劉黎萍，王 明

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

近年來，在重載高溫作用下，瀝青的流變特性被認(rèn)為是影響瀝青路面車轍形成的主要原因之一［1］。為了防止高溫車轍，布敦巖瀝青得到了深入研究和應(yīng)用。這大多是因?yàn)椴级貛r瀝青中的瀝青組分屬于硬質(zhì)瀝青，其本身具有柔韌性變形能力差的缺點(diǎn)，但同時(shí)也具有溫度敏感性小和抗車轍能力好等優(yōu)點(diǎn)［2］。布敦巖瀝青的應(yīng)用研究已經(jīng)很普遍，目前的研究大多是把印度尼西亞布敦巖瀝青（簡稱為BRA）加入到混合料中，研究BRA對(duì)混合料性能的改善程度［3］；或是把BRA加入到基質(zhì)瀝青中，與基質(zhì)瀝青加入等量、等級(jí)配礦粉物質(zhì)進(jìn)行改性效果的研究。其中，杜少文［3］等人的研究證明了巖瀝青可以改善混合料的疲勞特性；劉樹堂［4］等人對(duì)瀝青組分的成分進(jìn)行了研究，證實(shí)了其高瀝青質(zhì)和低油分的組成特點(diǎn)。而有關(guān)BRA中天然瀝青組分對(duì)于基質(zhì)瀝青改性流變性能效果的研究，尚未見報(bào)道。

現(xiàn)行用于瀝青流變性能研究的SHRP試驗(yàn)，并不適合于大顆粒物質(zhì)存在的改性瀝青［5］研究，因此灰分等顆粒物質(zhì)的存在對(duì)瀝青組分的改性效果有很大的影響，BRA改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果往往不能正確評(píng)價(jià)BRA中瀝青組分的改性效果。作者擬排除灰分等雜質(zhì)的干擾，探究BRA中瀝青組分對(duì)基質(zhì)瀝青性能的改善效果，設(shè)定3個(gè)不同的摻量，為進(jìn)一步研究天然巖瀝青的本質(zhì)特點(diǎn)、SBS或硫磺等復(fù)合改性瀝青或混合料以及BRA在混合料中最佳的摻量范圍提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

選用殼牌A－70＃道路石油瀝青，技術(shù)指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范的技術(shù)要求；布敦巖瀝青為黑色顆粒產(chǎn)品，其技術(shù)指標(biāo)見表1。其中，從BRA中抽提出來的瀝青組分RA，25℃針入度為13（0.1mm），軟化點(diǎn)為83℃。

表1 布敦巖瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance index of BRA

1.2 瀝青組分RA摻量

依據(jù)《巖瀝青路面工程應(yīng)用技術(shù)指南》［6］推薦的天然巖瀝青改性劑的添加量，以瀝青混合料為基數(shù)的摻量為2%～4%，最佳油石比按5%（研究［2－3］表明，巖瀝青摻量在2%～4%時(shí)，油石比在4.7%～5.2%之間）計(jì)算，BRA中瀝青組分的摻量28%，因此，可以計(jì)算得到BRA中瀝青組分和基質(zhì)瀝青的比例。工程實(shí)踐中，經(jīng)常采用以瀝青混合料為基數(shù)的摻量2%和3%，換算成以瀝青為基數(shù)的摻量為11.2%～16.8%。以混合料為基數(shù)換算成以瀝青為基數(shù)的換算比例結(jié)果見表2。為了簡便計(jì)算，本研究采用10%，15%及20%3個(gè)摻量進(jìn)行后續(xù)研究試驗(yàn)。

表2 換算比例Table 2 The proportion of BRA and RA%

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)剪切流變儀是用來測試瀝青膠結(jié)料粘性和彈性特征的儀器。試驗(yàn)結(jié)果中，G＊為復(fù)數(shù)剪切模量；δ為相位角；G＊／sinδ為高溫勁度系數(shù)，即抗車轍因子，該系數(shù)越大，代表瀝青變形越小，越有利于抵抗大車轍產(chǎn)生。采用英國Bohlin的動(dòng)態(tài)剪切流變儀，試驗(yàn)按AASHTOT315的要求進(jìn)行。采用應(yīng)變控制模式.試驗(yàn)中原樣瀝青設(shè)置應(yīng)變?yōu)?2%，RTFOT老化后設(shè)置應(yīng)變?yōu)?0%。根據(jù)Superpave規(guī)范，原樣瀝青抗車轍因子G＊／sinδ≥1.0kPa，RTF OT老化后瀝青抗車轍因子G＊／sinδ≥2.2kPa。

不同摻量改性瀝青原樣和RTFOT老化后，抗車轍因子試驗(yàn)結(jié)果分別見表3，4。

表3 原樣瀝青的抗車轍因子Table 3 The G＊／sinδof the original asphalt

從表3，4中可以看出：

1）隨著瀝青組分RA摻量的增加，抗車轍因子逐漸增大，瀝青抗變形能力增強(qiáng)，高溫流變特性顯著改善。原樣瀝青在64℃時(shí)，瀝青組分摻量為10%的改性瀝青使得基質(zhì)瀝青的抗車轍因子由1.343kPa提高到2.244kPa；摻量為20%的改性瀝青使得基質(zhì)瀝青的抗車轍因子由1.343kPa增加到3.334kPa，提高近2.5倍；RTFOT老化后瀝青，摻量為10%的改性瀝青使得基質(zhì)瀝青的抗車轍因子提高1.13倍；摻量為20%的改性瀝青使得基質(zhì)瀝青的抗車轍因子提高3.8倍。

2）由于SHRP高溫PG分級(jí)溫度區(qū)間范圍較大，因此，瀝青組分摻量為10%和15%的改性瀝青無論是原樣瀝青還是RTFOT老化后，均比基質(zhì)瀝青提高了1個(gè)溫度等級(jí)，原樣瀝青由PG64變?yōu)镻G70，RTFOT由PG58提升到PG64。

3）依據(jù)SHRP膠結(jié)料規(guī)范PG分級(jí)體系，摻量10%和15%巖瀝青改性瀝青的溫度等級(jí)均為64℃，比基質(zhì)瀝青提高了1個(gè)溫度等級(jí)；摻量20%巖瀝青改性瀝青提高了2個(gè)溫度等級(jí)，為70℃，可以達(dá)與SBS相同的溫度等級(jí)。

表4 老化后瀝青的抗車轍因子Table 4 The G＊／sinδof RTFOT asphalt

2.2 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

在低溫下，如果瀝青材料的蠕變模量太大，路面容易開裂。因此，為防止路面開裂破壞，需要限制瀝青材料的蠕變模量。本研究采用Cannon公司的9728－V30型低溫彎曲梁流變儀來測量瀝青在極低溫度下的蠕變模量，在BBR試驗(yàn)中有2個(gè)參數(shù)，即蠕變模量S和m。按Superpave規(guī)范要求，計(jì)算得到的t＝60s時(shí)的瀝青蠕變模量S≤300MPa，m≥0.30（其中：蠕變模量S為測量瀝青抵抗荷載的能力；m為測量加載后瀝青勁度變化的速率）。m越大越好，這意味著當(dāng)溫度下降而路面出現(xiàn)收縮時(shí)，瀝青結(jié)合料的響應(yīng)將會(huì)降低瀝青材料的勁度，減小材料中的拉應(yīng)力，低溫開裂的可能性也隨之降低。為了探討改性瀝青的低溫性能，在－6℃和－12℃條件下，分別對(duì)改性瀝青原樣、RTFOT老化和PAV老化試樣進(jìn)行了彎曲流變?cè)囼?yàn)。在－6℃和－12℃條件下，BBR試驗(yàn)蠕變勁度S和m的測試結(jié)果分別如圖1，2所示。

從圖1，2中可以看出：

1）無論是－6℃還是－12℃試驗(yàn)結(jié)果，隨著瀝青組分RA摻量的增加，改性瀝青蠕變模量S增大，m減小，瀝青膠結(jié)料變硬，松弛能力降低。

2）隨著BRA中瀝青組分（RA）的增加，改性瀝青的低溫性能有所降低。但是，依據(jù)Superpave規(guī)范，摻量為5%～15%的改性瀝青均滿足蠕變勁度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求，其溫度等級(jí)均為－22℃。

3）依據(jù)筆者的研究發(fā)現(xiàn)，在－6℃溫度條件下，15%RA摻量的改性瀝青相比10%RA摻量的改性瀝青，其低溫性能要好；在－12℃溫度條件下，15%RA摻量和10%RA摻量的改性瀝青低溫性能一致?？梢姡赗A摻量小于15%時(shí)，改性瀝青的低溫性能相對(duì)比較穩(wěn)定。

4）通過適當(dāng)控制RA的摻量，改性瀝青的低溫性能還是可以得到保證的。依據(jù)筆者的研究，為了保證改性瀝青低溫性能，RA的摻量不宜大于15%。

5）從彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果來看，RA改性瀝青的低溫性能遠(yuǎn)不如SBS改性瀝青的。

2.3 Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)

粘度是流體抗流動(dòng)的程度，較真實(shí)地反映了路面在高溫條件下的實(shí)際使用情況。粘度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形小，彈性恢復(fù)能力好，殘留的永久性塑性變形小，說明抵抗車轍能力強(qiáng)。采用美國Brookfield DV－O型數(shù)字式粘度儀測定改性瀝青的粘度，不同摻量瀝青組分改性瀝青在不同溫度下的粘溫曲線如圖3所示。

圖3 改性瀝青的粘溫曲線Fig.3 Viscosity－temperature curve of modified asphalt

從圖3中可以看出，瀝青組分（RA）的加入可以增大基質(zhì)瀝青的粘度。隨著RA摻量的增加，改性瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度逐漸增大，并且均滿足規(guī)范不大于3Pa·s的要求。摻量為10%的改性瀝青使得基質(zhì)瀝青120℃的粘度從1.228Pa·s提高到1.612Pa·s，提高了近30%；摻量為20%的巖瀝青改性瀝青使得基質(zhì)瀝青135℃的粘度從0.775Pa·s提高到1.274Pa·s，提高了近64%。這是因?yàn)锽RA中的瀝青組分RA含氮量高［7］，氮元素以官能團(tuán)的形式存在，這種存在形式使得瀝青的粘度增大，抗氧化性增強(qiáng)，因此，RA在改善瀝青粘度的同時(shí)，也降低了瀝青粘度的溫度敏感特性。

由于聚合物SBS的存在，SBS改性瀝青提升粘度的效果優(yōu)于天然巖瀝青的。因此，從提升基質(zhì)瀝青粘度的效果來看，BRA中RA改性瀝青的改善效果不及SBS改性瀝青的。

3 結(jié)論

1）BRA中瀝青組分RA的加入使得基質(zhì)瀝青的抗車轍因子顯著提高；摻量為10%和15%時(shí)，可以使得基質(zhì)瀝青提高1個(gè)溫度等級(jí)；巖瀝青摻量為20%時(shí)，可以使得基質(zhì)瀝青提高2個(gè)溫度等級(jí)，與SBS改性瀝青達(dá)到了相同的溫度等級(jí)。

2）隨著瀝青組分RA摻量的增加，改性瀝青的蠕變模量S增大，m減小，瀝青膠結(jié)料變硬，松弛能力降低。但是，依據(jù)Superpave規(guī)范，摻量為5%～15%的改性瀝青均滿足蠕變勁度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求，其溫度等級(jí)均為－22℃。

3）隨著瀝青組分RA摻量的增加，改性瀝青的粘度逐漸增大，均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不大于3Pa·s的要求。這是因?yàn)锽RA中的瀝青組分RA含氮量高，氮元素以官能團(tuán)的形式存在，這種存在形式使瀝青粘度增大，抗氧化性增強(qiáng)。

4）依據(jù)本研究的成果，實(shí)際工程應(yīng)用中，為了保證BRA中瀝青組分與混合料中瀝青達(dá)到最好的融合效果和BRA混合料的低溫性能，以基質(zhì)瀝青為基數(shù)，瀝青組分RA摻量不宜大于15%。

（References）：

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［5］白琦峰，錢振東，趙延慶.基于流變學(xué)的瀝青抗疲勞性能評(píng)價(jià)方法［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（10）：1536－1542.（BAI Qi－feng，QIAN Zhen－dong，ZHAO Yan－qing.Asphalt fatigue resistance evaluation method based on the rheology［J］.Journal of Beijing University of Technology，2012（10）：1536－1542.（in Chinese））

［6］曹東偉，劉清泉，路軍，等.巖瀝青路面工程應(yīng)用技術(shù)指南［M］.北京：交通部公路科學(xué)研究院，2008.（CAO Dong－wei，LIU Qing－quan，LU Jun，et al.Technology guide for natural rock asphalt application in pavement engineering［M］.Beijing：Research Institute of Highway Ministry，2008.（in Chinese））

［7］黃文通，徐國元.布敦巖瀝青混合料路用性能的試驗(yàn)研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（2）：87－91.（HUANG Wen－tong，XU Guo－yuan.Experimental investigation into pavement performance of Buton［J］.Journal of South China University of Technology：Natural Science Edition，2012，40（2）：87－91.（in Chinese））