于保陽， 高超， 張榮華

(1.沈陽建筑大學 交通工程學院， 遼寧 沈陽 110168； 2.大連海事大學 交通運輸裝備與海洋工程學院)

透水路面有良好的排水、凈水性能可防止城市內澇、凈化水質，有良好的抗滑性能，可提高行車安全系數，通過減弱車輛輪胎和道路表面的空氣泵作用來減弱噪聲污染等。日本對透水路面的研究較早，對高黏改性瀝青的技術研究較成熟，認為高黏改性劑在保證透水路面路用性能方面具有重要的作用。中國南方地區(qū)目前已有很多透水試驗路的鋪筑，在東北季凍區(qū)對透水瀝青路面(高黏改性瀝青)的研究很少，因此，該文查閱相關規(guī)范，結合東北季凍區(qū)的氣候條件對透水瀝青路面中的結合料即高黏改性瀝青進行分析。

1 原材料、試驗方法和氣候條件

1.1 原材料

(1) 高黏改性劑

選用國產OLB-1型高黏改性劑，外觀為淺黃色半透明半球狀顆粒，由多種聚合物復合而成，通過對基質瀝青的增黏、加筋、填充、提高彈性恢復和降低溫度敏感性等多重作用而改善瀝青的綜合性能，從而提高瀝青混合料的抗疲勞損壞能力、高溫抗車轍能力、低溫抗開裂能力和抗低溫脆性能力等，用于東北季凍區(qū)的透水路面具有很大的優(yōu)勢和適用性。

(2) 基質瀝青

基質瀝青選用遼河90#基質瀝青，基本技術性能指標見表1。

1.2 高黏改性瀝青的制備

采用濕法工藝制備高黏改性瀝青，制備步驟如下:

表1 遼河90#基質瀝青技術性能指標測試結果

① 確定制備高黏改性瀝青的總質量，用內摻法計算、稱量基質瀝青和改性劑的質量；② 將稱量好的基質瀝青放入烘箱中加熱至(180±5) ℃，然后加入稱量好的改性劑恒溫攪拌5 min；③ 用B25型高速剪切機C檔(16 000 r/min)低速剪切10 min，然后調至E檔(22 000 r/min)高速剪切20 min，再將試樣放入180 ℃的恒溫烘箱中溶脹10 min后，取出繼續(xù)用E檔高速剪切15 min即可。剪切時間過短會導致改性劑顆粒無法充分熔化、均勻分散，剪切時間過長又導致瀝青老化嚴重，建議剪切時間≤1 h，控制剪切溫度在180 ℃左右，以達到最佳的剪切效果。

1.3 高黏改性瀝青的技術要求

對比了中國規(guī)范CJJ-T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》和日本規(guī)范中高黏改性瀝青各指標的差異，具體要求見表2。

1.4 東北季凍區(qū)氣候條件

中國《公路自然區(qū)劃》將全國劃分為多年凍土區(qū)、

表2 不同規(guī)范對高黏度改性瀝青的技術要求

季節(jié)凍土區(qū)和全年不凍區(qū)三大地帶。東北季凍區(qū)氣候分區(qū)為夏熱區(qū)、冬寒區(qū)和濕潤區(qū)，具有春、秋季節(jié)持續(xù)時間短，冬季寒冷漫長，夏季高溫多雨等特征，路面結構每年經歷70 ℃左右的溫差變化，詳細氣候條件及PG分級見表3。冬季最低氣溫可達-30 ℃甚至更低且持續(xù)時間長，路面極易產生低溫開裂破壞，透水路面較密級配路面更易出現損傷，故對改性瀝青的要求更加嚴格；夏季時瀝青路面接近40 ℃的持續(xù)高溫使車轍病害嚴重。何演等研究表明：90%的低溫抗裂性能都是由瀝青來提供的。因此，選擇低溫性能好、感溫性能好并且同時兼顧良好的高溫性能的結合料可以保證東北季凍區(qū)透水瀝青路面具有良好的低溫抗裂性能、良好的高溫抗車轍性能和耐久性等。

表3 北方季凍區(qū)氣候條件

2 試驗結果和分析

2.1 基本指標

在相同的試驗條件下，對不同高黏改性劑摻量的改性瀝青進行基本指標的試驗，結果如圖1～3所示。

由圖1可知:隨著高黏改性劑摻量的增加改性瀝青的軟化點不斷增加，摻量小于5%時軟化點增加較慢，這是由于改性劑摻量很小時只與小部分基質瀝青溶脹結合，改性效果不明顯。摻量逐漸增加到13%的過程中，軟化點增加較快且呈線性增長。原因在于，在不斷的攪拌剪切過程中，改性劑中的聚合物在拌和過程中拉絲成纖維狀，纖維體之間相互搭接，纏繞在一起，而且聚合物具有很好的熱穩(wěn)定性和相當的勁度，隨著改性劑的繼續(xù)增加聚合物纖維體不斷地互相搭接纏繞，逐漸形成網狀架構，改性瀝青的軟化點隨著網狀結構的不斷形成呈現出線性增長的趨勢。當摻量由13%增至15%時，網狀架構基本形成，軟化點數值不再增長。從圖1看出摻量為9%時軟化點已超過80 ℃，所以改性劑摻量大于9%時即滿足規(guī)范對軟化點的要求，摻量為13%時軟化點達102.1 ℃，說明改性瀝青的高溫性能好，用作東北季凍區(qū)的透水路面具有良好的高溫抗車轍能力。

圖1 軟化點曲線

圖2 針入度曲線

圖3 5 ℃延度曲線

由圖2可知：隨著改性劑摻量的增加不同試驗溫度下改性瀝青的針入度均不斷減小，且隨摻量的減小其數值減小的幅度也逐漸變小，30 ℃下減小幅度最為明顯，25 ℃次之，15 ℃時針入度變化不明顯，摻量從0%增至15%時，針入度僅減小了1.8 mm，說明摻量的增加使改性瀝青的稠度增加，高溫性能逐漸變好。當摻量大于8%時稠度增加變緩，這是由于改性劑的增加使聚合物纖維體不斷增多，且互相搭接纏繞提高了稠度，摻量大于8%后聚合物纖維體網狀架構逐漸形成，高溫性能改善的幅度逐漸減小。

在評價瀝青低溫性能方面，低溫延度是一個重要的指標，具有方法簡單、比較直觀等優(yōu)點，故延度試驗溫度不采用15 ℃，而選擇5 ℃進行低溫延度試驗。由圖3可知:5 ℃試驗條件下，隨著改性劑摻量的增加改性瀝青的延度不斷增加，但是延度增加的速度變緩，改性劑摻量從12%增加到15%，延度僅增加了3.4%。表明隨著改性劑摻量的增加高黏改性瀝青的低溫性能不斷變好，但當改性劑的摻量為15%附近時，延度增加不明顯，此時如繼續(xù)增加改性劑摻量對改善低溫性能作用很小；當改性劑摻量為15%時，5 ℃延度為46.1 cm，滿足規(guī)范要求。

2.2 針入度指數PI值及衍生指標

瀝青是感溫性結合料，加熱變軟，遇冷變硬，因此感溫性是評價高黏改性瀝青的重要指標。東北季凍區(qū)的明顯特征是溫差大，每年溫差可達70 ℃以上，這對改性瀝青的感溫性能提出了很高的要求。中國“八五”攻關研究中提出以針入度指數評價改性瀝青的感溫性，要求置信度為95%、R值>0.997，此時試驗誤差小，試驗數據可用。

根據JTJ 052-2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的公式計算針入度指數PI值及衍生指標，具體數據見表4。

y=a+bx(y=lgP,x=T)

(1)

lgP=K+AlgPen×T

(2)

式中：T為不同試驗溫度下的針入度P;K為回歸方程的常數項a；AlgPen為回歸方程的常數項b。

表4 針入度指數PI值及衍生指標結果

(3)

(4)

(5)

ΔT=T800-T1.2

(6)

由表4可知:隨高黏改性劑摻量的增加針入度指數PI值和T800當量軟化點呈現增加趨勢，表明改性瀝青溫度敏感性有所降低，提高了改性瀝青的溫度穩(wěn)定性。瀝青路面的抗車轍能力、抗低溫開裂能力和耐久性與感溫性有內在聯系，感溫性降低意味著透水路面的整體性能提高。規(guī)范中要求對冬季寒冷，日溫差、年溫差大的地區(qū)宜選用PI指數大的瀝青，該文基質瀝青的PI值為-0.91，當摻量為15%時PI值為1.43，遠大于基質瀝青的PI值和規(guī)范≥+0.2的要求，說明高黏改性劑對降低瀝青的溫度敏感性起到了巨大作用，用于大溫差的東北季凍區(qū)有很好的優(yōu)勢和適用性，可有效提高路面抗車轍能力、抗低溫開裂能力和耐久性。T1.2當量脆點不斷降低，塑性溫度范圍Δt不斷增加都表明隨著改性劑摻量的增加改性瀝青的溫度敏感性降低，低溫性能變好適用于東北季凍區(qū)。

2.3 60 ℃動力黏度和135 ℃運動黏度指標

透水路面空隙率大，空氣和雨水易進入結構內部，所以要求混合料有足夠的強度、耐久性和很好的抗水損害性能。日本研究表明透水路面的結合料應使用高黏改性瀝青(要求60 ℃時改性瀝青的動力黏度大于20 000 Pa·s，日本常用的改性劑為TPS)，并且認為高黏改性劑具有重要地位。60 ℃動力黏度及135 ℃運動黏度具體結果數據見圖4、5。

由圖4、5可知：隨著高黏改性劑摻量的增加60 ℃動力黏度呈現指數增加，摻量為12%時動力黏度>20 000 Pa·s，當摻量為15%時動力黏度達到90 170 Pa·s，滿足透水路面結合料的要求。JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求“在不改變改性瀝青性質并符合安全條件的溫度下易于泵送和拌和，或證明適當提高泵送和拌和溫度時能保證改性瀝青質量，容易施工，需要測定改性瀝青135 ℃運動黏度，要求測量值≤3 Pa·s”。試驗結果表明：改性瀝青的135 ℃運動黏度隨摻量的增加而增加，當摻量為15%時運動黏度值為2.75 Pa·s，滿足規(guī)范要求。

圖4 60 ℃動力黏度曲線

圖5 135 ℃運動黏度曲線

2.4 BBR指標

東北季凍區(qū)冬季最低氣溫可達-30 ℃甚至更低，每年經歷70 ℃左右的溫差變化，透水路面在這樣的氣候下，低溫開裂破損現象更容易發(fā)生，然后迅速發(fā)展導致路面使用性能急劇衰減，最后路面破壞。國際上廣泛采用SHRP提出的瀝青彎曲梁流變試驗進行預防且證實：蠕變勁度設計值應在路面最低溫度下加載2 h時測得，但當試驗溫度提高10 ℃后，等價的蠕變勁度值只需要加載60 s便可測得。

采用彎曲梁流變儀對高黏改性瀝青(包括基質瀝青)進行BBR試驗，試驗溫度為-12、-18和-24 ℃。試驗荷載加載時間為240 s，取60 s的蠕變勁度S和蠕變速率m進行分析(圖6、7)。

由圖6可知：隨著高黏改性劑摻量的增加不同溫度下的蠕變勁度值S變化規(guī)律相似，均呈現出在摻量范圍為0～5%時S值先緩慢減小，摻量范圍為5%～13%時S值迅速減小，當摻量大于13%之后S值開始有迅速增加的趨勢。因為蠕變勁度S反映的是瀝青抵抗永久變形的能力，其值越小越好，所以S值變化趨勢說明當改性劑摻量在12%附近時抵抗永久變形能力最好；不同試驗溫度下S值的最低值有些差異，試驗溫度為-12和-24 ℃、摻量為13%時S值最小，試驗溫度為-18 ℃、摻量10%時S值最小，試驗溫度越低S值越大，越呈現出低溫脆性的特點，且相同溫差下試驗溫度越低S值變化越大，說明改性瀝青的低溫脆性為非線性變化，溫度越低低溫脆性越明顯；摻量15%時，試驗溫度為-18 ℃和-24 ℃時的S值相同，說明摻量15%或者更大時，改性瀝青抵抗永久變形的能力相同，在一定的條件下可以通過提高改性劑摻量改善改性瀝青的抵抗極限低溫的能力。

圖6 蠕變勁度值S曲線

圖7 蠕變勁度變化率m曲線

蠕變速率值m是反映瀝青勁度的時間敏感性及應力松弛性能的參數，其值越大越好。由圖7可知：m值隨摻量的增加而增加，當摻量在12%附近時m值達到最大，隨后開始下降，說明當摻量12%時應力釋放能力最強，低溫抗開裂能力最好；摻量小于14%時，相同溫差下m值變化基本相同，試驗溫度-18 ℃和-24 ℃、摻量15%時的m值逐漸接近，說明改性瀝青的應力松弛性能也是非線性的。綜合S值和m值的分析可知：高黏改性劑摻量為12%～13%時，改性瀝青抵抗永久變形的能力和應力釋放能力最好，低溫脆性現象最不明顯，滿足用于東北季凍區(qū)透水路面結合料的要求。

根據BBR試驗PG低溫等級可知，基質瀝青和改性劑摻量為15%的改性瀝青低溫性能較差，而改性劑摻量為4%、8%和12%的改性瀝青PG低溫等級相同。對于相同PG低溫等級的改性瀝青，根據不同溫度下BBR試驗得出的S和m值按照lgS=a1+b1T和lgm=a2+b2T回歸計算出臨界溫度TL,S(S=300 MPa時的低溫臨界溫度)和TL,m(m=0.3時的低溫臨界溫度)，再根據Superpave性能規(guī)范標準得出S≤300 MPa且m≥0.3時的低溫等級溫度TLC。數據見表5。

表5 PG低溫等級溫度分析

一般來說改性瀝青S值小，m值大，表明材料的低溫性能好，當PG等級相同時，采用低溫等級溫度TLC進行低溫性能區(qū)分，得到的不同改性劑摻量的改性瀝青低溫性能差異性明顯，可有效區(qū)分低溫性能的優(yōu)劣。由表5可知:改性劑摻量為4%、8%和12%的改性瀝青低溫等級溫度TLC大小排序為：摻量12%>8%>4%，所以高黏改性瀝青中改性劑摻量在12%左右時低溫抗開裂性能最好。

3 結論

(1) 當高黏改性劑摻量大于9%時軟化點和針入度均滿足規(guī)范要求。隨著摻量增加軟化點、PI值和T800當量軟化點呈增加趨勢，表明改性瀝青高溫性能逐漸變好，溫度敏感性降低，透水路面的整體性能提高。T1.2當量脆點不斷降低，塑性溫度范圍Δt不斷增加都表明隨摻量的增加改性瀝青的溫度敏感性降低，低溫性能變好，用于大溫差的東北季凍區(qū)具有很好的優(yōu)勢和適用性。

(2) 60 ℃動力黏度是評價高黏改性瀝青的重要指標，要求試驗值>20 000 Pa·s，根據試驗數據知改性劑摻量大于11%時就可保證透水路面具有良好的高溫性能和耐久性。高黏改性瀝青黏度大，對施工要求高，規(guī)范規(guī)定試驗值>3.0 Pa·s，當摻量為15%時改性瀝青的135 ℃運動黏度為2.75 Pa·s滿足規(guī)范要求。

(3) 當高黏改性劑摻量在13%附近時S值最小，瀝青抵抗永久變形的能力最好。改性瀝青的低溫脆性為非線性變化，溫度越低低溫脆性越明顯，在一定的條件下可以通過提高摻量改善改性瀝青的抵抗極限低溫的能力。m值隨摻量的增加而增加，當摻量在12%附近時m值達到最大，說明摻量為12%時應力釋放能力最強，低溫抗開裂能力最好；試驗溫度為-18和-24 ℃下摻量15%時m值逐漸接近，說明改性瀝青的應力松弛性能也是非線性的。改性劑摻量為12%時，低溫延度為44.6 cm遠大于規(guī)范要求限值，表明該摻量下的高黏改性瀝青低溫性能良好。