張爭奇，盧 川，王素青，2，李乃強，李宏偉

(1. 長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安710064； 2. 山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032；3. 承唐高速公路唐山管理處，河北 唐山 063000)

0 引 言

高模量瀝青混凝土常用于高溫、重載路段，具有較高的模量和結(jié)構強度，能有效提高路面的高溫抗車轍能力，而高模量瀝青是高模量瀝青混凝土強度形成和性能保證的關鍵。目前，制備高模量瀝青的方法主要有3種[1]：硬質(zhì)瀝青混配、天然瀝青改性和高模量劑改性。3種高模量瀝青的實現(xiàn)方式中，硬質(zhì)瀝青混配高模量在歐洲已得到廣泛應用[2]，硬質(zhì)瀝青多采用氧化工藝、溶劑脫工藝制備，具有較高的硬度和抗變形能力，但往往低溫抗裂性能差、耐疲勞性能明顯不足；天然瀝青改性多采用湖瀝青、巖瀝青等配制，存在著天然瀝青摻量大、改性效果較差等缺陷。目前，由于具有更好的技術性能，高模量劑改性瀝青得到了越來越多的重視。因為高模量劑改性瀝青與硬質(zhì)瀝青混配高模量瀝青成分上存在本質(zhì)區(qū)別，歐洲的硬質(zhì)瀝青評價標準不適用于高模量劑改性瀝青；同時，由于瀝青品種及流變特性的顯著不同，現(xiàn)行的針入度評價體系無法準確界定和評價高模量瀝青；SHRP評價指標從流變學角度出發(fā)，以車轍因子G*/sinδ以及PG分級指標評價瀝青結(jié)合料的高溫性能，與路用性能相關性較高，但缺乏針對于高模量改性瀝青的SHRP技術規(guī)范。

目前，國內(nèi)外對高模量瀝青材料的研究多集中于高模量外加劑的開發(fā)、高模量瀝青混凝土的性能評價等方面，較少涉及高模量瀝青的評價方法以及指標要求。2005年，遼寧省交科院在國內(nèi)首次提出高模量瀝青混凝土的定義：在45 ℃、10 Hz的試驗條件下，復數(shù)剪切模量不小于2 000 MPa[3]；在45 ℃、0.1 Hz的試驗條件下，復數(shù)剪切模量不小于500 MPa；龔涌峰[4]對高模量瀝青的DSR指標進行分析，并提出高模量瀝青的PG等級需要達到PG82-28，且 60 ℃復數(shù)剪切模量指標大于 10 kPa；李秋平等[5]采用重復蠕變恢復試驗探究高模量的標準，提出高模量瀝青 64 ℃下的累積變形不大于 0.1，76 ℃下的累積變形不大于 0.5的要求。

可見，現(xiàn)有關于高模量瀝青性能評價方法和評價技術指標的研究較少，且有關界定指標和標準看法不一，其確定過程缺乏合理依據(jù)，同時，現(xiàn)有評價體系和指標是否適用于高模量瀝青沒有得到論證。高模量瀝青的界定指標、標準的欠缺為高模量瀝青的材料和配比設計、生產(chǎn)和推廣應用帶來了困難。

鑒于高模量瀝青缺乏合理的界定標準，筆者選取3種高模量劑制備高模量瀝青，并對其進行常規(guī)性能試驗和流變性能試驗，同時，對相應的瀝青混凝土進行動態(tài)模量試驗和車轍試驗；最后，以灰色關聯(lián)度為參數(shù)，對高模量瀝青與高模量混凝土的指標關聯(lián)性進行評價，以滿足高模量瀝青混凝土動態(tài)模量標準值為原則，推薦了高模量劑改性瀝青的界定指標和標準。高模量瀝青界定標準的提出對優(yōu)化高模量瀝青組配方案，提高高模量瀝青混凝土質(zhì)量，促進高模量瀝青混凝土的推廣應用具有一定的現(xiàn)實意義，同時對高模量瀝青規(guī)范標準的建立具有一定的參考價值。

1 高模量瀝青制備與試驗設計

1.1 原材料

試驗中基質(zhì)瀝青采用A級70#道路石油瀝青，在混凝土試驗中選用石灰?guī)r作為集料，石灰?guī)r礦粉作為填料，經(jīng)測試原材料均符合規(guī)范要求。

試驗選取的3種高模量改性劑分別為PR INDUSTRIE研發(fā)生產(chǎn)的PR Module高模量外加劑和國內(nèi)某公司研發(fā)生產(chǎn)的XT-2、XT-3兩種抗車轍高模量改性劑，其基礎技術指標如表1。

1.2 高模量改性瀝青制備工藝及摻量確定

對于選取的3種高模量劑，均有“干法”和“濕法”兩種制備工藝，在生產(chǎn)過程中考慮到制備簡便一般采用“干法”工藝，即直接將改性劑與集料拌合均勻。以高模量瀝青結(jié)合料的性能指標為主要研究對象，故采用“濕法”制備工藝，具體工藝如下：

1)將基質(zhì)瀝青加熱升溫至160 ℃；

2)緩慢加入1/2高模量劑，邊攪拌邊升溫；

3)當溫度升至170～180 ℃時加入剩余改性劑攪拌均勻后再剪切1 h。

根據(jù)表1中的廠家推薦摻量和高模量瀝青應用現(xiàn)狀，試驗所制備高模量改性瀝青的改性劑摻量占瀝青質(zhì)量的百分比，如表2。

表2 高模量添加劑摻量Table 2 High modulus additive content %

1.3 試驗設計

首先，根據(jù)我國道路實際交通氣候條件，在總結(jié)歸納已有研究[6-9]的基礎上，提出高模量瀝青界定標準初步建議值，如表3。 然后按照圖1試驗及分析流程，對初步建議值進行驗證和修正。

表3 高模量瀝青界定標準初步建議值Table 3 Preliminary recommended value of definition standard forhigh modulus asphalt

圖1 試驗設計流程Fig. 1 Test design flowchart

2 高模量瀝青性能指標評價

2.1 高模量瀝青常規(guī)性能指標試驗結(jié)果與分析

本節(jié)對所配制高模量改性瀝青的針入度、軟化點、延度和135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度等常規(guī)性能指標進行測試，分析高模量劑種類和摻量的影響，并為高模量瀝青常規(guī)性能指標與混凝土相關指標的關聯(lián)性分析和高模量瀝青界定標準的確立提供依據(jù)，試驗結(jié)果如圖2～圖5。

針入度可以間接反映瀝青材料的等溫黏度特性，由圖2高模量改性瀝青針入度試驗結(jié)果可知，針入度隨改性劑摻量的增加呈規(guī)律性減小，說明改性劑加入使瀝青材料的黏度增加。在規(guī)律性滿足要求的前提下，能否將其作為高模量改性瀝青的界定標準需進一步考慮區(qū)分度的要求。參考廠家推薦的高模量劑最低摻量，7.5%PRM改性瀝青針入度是46.2，5%XT-2和5%XT-3改性瀝青的針入度分別為54.2和56.1，老化前后的針入度比范圍為56%～98%。故根據(jù)區(qū)分度要求，將高模量改性瀝青的針入度指標建議值確定為20～50(0.1 mm)是合理的，同時針入度比應當大于55%。

圖2 高模量改性瀝青RTFOT前后的針入度指標Fig. 2 Penetration index of high modulus modified asphalt beforeand after RTFOT

軟化點常用來評價瀝青的高溫性能，如圖3，隨高模量劑摻量的增加，3種改性瀝青RTFOT前后的軟化點均逐漸升高，雖升高幅度略有差異，但基本滿足規(guī)律性的要求。在推薦最低摻量時，7.5%PRM、5%XT-2和5%XT-3這3種改性瀝青原樣的軟化點分別為53.3、51.5、51.5 ℃，均無法達到軟化點建議值70 ℃的要求。改性劑摻量較小時，RTFOT后軟化點增大；但是隨著改性劑摻量的增加，在原樣改性瀝青的軟化點達到70 ℃之后，改性瀝青老化之后軟化點反而會降低，70 ℃成為高模量瀝青的性能異變點。究其原因[10]，可能是由于在老化過程中，聚合物類改性瀝青材料同時發(fā)生基質(zhì)瀝青的老化和聚合物的降解兩個反應過程。隨著改性劑摻量的增加，原樣瀝青的軟化點升高，但在老化過程中聚合物的降解作用加強，使改性作用減弱。因此，考慮區(qū)分度的要求，將高模量劑改性瀝青原樣的軟化點指標的建議值暫定為不小于70 ℃。有研究表明[11]，對于聚合物類改性瀝青材料，RTFOT后的軟化點指標與車轍試驗結(jié)果相關性很差，故不對其做出具體要求。

圖3 高模量改性瀝青RTFOT前后的軟化點指標Fig. 3 Softening point index of high modulus modified asphalt beforeand after RTFOT

由圖4、圖5可知，3種高模量劑改性瀝青的5 ℃延度均隨摻量增加而下降，其135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度隨摻量的增加而增大，這說明高模量改性劑對瀝青結(jié)合料的低溫性能和施工和易性有不利影響。考慮到界定高模量瀝青的主要標準是高模量瀝青混凝土的動態(tài)模量滿足要求，高模量改性應以提高高溫性能為主要目標，故延度和135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度不宜作為評價高模量瀝青特性的控制性指標。但高模量改性瀝青仍應滿足施工和易性的基本要求，我國JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》規(guī)定PE、EVE類改性瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度不能超過3.0 Pa·s；《廣東省公路路面典型結(jié)構應用技術指南(試用)》中考慮到高模量改性瀝青的特殊性能要求，降低了其對于135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度的要求，要求小于4.0 Pa·s。考慮到高模量改性瀝青的黏度較大、高溫性能突出、施工溫度高等特點，推薦高模量改性瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度小于4.0 Pa·s。

圖4 高模量改性瀝青5 ℃延度指標Fig. 4 5 ℃ ductility index of high modulus modified asphalt

2.2 高模量瀝青流變性能指標試驗結(jié)果與分析

本節(jié)以分析高模量劑種類和摻量對高模量改性瀝青復數(shù)剪切模量、車轍因子、PG分級指標等流變學指標的影響為目的，在多種實驗條件下對高模量改性瀝青的復數(shù)剪切模量、車轍因子以及PG分級指標進行測試，為高模量瀝青界定標準準備相關數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如圖6～圖7、表4。

表4 高模量改性瀝青PG試驗結(jié)果Table 4 PG test results of high modulus modified asphalt ℃

圖6 高模量改性瀝青復數(shù)剪切模量試驗結(jié)果Fig. 6 Test results of complex shear modulus of high modulus modified asphalt

圖7 高模量改性瀝青車轍因子試驗結(jié)果Fig. 7 Test results of rutting factors of high modulus modifiedasphalt

有關文獻[12]表明，瀝青結(jié)合料的復數(shù)剪切模量與混凝土動態(tài)模量具有良好的相關性。由圖6可知，在兩種試驗溫度60、76 ℃，兩種試驗頻率10、5 Hz，以及60 ℃(10 rad/s，12%)共5種不同試驗條件下復數(shù)剪切模量隨高模量改性劑摻量的增加均有不同幅度的提高，其變化趨勢大致相同，復數(shù)剪切模量指標滿足規(guī)律性的基本要求。同時表明，高模量改性劑的摻入使瀝青結(jié)合料的性質(zhì)更接近于彈性體，提高了瀝青結(jié)合料的高溫性能。但具體何種試驗條件下的復數(shù)剪切模量與高模量瀝青混凝土的動態(tài)模量相關性更好，需要將復數(shù)剪切模量的試驗結(jié)果與混凝土動態(tài)模量的試驗結(jié)果結(jié)合對比并進行相關性分析得出結(jié)論。

瀝青結(jié)合料的車轍因子可以在一定程度上反映瀝青路面的抗車轍性能，根據(jù)圖7所示的試驗結(jié)果，在應變水平均為0.1%的條件下，測得模擬正常情形的10 Hz試驗頻率和模擬重載情形的5 Hz試驗頻率下的車轍因子變化趨勢大致相同，兩種試驗條件下車轍因子均隨高模量改性劑摻量的增加而提高，因此從規(guī)律性角度考慮，車轍因子指標能夠滿足要求。不同試驗條件下高模量改性劑對車轍因子的改善幅度有所不同，模擬重載情形的試驗條件下改善幅度略高于模擬正常情形下的試驗條件下改善幅度，這表明高模量瀝青可以在重載路段更好地發(fā)揮其優(yōu)良性能。從區(qū)分度角度考慮，在76 ℃、10 Hz試驗條件下，當摻量為最低推薦值時，PRM、XT-2和XT-3改性瀝青的車轍因子分別為10.295 0、8.693 4、8.351 4 kPa，高模量瀝青車轍因子指標試驗結(jié)果在8～10 kPa范圍內(nèi)波動；在76 ℃、5 Hz試驗條件時，3種高模量劑改性瀝青的車轍因子指標在5 kPa附近波動。對于高模量劑改性瀝青，其車轍因子指標建議值可暫定為：G*/sinδ(76 ℃, 10 Hz)≥10 kPa，G*/sinδ(76 ℃, 5 Hz)≥5 kPa。

PG分級試驗結(jié)果表明，隨高模量改性劑摻量的增加，PG等級逐漸提升，但PG分級試驗結(jié)果每6 ℃一檔，導致指標變化不明顯，PG等級每提高一級需要大幅提高高模量劑摻量。由于PG指標不能精確反映高模量改性瀝青的性能變化，區(qū)分度欠佳，因此其不能作為高模量瀝青界定標準的關鍵性指標。

3 高模量瀝青混凝土性能評價

3.1 級配及瀝青用量的確定

高模量瀝青材料常用于道路的中下面層，以起到抵抗車轍的作用。因此，筆者選用了一種中粒式級配進行試驗，級配的各篩孔通過率如表5。

表5 試驗中選用級配Table 5 Gradation selected in the test

根據(jù)馬歇爾試驗的各項試驗結(jié)果，對于固定級配HMAC-20，基質(zhì)瀝青所對應的最佳油石比為4.2%。按照材料要求和廠家推薦的油石比，當級配一定時，高模量瀝青的油石比僅需在基質(zhì)瀝青的基礎上微調(diào)即可。

對于選用的3種高模量添加劑PRM、XT-2、XT-3，廠家推薦用量分別為0.5%～0.8%、0.3%～0.5%、0.3%～0.5%(以瀝青混合料質(zhì)量為基數(shù))。當PRM摻量超過0.5%后，摻量每增加0.2%，油石比增加0.1%。XT改性瀝青混凝土的油石比一般在基質(zhì)瀝青的基礎上增加0%～0.1%。綜上所述，選定7種高模量瀝青混凝土，其最佳油石比如表6。

表6 瀝青混合料的最佳油石比Table 6 The best asphalt aggregate ratio of asphalt mixture

在確定油石比的基礎上，按照材料性能特點和相關規(guī)范要求，先將石料加熱至170～180 ℃，高模量瀝青加熱至160～170 ℃，按照混合料試驗規(guī)程拌和均勻，在165±3 ℃的條件下，按照試驗規(guī)程成型混合料試件。

3.2 高模量瀝青混凝土試驗結(jié)果與分析

高模量瀝青混凝土的動態(tài)模量可以反映高模量瀝青材料的抗變形能力，其標準值是確定高模量瀝青界定標準的依據(jù)。本節(jié)通過動態(tài)單軸壓縮試驗，在兩種試驗溫度20、15 ℃，兩種試驗頻率10、5 Hz試驗條件下測得高模量瀝青混凝土的動態(tài)模量，采用車轍試驗儀測得高模量瀝青混合料的動穩(wěn)定度。在此基礎上，分析高模量劑種類及摻量對高模量瀝青混凝土動態(tài)模量和高溫抗車轍性能的影響，探討高模量瀝青混凝土動態(tài)模量與高模量改性瀝青性能指標的相關關系。高模量混凝土試驗所用瀝青混凝土種類如表6，試驗結(jié)果如圖8、圖9。

圖8 混凝土動態(tài)模量試驗結(jié)果Fig. 8 Test results of dynamic modulus of concrete

圖9 車轍試驗試驗結(jié)果Fig. 9 Rut test results

由混凝土動態(tài)模量試驗結(jié)果可知，不同種類高模量瀝青制備的高模量混凝土動態(tài)模量對溫度較為敏感，試驗溫度升高，模量值減小。以20 ℃、10 Hz的動態(tài)模量標準值1 300 MPa對高模量瀝青進行優(yōu)選，則只有7.5%XT-3不滿足要求，其余6種混凝土均滿足動態(tài)模量標準值。在第4節(jié)中，將以混凝土動態(tài)模量試驗結(jié)果為依據(jù)，詳細分析高模量瀝青各項指標與動態(tài)模量的關系，并進一步以動態(tài)模量標準值為依據(jù)對各項指標進行反算。

由圖9可知，高模量瀝青混凝土的動穩(wěn)定度較普通的瀝青混凝土有了大幅度提高。同時可以發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度與動態(tài)模量值在一定程度上具有相關性，基本呈正相關趨勢，動態(tài)模量指標越大，動穩(wěn)定度一般也越大，這說明高模量瀝青混凝土具有優(yōu)良的高溫抗車轍性能。

4 高模量瀝青性能指標體系確立

4.1 常規(guī)性能指標關聯(lián)性評價

基于灰色關聯(lián)分析方法，以灰色關聯(lián)度為參數(shù)對高模量瀝青的各項性能指標與混合料動態(tài)模量及動穩(wěn)定度之間變化態(tài)勢的一致性進行分析。分別以混凝土的動態(tài)模量和動穩(wěn)定度為參考數(shù)列，以高模量改性瀝青的各項常規(guī)性能指標為對比數(shù)列，進行灰色關聯(lián)度計算，計算結(jié)果如圖10。

圖10 常規(guī)性能指標關聯(lián)度Fig. 10 Correlation of general performance indexes

由圖10可知：

1)由圖10知，高模量瀝青的常規(guī)性能指標與不同試驗條件下的動態(tài)模量和動穩(wěn)定度的關聯(lián)度排序具有一致性，其關聯(lián)度排序均為：軟化點>135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度>針入度。

2)針入度指標與混凝土動態(tài)模量和動穩(wěn)定度指標的灰色關聯(lián)度最小，與動穩(wěn)定度指標的關聯(lián)度為0.567 6，與動態(tài)模量指標的關聯(lián)度在0.5左右。因此，以針入度指標來表征高模量瀝青的高溫性能不十分合理，針入度指標應當作為參考性指標來評價高模量瀝青。

3)軟化點指標與高模量瀝青混凝土高溫指標的相關性較好，與20 ℃，10 Hz的動態(tài)模量、60 ℃動穩(wěn)定度指標的相關系數(shù)分別達到了0.796 7和0.730 2。但是，軟化點60 ℃建議值的區(qū)分度較差，應結(jié)合其他評價指標來綜合評價界定高模量瀝青。

4)135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度用以表征瀝青的高溫和易性，從圖10計算結(jié)果來看，與動穩(wěn)定度的相關性較好。因此，要求高模量瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度不大于4.0 Pa·s。

4.2 流變性能指標關聯(lián)性評價

流變性能指標可以有效區(qū)分基質(zhì)瀝青和普通改性瀝青的各種性能，且與路用性能相關性較高，為明確流變性能指標作為界定高模量瀝青的關鍵性指標的合理性，本節(jié)對高模量改性瀝青的DSR指標與混凝土的動態(tài)模量及動穩(wěn)定度進行灰色關聯(lián)分析，分別以混凝土的動態(tài)模量和動穩(wěn)定度為參考數(shù)列，以高模量改性瀝青的各項流變學性能指標為對比數(shù)列，進行灰色關聯(lián)度計算，結(jié)果如圖11。

圖11 流變性能指標關聯(lián)度Fig. 11 Correlation degree of rheological performance index

由圖11可知：

1)高模量瀝青各個DSR試驗指標與混凝土20 ℃動態(tài)模量的相關性整體優(yōu)于15 ℃動態(tài)模量指標。

2)復數(shù)剪切模量與車轍因子在評價高模量瀝青高溫抗車轍性能時具有很好的區(qū)分度和一致性。從60 ℃車轍試驗的結(jié)果來看，與混凝土路用性能相關性最好的指標是車轍因子(76 ℃，5 Hz，0.1%)。因此，將其作為高模量瀝青在高溫重載條件下高溫抗車轍變形性能的評價指標。

3)高模量瀝青要對其復數(shù)剪切模量做出相應的要求。從與動態(tài)模量和動穩(wěn)定度的相關性來看，相關性最好的指標是為復數(shù)剪切模量G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)和G*(60 ℃，10 rad/s，12%)。但G*(60 ℃，10 rad/s，12%)與混凝土性能的相關系數(shù)比G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)小，該現(xiàn)象可歸結(jié)于在12%應變條件下，某些瀝青已超過其線性黏彈性區(qū)域[12]。

4)PG等級與混凝土性能的相關系數(shù)較高，但其區(qū)分度欠佳。

4.3 高模量瀝青界定標準推薦

通過4.1節(jié)、4.2節(jié)對高模量改性瀝青各項性能指標與混凝土動態(tài)模量及動穩(wěn)定度之間的相關性分析，筆者認為高模量瀝青界定標準應以高模量瀝青的復數(shù)剪切模量為關鍵性指標，以針入度指標體系為輔助性指標，在確保瀝青高溫和易性滿足要求的基礎上建立。同時，以動態(tài)模量標準值13 000 MPa(20 ℃，10 Hz)為標準，反算高模量瀝青性能指標值的建議值，具體結(jié)果見表7。

表7 高模量瀝青界定標準Table 7 Definition standard of high modulus asphalt

由表7可知，反算得到的高模量瀝青性能指標與初步建議值接近，對于G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)和軟化點兩個指標來說，反算得到的建議值與初步建議值兩者差異在10%以內(nèi)，說明初步建議值較為合理。

以混凝土的動態(tài)模量標準值為依據(jù)，來推算論證高模量瀝青的界定指標。考慮到混凝土動態(tài)模量指標的要求，G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)和與混凝土的動穩(wěn)定度和動態(tài)模量指標均具有良好的相關性，G*(60 ℃，10 Hz,12%)次之。且復數(shù)剪切模量能夠表征瀝青材料的剪切力學特性。因此，將G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)作為評價界定高模量瀝青的關鍵性指標。兩個復數(shù)剪切模量指標能夠通過振幅掃描試驗快速簡便地得到，也符合試驗操作簡便的要求。

針入度指標體系作為我國傳統(tǒng)的評價方式，綜合了長期的實踐使用經(jīng)驗，具有試驗操作簡便的優(yōu)越性。但是在評價高模量瀝青性能時有許多不足，為與我國現(xiàn)行規(guī)范更好的對應，將其作為輔助性指標來評價高模量瀝青的性能。以135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度指標來控制高模量瀝青材料的高溫施工和易性。

5 結(jié) 論

以確定高模量改性瀝青界定標準為目的，通過對高模量劑改性瀝青及混凝土的相關試驗與分析，得出以下結(jié)論：

1)僅使用基礎性能指標界定高模量瀝青具有明顯的不足。針入度指標雖符合規(guī)律性和區(qū)分度的要求，但其與動態(tài)模量、動穩(wěn)定度的相關性較差；軟化點指標雖符合規(guī)律性、區(qū)分度和關聯(lián)性的要求，但其區(qū)分度較差；135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度與延度也均不能作為界定高模量瀝青的關鍵性指標。

2)流變學指標中，復數(shù)剪切模量與車轍因子在評價高模量瀝青高溫抗車轍性能時具有良好的區(qū)分度和一致性，且與動態(tài)模量、動穩(wěn)定度的關聯(lián)度較好。綜合分析，選取G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)作為評價界定高模量瀝青的關鍵性指標。

3)推薦高模量瀝青界定標準參考表7。