師 永 翔

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006)

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瀝青路面抗裂縫反射材料流變性能試驗研究★

師 永 翔

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006)

為進一步了解瀝青路面抗裂反射材料的性能機理，測試了三種瀝青材料的粘度和動態(tài)剪切流變性能，對比分析了三種材料的粘度、復數(shù)模量、相位角和車轍因子，評價了抗裂材料在不同溫度下的抗變形能力，得出了一些有意義的結論。

瀝青路面，抗裂縫反射，流變性能，溫變相關性

0 引言

瀝青路面已成為我國高速、干線公路的主要形式，受“強基薄面”設計理念的影響，瀝青路面多采用半剛性基層，影響半剛性基層瀝青路面耐久性的重要原因即為反射裂縫[1]。反射裂縫產(chǎn)生的根本原因在于半剛性基層是養(yǎng)生過程中產(chǎn)生縮裂，瀝青面層鋪筑以后在機動荷載的作用下，在基層的裂縫對應位置瀝青層發(fā)生疲勞破壞而形成反射裂縫[2,3]。若不對反射裂縫進行處理，路面降雨極可能沿裂縫滲入路面基層以及路基，造成土基軟化、基層松散、路面沉陷等病害，進而引發(fā)安全隱患。為降低路面養(yǎng)護成本，保證半剛性基層路面的耐久性，必須在設計、施工過程中，增設防裂措施。目前，路面預防、延緩反射裂縫的主要措施有滿鋪應力吸收層、鋪設聚酯玻纖布、橡膠瀝青應力吸收膜等[4-7]。綜合分析，現(xiàn)有技術造價偏高，且裂縫防反性能一般，并沒有達到真正的防止反射裂縫。因此，從改善瀝青材料的彈性、延展性出發(fā)，制備高摻量復合改性瀝青，研究其流變性能，評價其應用過程中的溫變性能和延展性，對半剛性基層瀝青路面的耐久性具有重要意義。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

山西省交通科學研究院新材料有限公司研究認為聚合物改性瀝青摻量達到10%以上，就會出現(xiàn)全新的瀝青體系，這種體系具有和聚合物更為相近的網(wǎng)格結構和物化性能，同時保持了瀝青原有的流變特性，這種瀝青體系不僅具有高彈性、延伸性，還有很好的低溫柔韌性[8]。為滿足抗裂縫材料在瀝青面層施工時不軟化流淌，應用過程中不低溫斷裂，本文根據(jù)山西省交通科學研究院研發(fā)的路面裂縫反射預防材料進行流變性能研究[9]。

1)基質瀝青。所采用的基質瀝青為SK70號基質瀝青，按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程的試驗方法測試基質瀝青的基本性能，如表1所示。

表1 基質瀝青的基本指標

2)改性劑。本文選用在路面領域應用較多的SBS改性劑作為增強瀝青延展性的添加劑，以克服瀝青在面層施工過程中的軟化變形、降低低溫環(huán)境下的脆性。采用40目廢舊橡膠粉作為彈性增強添加劑，以緩減半剛性基層變形對瀝青面層的影響。其性能指標如表2,表3所示。

表2 SBS技術指標

表3 膠粉性能指標

3)填料及助劑。為進一步增強抗裂縫反射材料在荷載作用下的抗變形能力，選用鈣粉作為填料。并增加了一種低分子量非晶態(tài)的共聚物作為助劑，減緩填料在瀝青中離析，增強分散性。

1.2 試驗方法

1)粘度試驗。參照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程的T0625—2011瀝青旋轉粘度試驗對復合改性瀝青在不同溫度下的粘度進行測試。

2)動態(tài)剪切流變試驗。本試驗在“交通運輸行業(yè)重交通公路養(yǎng)護材料協(xié)同創(chuàng)新平臺”下的流變實驗室完成，選用的荷載作用頻率ω=10 rad/s，溫度掃描范圍為30 ℃～90 ℃，升溫速度2 ℃/min。試樣直徑為8 mm，厚度為1 mm[10]。

2 試驗結果分析

2.1 粘度分析

選擇基質瀝青、三個比例的SBS改性瀝青(4%，8%，12%)和兩個配比的抗裂縫反射材料進行粘度試驗(基質瀝青∶SBS∶膠粉∶填料分別為A=100∶8∶30∶30；B=100∶12∶30∶40)，對比分析不同溫度下的粘度。

為研究SBS摻量、施工溫度和配比對瀝青材料粘度的影響，將試驗結果繪制成直觀圖，如圖1所示。

從圖1可以看出隨著SBS摻量的增加，瀝青的粘度逐漸提高。這顯示了SBS較強的增粘效果，也表明了瀝青結構性組分的增加。在高溫狀態(tài)下(165 ℃)瀝青的粘度明顯小于低溫狀態(tài)下(135 ℃)的瀝青粘度。這是因為溫度的升高，瀝青中的各成分逐漸變軟，并向流態(tài)轉化。通過圖2可以看出，不同類型及不同配比的瀝青材料在不同的溫度下，表現(xiàn)出明顯的粘度差異?？沽巡牧系恼扯让黠@大于同等摻量的SBS改性瀝青，這表明橡膠與填料的加入對提高材料的粘度起到了積極的效果。與SBS改性瀝青相比，橡膠和填料可增加原有粘度的107%～175%，這對于宏觀上提高材料的耐溫度性能及高溫穩(wěn)定性都有直接的作用。

從圖3可以得知：在不同的溫度下，配比A和配比B相比，二者的粘度相差不大，僅相差1%～2%；此時，SBS摻量的差距對抗裂材料粘度的影響已不明顯，這也從宏觀角度證明了在高摻量的橡膠及填料情況下，瀝青中可能生成了一種新的物質，對瀝青粘度有絕對的改善作用。并且溫度越高，兩種抗裂材料的粘度差距越小，最終相持平。此外，抗裂材料的粘度比較大，施工需要較高的溫度，故在施工過程中嚴格控制施工溫度對保持材料的耐久性具有十分重要的意義。

2.2 動態(tài)剪切流變性能分析

選擇基質瀝青、8%SBS改性瀝青和配比A的抗裂縫反射材料進行高溫動態(tài)剪切流變測試，分析材料配比、溫度對復數(shù)模量、相位角以及車轍因子的影響，評價材料力學性能隨溫度的變化規(guī)律，從流變學角度分析工作狀態(tài)下的抗變形性能和變形恢復能力。三種材料在不同溫度下的復數(shù)模量、相位角繪制曲線圖如圖4，圖5所示。

從圖4，圖5可以看出：1)隨著溫度的升高，三種瀝青材料不斷增加，而復數(shù)模量呈明顯的下降趨勢。理論分析為當溫度升高時，瀝青儲存模量G′下降，同時損耗模量G″上升，表明瀝青試件在荷載循環(huán)中儲存的能量逐漸下降，而每次荷載作用時消耗的能量增加。2)SBS改性瀝青和抗裂材料的G*值較基質瀝青均有顯著的提高，且在溫度范圍30 ℃～56 ℃時，抗裂材料的G*值大于SBS改性的G*值；在溫度范圍56 ℃～90 ℃時，抗裂材料的G*值小于SBS改性的G*值，但二者的G*值整體相差不大。這表明SBS可有效的提高瀝青的抵抗變形能力，而膠粉對瀝青的抗變形能力只有在較低的溫度下才能發(fā)揮。3)G*值越大瀝青的彈性越好，在高溫季節(jié)應用時路面受到車輛碾壓后的變形越容易恢復，這表明SBS、膠粉及填料的加入提高了瀝青材料體系的剛度，從另一種角度來說賦予了更大的模量?？紤]瀝青路面在夏季溫度可達60 ℃或者更高，在50 ℃～70 ℃范圍內(nèi)以64 ℃為例說明，抗裂材料的復數(shù)模量比基質瀝青提高72%，而高摻量的SBS比基質瀝青提高136%。

2.2.1 PG分級

參照瀝青混合料性能SHRP結合料規(guī)范規(guī)定：結合料RTFOT前耐高溫性能的等級需滿足G*/sinδ>1.0 kPa的規(guī)定，RTFOT后需滿足G*/sinδ>2.2 kPa的規(guī)定。如果G*/sinδ值小于規(guī)定值時則不滿足該等級抗車轍高溫的性能要求，需降級使用。根據(jù)試驗結果得出不同瀝青材料老化前的PG等級，如表4所示。

表4 不同瀝青材料PG分級溫度

從表4可以看出，高摻量SBS改性瀝青和抗裂材料的PG分級明顯高于基質瀝青，表明摻加SBS對提高瀝青的高溫性能具有明顯的效果。8%SBS改性瀝青和抗裂材料處于同一PG分級，證明高溫分級區(qū)膠粉和助劑對瀝青的高溫性能提高作用不明顯。

2.2.2 車轍因子

對于瀝青抗變形性能，SHRP計劃推薦采用荷載頻率為10 rad/s時所對應的車轍因子(G*/sinδ)來評價瀝青的抗變形能力。因此，采用車轍因子對上述三種瀝青材料的高溫性能進行評價，分析SBS和膠粉摻入后對瀝青高溫性能的影響規(guī)律。根據(jù)試驗結果繪制不同瀝青抗車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出：1)三種瀝青材料的G*/sinδ均是隨著溫度的升高不斷下降；在相同溫度下，抗裂材料的車轍因子均大于普通基質瀝青的抗車轍因子，表明抗裂材料中的SBS改性劑和膠粉材料加入對瀝青的抗車轍性能起到了明顯的作用。2)在30 ℃～52 ℃范圍內(nèi)，基質瀝青的抗車轍因子下降較為明顯，52 ℃～70 ℃范圍內(nèi)抗車轍因子變化率逐漸降低，70 ℃～90 ℃范圍內(nèi)基質瀝青的抗車轍因子變化不明顯，表明在70 ℃尤其是76 ℃以上，基質瀝青基本喪失彈性。3)高摻量SBS改性瀝青和抗裂材料與基質瀝青相比，抗車轍因子隨溫度變化的速率相對穩(wěn)定，表明SBS改性瀝青和抗裂材料具有明顯的溫度敏感性改善性能。在30 ℃～52 ℃范圍內(nèi)，抗裂材料的抗車轍因子大于8% SBS改性的抗車轍因子；而在52 ℃～70 ℃范圍內(nèi)，抗裂材料的抗車轍因子小于8% SBS改性的抗車轍因子。這表明在SBS改性瀝青中加入膠粉在相對較低的溫度下可發(fā)揮較好的變形恢復能力。分析原因，在高溫狀態(tài)下瀝青輕組分流動明顯，瀝青內(nèi)部的SBS分子鏈對膠粉顆粒的約束減小，而膠粉對瀝青的高溫性能提高不明顯，導致SBS分子鏈與膠粉的特殊結構優(yōu)勢不能發(fā)揮。

2.2.3 溫變相關性

同時，從圖6還可以看出抗車轍因子與溫度呈現(xiàn)一定的相關性，為對比分析三種材料與溫度相關性的差異，對上述瀝青材料的抗車轍因子進行回歸，分別得到三種瀝青材料抗車轍因子與溫度的關系式，如圖7所示。

通過三種瀝青材料在不同溫度下的抗車轍因子的回歸公式可知，抗車轍因子與環(huán)境基本呈現(xiàn)較好的線性關系，其相關系數(shù)均大于0.99。隨著SBS的添加，瀝青材料的抗變形能力與溫度線性相關更強，膠粉對溫度敏感性沒有明顯的增強作用。

3 結語

本文通過對以高摻量SBS和膠粉為改性劑的抗裂材料進行粘度試驗、流變性能試驗，對比分析了抗裂材料的流變性能，評價了抗裂材料的抗變形能力。主要結論如下:

1)SBS、橡膠粉和填料可顯著降低瀝青的溫度敏感性，與SBS改性瀝青相比，橡膠和填料可增加原有粘度的107%～175%；高摻量膠粉情況下，SBS摻量對抗裂材料的粘度影響不明顯。

2)SBS可有效的提高瀝青的抵抗變形能力，高溫分級區(qū)膠粉和助劑對瀝青的高溫性能提高作用不明顯。抗裂材料具有更高的PG分級，在較寬的溫度范圍內(nèi)應用都具有較高的穩(wěn)定性。

3)SBS的添加，促使瀝青材料的抗變形能力與溫度線性相關更強，而膠粉對其相關性沒有提高作用。

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Experimental research on rheological property of reflective materials on asphalt pavement★

Shi Yongxiang

(ShanxiTransportationResearchInstitute,KeyLabofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyinLoessRegionMinistryofTransport,Taiyuan030006,China)

In order to further the understanding of the performance of the anti-crack reflective materials, the paper measures the viscosity and dynamic shearing rheological property of three asphalt materials, undertakes the comparative analysis of the viscosity, complex modulus, phase angle, and rutting of the three materials, evaluates the anti-deformation capability of the anti-crack materials at different temperatures, and achieves some conclusion.

asphalt roadbed, reflection of anti-crack, rheological property, relevance of temperature variation

2016-11-22 ★:山西省交通建設科技項目(16-2-07)

師永翔(1984- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0152-04

U416.217

A