葉　奮，楊思遠

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.新疆大學建筑工程學院，新疆烏魯木齊830047）

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復合改性高黏瀝青在排水路面的應用研究

葉奮1，2，楊思遠1

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.新疆大學建筑工程學院，新疆烏魯木齊830047）

摘要：為解決現(xiàn)行排水瀝青路面相關技術指標偏低以及高黏瀝青生產(chǎn)工藝、技術指標缺乏統(tǒng)一標準的問題，采用SBS/CRM復合改性獲得高黏瀝青，結合175℃旋轉黏度及軟化點、彈性恢復率等指標確定CRM的合理摻量，并制備OGFC-13混合料進行漢堡車轍試驗、肯塔堡飛散試驗等路用性能測試，分析結果并對現(xiàn)有技術標準提出建議。試驗結果表明：摻量為20%CRM與3.5%SBS復合改性黏度和高溫能力最優(yōu)，制備的OGFC混合料動穩(wěn)定度次數(shù)在6 000次·mm-1以上。對于復合改性高黏瀝青，建議采用175℃黏度、軟化點和彈性恢復率指標控制性能，黏度控制在2～5 Pa·s，軟化點不低于80℃且彈性恢復率不低于75%，OGFC混合料的動穩(wěn)定度不低于5 000次·mm-1。

關鍵詞：排水瀝青路面；復合改性；高黏瀝青；評價指標

1　排水瀝青路面應用概況

排水瀝青路面是指壓實后空隙率在20%左右，能夠在混合料內部形成排水通道的瀝青混凝土面層，結構形式一般采用開級配抗滑磨耗層（Open-graded Friction Course），主要功能是提高路面表層的抗滑阻力，同時具有降噪、減少水漂、水霧的作用。20世紀60～70年代歐美國家就已經(jīng)開始研究排水瀝青路面，目前在荷蘭、比利時、法國、日本等國家的高速公路上比較常見[1]。

近年來我國相繼在廣州、北京、上海等城市鋪設了排水瀝青路面，部分地區(qū)排水效果良好，然而排水瀝青路面在我國的應用情況并不理想，除了路面透水空隙易被灰塵堵塞以外，還有以下原因：

1.1混合料技術標準不適應

針對我國瀝青路面設計相關規(guī)范[2]，主要表現(xiàn)為：

1）高溫穩(wěn)定性要求較低。

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性評價方法主要是漢堡車轍試驗方法，目前OGFC混合料的動穩(wěn)定度次數(shù)要求在3 000次/mm以上，較低的動穩(wěn)定度要求不利于混合料設計[3]。同時，我國載重車輛普遍超載[4]，導致排水瀝青路面空隙率降低現(xiàn)象嚴重。

2）馬歇爾試件測試方法的力學模式不適應OGFC。在馬歇爾試件上施加側向力的試驗方法不利于OGFC這樣骨架空隙型結構均勻受力，達不到控制其性能的目的。

3）改性瀝青技術標準較低。由于骨架空隙型混合料對膠結料黏結強度要求較高，而我國規(guī)范[2]的聚合物改性瀝青技術要求，特別是黏度指標，無法區(qū)分高黏瀝青與SBS、SBR等常規(guī)改性瀝青，不利于性能控制。

1.2膠結料種類繁多

近年來瀝青外摻劑及改性工藝層出不窮，高黏改性瀝青的生產(chǎn)和選用缺乏成熟的標準，在排水瀝青路面應用方面出現(xiàn)以下不足：

1）摻入物不能提高膠結料強度。比如摻入纖維[5-8]可以提高混合料的穩(wěn)定性，減少泛油，但膠結料的結構沒有改變，對于瀝青本身的膠結強度沒有提高。

2）單一外摻聚合物改性劑，性能提升受限。外摻聚合物改性劑包括SBS、SBR、廢橡膠粉（CRM）和EVA 等[1，6，9]。SBS能顯著改善瀝青的高低溫力學性能，但為獲得高黏度的瀝青，往往需要更高的SBS摻量，成本昂貴；SBR、CRM的摻入能顯著提高黏度并改善瀝青的低溫抗變形能力，但高溫性能提升有限。

3）高黏改性劑價格昂貴[10-11]。高黏改性劑主要是韓國SK及日本TPS產(chǎn)品，價格在每噸數(shù)萬元，加之TPS用量在12%左右[12]，造價較高，不利于排水瀝青路面推廣。

采用SBS/CRM復合工藝制備的膠結料有以下優(yōu)勢：

1）性能方面，首先，SBS能同時改善其高低溫性能，CRM能顯著提高黏度和黏彈性[13-15]，并減少路面泛油，復合改性可增強瀝青綜合性能。其次CRM能在瀝青中形成網(wǎng)絡填充結構，而OGFC的大空隙結構能很好地適應其填充效應，保持良好的穩(wěn)定性；

2）經(jīng)濟方面，充分利用廢舊橡膠材料并提高瀝青性能，具有經(jīng)濟潛力；

3）工藝方面，SBS和CRM改性工藝較為成熟，其中廢橡膠粉CRM與SBS復合改性的工藝研究最為普

遍[14,16-18]。

由于普通摻量的SBS改性瀝青工藝成熟且性能易于控制，因此SBS/CRM復合改性工藝為：在已制備好的SBS改性瀝青中投入CRM進行復合改性，工藝過程與傳統(tǒng)橡膠瀝青工藝一致。同時制備普通橡膠瀝青（CRMA）和SBS/CRM改性瀝青，對比普通CRM瀝青性能，確定其復合改性瀝青的CRM合理摻量，并制備OGFC混合料檢驗其路用性能，分析結果并對現(xiàn)有OGFC膠結料以及混合料相關技術標準提出建議。

2　試驗方案

2.1原材料及混合料

SBS改性瀝青：殼牌70號基質瀝青，內摻3.5%線星型SBS，180℃高速剪切30 min，溶脹發(fā)育1 h制得，作為復合改性的母料，技術指標見表1。

普通橡膠瀝青：殼牌70號基質瀝青，內摻20%的60目廢橡膠粉（CRM），180℃～190℃下葉片攪拌60 min制得，作為復合改性的對照，技術指標見表1。

表1　SBS及CRM改性瀝青技術指標Tab.1 Technical index of SBS modified asphalt and CRM modified asphalt

CRM: 60目載重車胎橡膠粉。

粗集料選用公稱粒徑為10～15 mm，5～10 mm的玄武巖，細集料采用0～3的石灰?guī)r，填料采用細磨石灰?guī)r?；旌狭项愋蜑镺GFC-13，目標空隙率為20%，配合比設計如表2，通過謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗確定最佳油石比為5.2%。

表2　OGFC-13級配組成Tab.2 Gradation composition of open-graded friction course

2.2制備工藝

1）SBS摻量。SBS摻量變化會顯著影響改性瀝青的性能。SBS摻量低于2%，改性瀝青內的交聯(lián)網(wǎng)狀結構尚未形成，改善效果不大；而摻量大于5%時，瀝青的溫度敏感性提高且低溫性能有所損失。SBS摻量為2.5%～3.5%時，其力學性能較接近市場上普通改性瀝青的技術指標，該摻量下的SBS/CRM復合改性方法具有應用潛力，故SBS摻量定為3.5%。

2）橡膠粉摻量。CRM能顯著提高瀝青的黏度和黏彈性能。SBS/CRM復合改性相關研究[13-15]中，為了不顯著增加其黏度，CRM的摻量較低，一般不高于10%，而橡膠瀝青中的CRM最佳摻量不高于20%[19]。為了獲得高黏度改性瀝青，CRM的摻量分別取SBS改性瀝青的內摻10%，15%和20%，通過性能測試確定其合理摻量。

3）復合加工工藝。將CRM投入已制備好的SBS改性瀝青中，加熱至180～190℃，葉片攪拌60 min，轉速1 000 rpm，該過程與普通橡膠瀝青的制備工藝一致。

2.3試驗方案

按照我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，測試不同CRM摻量的SBS/CRM復合改性瀝青的針入度、軟化點、延度（5℃、15℃），按美國材料實驗協(xié)會ASTM D6114-185標準測試旋轉黏度（175℃、185℃）及彈性恢復率，分析結果并確定CRM的合理摻量。選擇該摻量下的復合改性瀝青成型OGFC-13混合料，并進行漢堡車轍試驗、肯塔堡飛散試驗、謝倫堡析漏試驗和凍融劈裂試驗，分析其高溫穩(wěn)定性、抗剝落性、析漏性和水穩(wěn)定性。

3　結果及討論

3.1高黏復合改性瀝青性能評價指標

復合改性瀝青的技術標準缺乏相關規(guī)范，參考美國橡膠瀝青、日本高黏瀝青以及我國聚合物及橡膠改性瀝青的規(guī)范，如表3所示。

表3　高黏改性瀝青評價標準Tab.3 Evaluation standard of high viscosity modified asphalt

由表3可見：

1）針入度、延度指標不適合評價橡膠瀝青。由于瀝青中含有較多的的橡膠顆粒，影響針入度的準確性，而且在延度試件的測試斷面上易形成應力集中，因此針入度測試范圍大且最小延度值較低。

2）軟化點、彈性恢復、黏度標準不統(tǒng)一。對于高黏瀝青，軟化點及彈性恢復率標準較低，黏度的測試溫度及范圍也不統(tǒng)一，我國規(guī)范中的135℃運動黏度要求則是控制瀝青的泵送及加工性能，對于高黏瀝青則不適用。日本道路協(xié)會在2006年出版的《鋪裝設計施工指針》取消60℃毛細管黏度大于20 000 Pa·s的指標[3]，并且有研究表明毛細管黏度不適于評價高黏瀝青[22]。

綜上所述，為有效評價SBS/CRM復合改性高黏瀝青性能，建議：

1）175℃黏度指標作為控制指標。由于復合改性瀝青中含有較多的CRM，可參考美國橡膠瀝青黏度技術指標，黏度測試溫度175℃，高黏瀝青的黏度范圍應為2～5 Pa·s，考慮其黏度較高可能導致旋轉黏度儀測試時力矩過大，另設一組測試溫度為185℃。

2）軟化點及彈性恢復作為參考指標。軟化點可以評估瀝青的高溫能力，建議不低于80℃，彈性恢復仍采用規(guī)范標準，不低于75%。

3.2高黏改性瀝青測試結果及分析

為確定高黏改性瀝青的CRM合理摻量，不同CRM，結果如下：

3.2.1黏度及軟化點、彈性恢復測試結果

圖1　SBS/CRM復合對高溫黏度影響Fig.1 Effect of SBS/CRM composite modification on high temperature viscosity

圖2　SBS/CRM復合對軟化點、彈性恢復能力影響Fig.2 Effect of SBS/CRM composite modification on softening point and elastic recovery

如圖1、2所示：

1）CRM摻量提高以及復合改性的方式能顯著提高黏度。SBS改性瀝青未摻入CRM時，175℃黏度低于有效測試范圍，當CRM摻量為10%時，復合改性瀝青的175℃黏度為1.106 Pa·s，而摻量達到20%時，黏度為4.986 Pa·s。而單一CRM改性瀝青，其175℃、185℃黏度為3.225 Pa·s和1.161 3 Pa·s，而同摻量的CRM 與SBS復合改性后，其相應黏度提高到4.986 Pa·s和3.749 Pa·s，增黏效果顯著。

2）復合改性能顯著提高其回彈能力和高溫抗變形能力。這主要是因為SBS在瀝青中能形成彈性交聯(lián)網(wǎng)絡，故SBS瀝青的彈性恢復率及軟化點均較高，分別達到了80%，85℃以上，僅摻CRM的改性瀝青彈性恢復率及軟化點分別在70%，60℃以下，改性效果不如SBS。而復合改性的改善效果能達到甚至超過單一摻SBS。當CRM摻量為10%，SBS/CRM復合改性瀝青的軟化點為87.3℃，而摻量達到20%時，軟化點為97.6℃，高于單一SBS改性的89.0℃，而彈性恢復率也達到80%以上，反映了橡膠顆粒逐漸填充SBS形成的網(wǎng)絡結構的空隙的過程，膠結料結構強度逐漸增加。

3.2.2針入度、延度測試結果

如圖3所示，SBS改性瀝青摻入不同摻量CRM后，5℃延度有所降低。針入度在52×0.1 mm附近波動，5℃延度則是在23.6～24.9 cm內變化，低于SBS瀝青延度值41.3 cm，這是由于CRM在瀝青中無法完全降解，在瀝青中保留大量的橡膠顆粒，在瀝青—橡膠界面容易形成應力集中，不利于針入度及延度試件受力模式，單一CRM改性瀝青的針入度、延度指標降低更顯著，反映出針入度和延度指標不利于含CRM復合改性瀝青的性能控制。

綜上所述，3.5%SBS與20%CRM復合改性瀝青具有最優(yōu)性能。

3.3 OGFC混合料應用

采用3.5%SBS與20%CRM復合改性瀝青制備OGFC混合料，其路用性能測試結果如下表4所示：

圖3　針入度及延度測試結果Fig.3 Test results of needle penetration and ductility

表4　OGFC路用性能測試結果Tab.4 Road performance test results of open-graded friction course

從表4可見：

1）析漏、飛散損失極低。CRM能降低瀝青泛油現(xiàn)象，較低的析漏損失表明復合改性瀝青同樣能有效控制泛油現(xiàn)象，瀝青析漏有明顯改善效果。除此之外，飛散損失率大大低于規(guī)范值，說明該高黏瀝青有良好的膠結強度；

2）馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂試件測試荷載值較低。由于OGFC是骨架空隙結構，不利于承受側向力的力學模式試驗，側向力荷載值均較小，無法充分反映膠結料對其路用性能的影響；

3）動穩(wěn)定度規(guī)范值偏低。高黏復合改性瀝青能顯著改善混合料的高溫穩(wěn)定性，其動穩(wěn)定度高于6 000次·mm-1，而日本重交通路段對OGFC動穩(wěn)定度要求在3 000～5 000次·mm-1[3]，而我國重交通路段的交通量和車輛超載現(xiàn)象均比日本嚴重，建議動穩(wěn)定度應不小于5 000次·mm-1。

4　結論

1）采用SBS/CRM復合改性方法，能顯著提高膠結料的黏度，高于SBS或CRM單一改性瀝青的黏度。在SBS改性瀝青中投入CRM的復合改性工藝，可直接借鑒橡膠瀝青生產(chǎn)工藝，工序簡單且質量易于控制。

2）CRM最佳摻量為20%。隨著CRM摻量提高，CRM顆粒逐漸填充于SBS網(wǎng)絡之中,反映為黏度和軟化點逐漸升高，當CRM摻量為20%時，橡膠顆粒充分填充SBS網(wǎng)絡結構的空隙，黏度和高溫性能顯著提高，具有最優(yōu)的性能。

3）SBS/CRM復合改性瀝青能顯著改善OGFC混合料的路用性能。析漏損失率、飛散損失率大大低于規(guī)范值，動穩(wěn)定度在6 000次·mm-1以上，這說明SBS/CRM復合改性瀝青能降低混合料泛油現(xiàn)象，提高抗剝落能力和高溫穩(wěn)定性。

4）高黏瀝青和排水瀝青路面的相關技術標準應當提高?？刂聘唣秃细男詾r青性能應當采用175℃黏度、軟化點、彈性恢復率指標，建議175℃黏度范圍為2～5 Pa·s，軟化點不低于80℃，彈性恢復率不低于75%，OGFC混合料的動穩(wěn)定度建議不小于5 000次·mm-1。瀝青針入度、延度以及混合料馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比等指標不適合控制復合改性高黏瀝青及OGFC混合料性能。

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(責任編輯王建華)

Research on Application of Composite Modified High Viscosity Asphalt in Drainage Pavement

Ye Fen1，2，Yang Siyuan1
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804；2. School of Architectural Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

Abstract：To solve the existing problem of low standard of drainage asphalt pavement and lack of uniform criteria for the production and evaluation of high viscosity asphalt, the SBS/CRM composite modified method was adopted to obtain high viscosity asphalt and the reasonable dosage of CRM was determined according to the 175℃rotational viscosity and the softening point and elastic recovery rate. Results of road performance tests such as Hamburg rutting test and Cantabro loss test on the OGFC-13 mixture were analyzed to give recommendations on existing technical standards. The results show that the optimum content of CRM is 20% mixed with 3.5% SBS concerning the viscosity and high temperature capacity, and the dynamic stability of the OGFC mixture is higher than 6 000 times/mm. The 175℃viscosity, softening point and elastic recovery rate were recommended to ensure the quality of composite modified high viscosity asphalt, whose viscosity should be controlled at 2～5 Pa·s with the softening point higher than 80℃and the recovery rate more than 75%. The dynamic stability of OGFC mixture no less than 5 000 times/mm is also suggested.

Key words：drainage asphalt pavement; composite modification; high viscosity asphalt; evaluation index

作者簡介：葉奮（1970—），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為交通運輸工程。

收稿日期：2015－10-08

文章編號：1005-0523（2016）01-0030-07

中圖分類號：U414

文獻標志碼：A