胡小華，王 輝，羅再軍，王海波，肖澤洪

(1.滬昆高速公路潭市互通工程建設(shè)項(xiàng)目部，湖南湘潭 411400;2.長沙理工大學(xué)，湖南長沙 410114;3.湖南省海威特公路檢測技術(shù)咨詢有限公司，湖南長沙 410022;4.湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南長沙 410022)

0 引言

湖南氣候環(huán)境濕熱及氣溫變化大，瀝青路面容易產(chǎn)生車轍、水損害、裂縫等病害，為提高路面使用性能，涌現(xiàn)出了許多路面新材料、新技術(shù)。本文依托滬昆高速公路水府廟旅游連接線工程，以美國SHRP性能等級試驗(yàn)為研究手段，通過對天然屑粒式橡膠改性瀝青(Superflex)與基質(zhì)瀝青摻配后的高低溫性能綜合評價(jià)與分析，確定Superflex的最佳摻配，以提高其路用性能，并為天然屑粒式橡膠改性瀝青的工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料

本試驗(yàn)采用基質(zhì)瀝青為中海70號(hào)A級基質(zhì)瀝青，其材料的性能均符合我國規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求。Superflex是一種由天然瀝青、天然橡膠、炭黑、聚合物和石油瀝青等濃縮制成的母體改性劑，常溫下呈黑色固體狀，有很大的黏度，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 天然屑粒橡膠濃縮改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室Superflex的制備方法是試驗(yàn)前將基質(zhì)瀝青和改性劑分別加熱熔融至流態(tài)，然后將改性劑按12%、15%、18%劑量慢慢加入基質(zhì)瀝青中，經(jīng)初步攪拌后，用高速剪切機(jī)剪切并經(jīng)高溫發(fā)育后制得試驗(yàn)試樣。

2 高溫動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)分析

動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)在美國SHRP規(guī)范中用于分析瀝青高溫性能和疲勞性能。Superpave性能等級規(guī)范中通過測試瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，用車轍因子指標(biāo)G*/sinδ，即損失剪切柔量J"的倒數(shù)，來表示瀝青結(jié)合料的抗車轍變形能力，G*/sinδ越大，表征結(jié)合料的高溫抗車轍能力越強(qiáng)。用相位角反映瀝青膠結(jié)料粘性成分和彈性成分的比例，通過施加在瀝青膠結(jié)料上應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間滯后來度量;相位角越大，其應(yīng)變相對于應(yīng)力響應(yīng)越滯后，粘性成分就越大，據(jù)此以相位角來分析瀝青膠結(jié)料的粘彈性的變化。

試驗(yàn)采用美國產(chǎn)DSR－4000動(dòng)態(tài)剪切流變儀，試驗(yàn)角頻率 ω=10 rad/s(1.59 Hz)，應(yīng)變值 γ=12%，樣品厚度1 mm，直徑25 mm。試驗(yàn)試樣為70號(hào)A級基質(zhì)瀝青、3種劑量的Superflex改性瀝青共4種原樣瀝青和經(jīng)RTFOT老化后的瀝青。試驗(yàn)溫度從52℃起，以6℃間隔進(jìn)行升溫試驗(yàn)，原樣瀝青和RTFOT老化瀝青試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2。

圖1 原樣瀝青車轍因子、相位角隨溫度變化圖

圖2 RTFOT老化瀝青車轍因子、相位角隨溫度變化圖

由圖可以看出，無論原樣瀝青還是經(jīng)RTFOT老化后的瀝青，經(jīng)Superflex改性后的瀝青車轍因子明顯增大，且摻量越大其車轍因子越大，表明其高溫性能越好;對相位角的分析表明，相同溫度下改性后的瀝青相位角都明顯小于基質(zhì)瀝青相位角，且隨著Superflex摻量的增大，相位角呈減小趨勢，表明其彈性成分增大，更有利于提高瀝青的高溫穩(wěn)定性和耐久性;從變化的幅度來看，車轍因子摻量12%到15%的增幅明顯大于摻量15%到18%，相位角在12%到15%減幅明顯，而15%的相位角和18%的相位角基本相當(dāng)。按SHRP性能規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，原樣瀝青的車轍因子不小于1.0 kPa、老化瀝青的車轍因子不小于2.2 kPa來推算得到各種瀝青膠結(jié)料的臨界溫度如表2，可知，在基質(zhì)瀝青中摻加Superflex改性瀝青后，15%的摻量臨界溫度提高近10℃，提高幅度達(dá)15%，高溫抗車轍性能得到明顯提高;對比不同摻量下臨界溫度的增長幅度可以看出，12%至15%的增幅是15%至18%的增幅的1倍，超過15%后性能改善效果放緩。

表2 PG臨界溫度

比較老化前后不同瀝青材料的相位角的變化，可以看出:經(jīng)RTFOT短期老化后的瀝青試樣的相位角都小于原樣瀝青的相位角，說明瀝青老化后，隨著瀝青中輕質(zhì)油分的揮發(fā)，瀝青逐步變稠變硬，彈性成分增強(qiáng)，粘性成分減弱，溫度敏感性下降，高溫抗車轍能力進(jìn)一步提高。不同摻量的相位角的比較可知，15%摻量的相位角與18%摻量基本相當(dāng)，有些測試溫度下甚至小于18%的摻量，由此可推斷摻量超過15%后，并沒有增加瀝青膠結(jié)料彈性，有時(shí)因摻量過大天然橡膠老化使得瀝青彈性性能反而下降，瀝青抗老化、抗變形性能變差。

采用雙對數(shù)對抗車轍因子G*/sinδ和試驗(yàn)溫度T進(jìn)行線性回歸分析，如圖3。回歸斜率反映了抗車轍因子G*/sinδ受溫度改變的影響程度，斜率越大，即回歸直線傾越斜，表征抗車轍因子G*/sinδ受溫度變化影響越大，瀝青的感溫性就越差。從圖3可以直觀的看出，基質(zhì)瀝青的傾斜度最大，說明基質(zhì)瀝青的G*/sinδ隨溫度變化的程度最大，感溫性能最差，15%摻量Superflex的傾斜度最小，說明其G*/sinδ隨溫度變化最小，則其感溫性越好;從回歸得到斜率數(shù)據(jù)可看出感溫性排序?yàn)?15%摻量Su-perflex＞18%摻量Superflex＞12%摻量Superflex＞基質(zhì)瀝青。這說明Superflex改性劑摻量并不是越多越好，應(yīng)以能形成較穩(wěn)定的共混體系、獲得優(yōu)良性能的摻量為原則。

圖3 車轍因子與溫度雙對數(shù)回歸分析圖

3 低溫彎曲流變試驗(yàn)分析

瀝青延度試驗(yàn)方法一直廣泛應(yīng)用于瀝青低溫性能分析與預(yù)測，但隨著研究深入，該實(shí)驗(yàn)方法在研究手段和應(yīng)用范圍、試驗(yàn)環(huán)境條件等方面的局限性，限制了其在低溫高粘度改性瀝青方面的應(yīng)用。美國SHRP試驗(yàn)計(jì)劃推出了低溫彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)(BBR)，被越來越多的運(yùn)用于瀝青的低溫性能分析與預(yù)測，通過試驗(yàn)，獲得瀝青試樣在規(guī)定溫度和荷載條件下瀝青的彎曲蠕變與時(shí)間的關(guān)系圖像，并由此得到荷載作用60 s時(shí)的瀝青試樣的蠕變勁度模量S與蠕變變化速率m兩個(gè)參數(shù)作為瀝青低溫性能的評價(jià)指標(biāo)。

蠕變勁度模量S是小梁在受壓時(shí)抵抗荷載能力的表征，m是對蠕變曲線的切線斜率，表征勁度模量S的變化速率;在PG分級指標(biāo)中，要求規(guī)定低溫時(shí)瀝青材料的勁度模量不應(yīng)高于300 MPa，因?yàn)閯哦饶Ａ吭酱?，在受力情況下材料表現(xiàn)出的脆性越明顯，路面發(fā)生低溫脆裂的可能性越大，就越容易引發(fā)瀝青路面裂縫;蠕變曲線的斜率m值實(shí)際上反映的是溫度變化下瀝青變形對低溫的響應(yīng)快慢，如果瀝青變形響應(yīng)迅速，則可以使瀝青的勁度模量減小，從而降低瀝青自身受到的應(yīng)力作用，瀝青路面開裂的可能性下降;在PG分級指標(biāo)中，要求規(guī)定低溫時(shí)m值應(yīng)大于等于0.3。

試驗(yàn)采用美國產(chǎn)TE－BBR流變儀，所有瀝青試樣均經(jīng) RTFOT和 PAV壓力老化，試驗(yàn)溫度為－12℃、－18℃和－24℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，Superflex的加入，對瀝青的低溫性有明顯改善，基質(zhì)瀝青和12%摻量改性瀝青－18℃勁度模量S大于300 MPa，其低溫分級為 －22℃，摻量為15%和18%的Superflex改性瀝青－18℃時(shí)的S＜300 MPa，低溫級別為－28℃，比基質(zhì)瀝青提高一個(gè)低溫級，低溫抗裂性得到改善?？梢钥闯鱿鹉z瀝青的低溫性質(zhì)與Superflex改性劑摻量密切相關(guān)，摻量越高，其低溫性能越好，這是橡膠顆粒在受壓、受剪狀態(tài)下，在瀝青中發(fā)揮了它的高彈性和粘性。

圖4 蠕變勁度模量S和蠕變速率m與試驗(yàn)溫度關(guān)系圖

所有瀝青的蠕變勁度變化率m值在各溫度條件下都要大于0.3，滿足相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范要求，隨著溫度降低，蠕變勁度變化率m均有減小的趨勢，由圖4可以看出基質(zhì)瀝青m變化率最大，這也說明隨溫度降低，基質(zhì)瀝青的抗低溫性能可能會(huì)變得更差。所有改性瀝青比基質(zhì)瀝青的m值變化都平緩，因此低溫性能都優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

4 結(jié)論

采用動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)和低溫彎曲梁流變試驗(yàn)，分析了不同溫度下?lián)讲煌瑒┝康腟uperflex、基質(zhì)瀝青的高低溫性能表明:

1)Superflex的抗車轍因子隨著摻入量的增大而增大，相位角明顯減小，膠結(jié)料的彈性成分增大，因此其高溫抗車轍性能和耐久性較基質(zhì)瀝青得到明顯改善。

2)Superflex改性瀝青的高溫臨界溫度較基質(zhì)瀝青提高達(dá)15%，高溫抗車轍性能得到明顯提高;根據(jù)臨界溫度隨摻量的變化幅度可知，摻量超過15%后高溫性能改善效果放緩;15%摻量的相位角與18%摻量基本相當(dāng)，因此摻量超過15%后，瀝青膠結(jié)料彈性并沒有隨之增大，有時(shí)因摻量過大天然橡膠老化使得瀝青彈性性能反而下降。

3)根據(jù)車轍因子和溫度間的雙對數(shù)回歸分析，感溫性方面排序?yàn)?15%Superflex＞18%Superflex＞12%Superflex＞基質(zhì)瀝青。

4)Superflex能明顯改善低溫性能，15%Superflex低溫等級達(dá)－28℃，比基質(zhì)瀝青提高一個(gè)低溫級，抗裂性得到改善。

5)綜合不同摻量Superflex改性瀝青的高低溫性能試驗(yàn)結(jié)果，建議最佳摻配劑量為15%。

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