性模量G＊反映的是瀝青在變形過程中能量的變化，該變化包括瀝青的彈性勢能和因變形引起的內部摩擦而損失的能量.而相位角δ反映的是瀝青的彈性和粘性成分的比例，δ越大，即sinδ（0°≤δ≤90°）越大，則表示粘性成分越大，變形不可恢復成分越大，越容易產生永久變形.顯然，G＊／sinδ反映的就是瀝青的彈性能力，其值越大，瀝青變形的恢復能力越強，越能抵抗高溫下產生的永久性車轍變形.

2.2 試驗評價EC－120溫拌改性瀝青高溫性能

為研究EC－120溫拌改性劑對基質瀝青高溫性能的影響，分別對已選定的兩種不同標號的基質瀝青及其不同摻量下的EC－120溫拌改性瀝青進行老化前（原樣）和短期老化后（RTFOT）的動態(tài)剪切試驗，根據(jù)試驗結果繪制的關系曲線圖1～5所示.

圖1 ES70＃原樣瀝青車轍因子與試驗溫度關系曲線Fig.1 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of ES70＃original asphalt

圖2 PJ130＃原樣瀝青車轍因子與試驗溫度關系曲線Fig.2 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of PJ130＃original asphalt

圖3 ES70＃RTFOT殘留瀝青車轍因子與試驗溫度關系曲線Fig.3 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of ES70＃RTFOT remaining asphalt

圖4 PJ130＃RTFOT殘留瀝青車轍因子與試驗溫度關系曲線Fig.4 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of PJ130＃RTFOT remaining asphalt

從圖1～4中可以看出，隨著EC－120摻量的增加，兩種標號的瀝青在短期老化前、后的G＊／sinδ均表現(xiàn)出大幅增加.尤其是在接近夏季路面高溫的64℃附近，當EC－120摻量從0%增加到3.5%時，PJ130＃瀝青的G＊／sinδ在短期老化前、后的增幅分別達到10.9倍和6.5倍，同比均高于ES70＃的2.3倍和5.1倍，這不僅說明EC－120對提升基質瀝青的高溫抗車轍性能效果非常顯著而且證明相比短期老化后和較低標號的瀝青，EC－120對老化前和較高標號的瀝青的高溫性能的提升更靈敏，改善效果更好.基于此，可以預期在同等交通荷載條件下EC－120溫拌改性瀝青高溫性能.在北方地區(qū)較之在南方地區(qū)的表現(xiàn)更出色.從圖1～4中亦能清晰地觀察到，隨著試驗溫度的逐漸升高，各級摻量下的G＊／sinδ穩(wěn)步下降并趨于平滑，最終試樣被破壞.這說明在極端高溫下，EC－120改性瀝青抗高溫車轍的能力不可避免地遭到破壞.當然，人們總是期望臨界破壞溫度能不斷攀高，路面的高溫使用性能不斷地提升.

在一定范圍內，隨著改性劑摻量的增加，改性瀝青的高溫性能會不斷提升，但是提升空間會不斷壓縮，提升幅度會逐漸放緩直至停滯.也就是說，改性劑的摻量也有“邊際效應”，隨著摻量的不斷增加，臨界破壞溫度總會在某一摻量時達到均衡，即超過該值時，對提升瀝青的高溫性能已無意義，甚至有其他負面影響.

從圖5中可以看出，雖然各個試驗樣本的臨界破壞溫度高低各不相同，但是無論短期老化前的原樣瀝青還是短期老化后的殘留瀝青，隨著EC－120摻量的逐漸增加，臨界破壞溫度都大幅升高，改性劑摻量從0%增至3.5%，臨界破壞溫度提升了13.7%～37.2%，這印證了EC－120對提升改性瀝青的高溫性能有顯著效果.然而從圖5中也能看出，隨著改性劑摻量的增加，各曲線的增長趨于收斂，接近一條水平線.這說明改性劑摻量達到某值后，隨后的增加量對改善瀝青的高溫性能的幫助有限.通過觀察圖5中各曲線的走勢，綜合考慮改性瀝青成本的經濟性可知，EC－120對提升基質瀝青高溫性能的最佳摻量在3%～3.5%.

圖5 各試驗樣本在不同EC－120摻量下的臨界溫度走勢Fig.5 Failure temperature trend of each test sample at different EC－120incorporating percentages

3 EC－120溫拌改性瀝青疲勞性能試驗評價

3.1 評價方法及指標

中國對瀝青結合料的疲勞性能的相關研究與評價較為薄弱，有關規(guī)范［3］中亦無明確的試驗評價方法.目前對這方面研究及評價比較系統(tǒng)而規(guī)范的方法仍是由SHRP［5］提出的動態(tài)剪切試驗，并列入其Superpave瀝青結合料路用性能規(guī)范當中.SHRP的研究人員認為，瀝青路面的疲勞破壞發(fā)生在路面使用后期，此時路面瀝青混合料必然已經相當?shù)睦匣?，為模仿其老化程度，試驗室內瀝青結合料不僅要經過RTFOT模仿混合料拌和過程的老化，還須經長期老化（PAV）以模仿使用期的老化后方可進行試驗.而且規(guī)范中亦規(guī)定了明確的試驗溫度范圍，相當于年最不利季節(jié)時期，即冬末春融時的路面溫度.

按照SHRP規(guī)范的要求，在試驗溫度范圍內，同樣以10rad／s的速率進行DSR剪切，以G＊·sinδ作為評價指標.G＊·sinδ反映的是瀝青變形過程中由于內部摩擦生熱導致的能量散失.隨著瀝青在剪切試驗過程中的老化，G＊·sinδ不斷增大，瀝青在較低溫度條件下的粘性成分減少，彈性成分增加，因而抗耐疲勞性能也就越來越差，因此也把G＊·sinδ稱為疲勞因子.SHRP在其規(guī)范中規(guī)定DSR試驗的G＊·sinδ應滿足小于或等于5000kPa的要求，否則，瀝青將發(fā)生疲勞破壞，破壞發(fā)生時的溫度稱為臨界破壞溫度.

3.2 試驗評價EC－120溫拌改性瀝青疲勞性能

對ES70＃和PJ130＃兩種標號的基質瀝青及其不同摻量下的EC－120溫拌改性瀝青進行PAV老化后的動態(tài)剪切試驗，根據(jù)試驗結果繪制關系曲線如圖6～7所示.

圖6 ES70＃PAV殘留瀝青疲勞因子與試驗溫度關系曲線Fig.6 Relationship between fatigue factor and test temperature of ES70＃PAV remaining asphalt

從圖6～7中可以看出，ES70＃和PJ130＃的基質瀝青的疲勞因子（G＊·sinδ）都比摻加EC－120后改性瀝青的要低.從圖6，7中可以看出，試驗溫度從31℃下降至19℃后，兩種基質瀝青的G＊·sinδ均滿足SHRP規(guī)范要求的不大于5000 kPa，而摻加2%以上的EC－120后，兩者均不能滿足該要求.這說明EC－120對瀝青結合料的抗疲勞性能不利.以PJ130＃瀝青為例，當試驗溫度分別為31℃和19℃時，3.5%摻量下的EC－120溫拌改性瀝青的G＊·sinδ比基質瀝青的G＊·sinδ分別高3倍和1.9倍，雖然隨著環(huán)境溫度的降低，改性瀝青的抗疲勞性能有所回升，仍不能掩蓋EC－120對瀝青結合料的抗疲勞性能有較大的消極影響.當然，這種負面影響可以通過降低改性劑的摻量來控制，例如：當摻量在2%時，這兩種標號改性瀝青的G＊·sinδ是基質瀝青的1.2～1.3倍，因此，若從控制瀝青結合料疲勞性能損失的角度出發(fā)，則可建議EC－120改性劑的摻量不宜超過2%～2.5%.

圖7 PJ130＃PAV殘留瀝青疲勞因子與試驗溫度關系曲線Fig.7 Relationship between fatigue factor and test temperature of PJ130＃PAV remaining asphalt

4 結論

通過對ES70＃和PJ130?；|瀝青及摻加EC－120后的溫拌改性瀝青進行高溫性能與疲勞性能的SHRP試驗研究，可以得到結論：

1）摻加EC－120溫拌改性劑可以提高瀝青軟化點，使車轍因子顯著增高，從而大幅提升瀝青結合料抵抗高溫車轍變形能力，提高瀝青高溫穩(wěn)定性.從提升瀝青高溫性能方面考慮，3%～3.5%摻入量為宜.

2）從試驗情況來看，EC－120對較高標號的瀝青高溫性能的提升更靈敏，改善效果更好.可以預測：在同等交通量條件下，較之南方地區(qū)，EC－120溫拌改性劑提升瀝青高溫性能的效果在北方寒冷地區(qū)更加顯著.

3）摻加EC－120溫拌改性劑會使瀝青結合料在低溫條件下的粘性成分減少，損失柔性，疲勞因子增大，從而喪失部分抵抗疲勞的性能.因此，EC－120對瀝青結合料的疲勞性能有所損害.從保持瀝青疲勞性能出發(fā)，2%～2.5%的摻入量較為適宜.綜上，EC－120溫拌改性劑的摻量不宜千篇一律，應因地制宜，視具體情況和具體的施工要求而定.

4）摻入EC－120會減少瀝青粘性成分，降低瀝青結合料的粘度，有利于降低施工溫度，從而使混合料拌和及現(xiàn)場施工過程中瀝青的老化問題得到改善.

（References）：

［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，2001.（SHEN Jin－an.Asphalt and asphalt mixture road performance［M］.Beijing：People s Communications Press，2001.（in Chinese））

［2］美國瀝青協(xié)會.高性能瀝青路面（Superpave）基礎參考手冊［M］.北京：人民交通出版社，2005.（American Asphalt Institute.Superpave basic reference manual［M］.Beijing：People’s Communications Press 2005.（in Chinese））

［3］交通部公路科學研究所.JTJ052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2000.（Research Institute of Highway，Ministry of Communications.JTJ052—2000，Standard test methods of bitumen and bituminous mixture for highway engineering［S］.Beijing：China Communications Press，2000.（in Chinese））

［4］張起森.EC120溫拌改性瀝青性能評價的試驗研究［J］.中外公路，2009，29（4）：174—177.（ZHANG Qisen.Experimental study of the performance evaluation of the EC120warm－mix modified asphalt［J］Journal of China ＆ Foreign Highway，2009，29（4）174—177.（in Chinese））

［5］李宇峙.SHRP瀝青結合料規(guī)范及瀝青混合料設計簡介［M］.北京：人民交通出版社，2001.（LI Yu－zhi Introduction of SHRP asphalt binder specifications and asphalt mixture design［M］.Beijing：People’s Communications Press，2001.（in Chinese））

［6］周進川.路用瀝青改性技術研究［R］.重慶：重慶交通科研設計院，2005.（ZHOU Jin－chuan.Road asphalt modification technology research［R］.Chongqing：China Merchants Chongqing Communications Research ＆Design Institute Co.，Ltd.，2005.（in Chinese））