鄒武坤，趙夢珍，丁 旋，周啟偉，宋興華

（1.吉安市公路勘察設(shè)計院，江西 吉安 343000；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 400067；3.重慶交通大學(xué)，重慶市 400074）

0 引言

高黏彈改性瀝青（60℃動力黏度大于20000 Pa·s，25℃彈性恢復(fù)大于85%的瀝青）具有優(yōu)異的高溫抗車轍性能，同時兼顧低溫抗裂性能，受到越來越多的市場青睞[1-3]，常用于高等級公路的應(yīng)力吸收層、磨耗層、排水路面與橋面鋪裝等領(lǐng)域[4-6]。

國內(nèi)外對高黏彈改性瀝青的黏彈特性、混合料的路用性能等開展了系列研究，為其工程應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。?zay 等[7]將TPS 添加至SBS 改性瀝青中，發(fā)現(xiàn)TPS-SBS 高黏復(fù)合改性瀝青的高低溫性能和抗水損害能力均有明顯提高，但其135℃黏度過高，施工和易性較差。Yan 等[8]通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的SBS 制備了高黏彈改性瀝青，考察改性瀝青老化行為，并利用指數(shù)回歸方程和線性回歸方程表征了老化改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角演變行為。Mansourian 等[9]采用EVA、HDPE 和納米黏土制備新型聚合物納米復(fù)合材料，并用于改性瀝青，發(fā)現(xiàn)無論是線性還是非線性黏彈性行為中，聚合物納米復(fù)合材料均能提高改性瀝青的低溫抗裂性能和抗車轍性能。

張爭奇等[10]基于復(fù)合改性技術(shù)制備的SBS- 聚氨酯復(fù)合改性瀝青，60℃動力黏度達(dá)到34217 Pa·s，彈性恢復(fù)達(dá)到97%，同時具有較好的高低溫性能和儲存穩(wěn)定性。劉斌清等[11]利用滯后環(huán)試驗評價指標(biāo)、Carreau 模型擬合的零剪切黏度、車轍因子和軟化點對高黏彈改性瀝青高溫性能進行評價，發(fā)現(xiàn)前兩者對于不同種類改性瀝青高溫性能具有較好的區(qū)分度，評價效果最好。孫雅珍等[12]通過彎曲梁蠕變試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法標(biāo)定了高黏彈瀝青砂的黏彈性參數(shù)，解析了溫度影響下梁底彎拉應(yīng)變隨時間的演化規(guī)律。蘇忠高[13]采用浸水車轍試驗評價了不同類型超薄層瀝青混合料的水穩(wěn)定性，選用偏粗的級配以確?？障堵蚀笥?0%，進而利于排水、降噪和提高抗滑能力，建議設(shè)計超薄路面時要同樣重視選用適合的膠結(jié)料和級配類型。肖軍等[14]在12%摻量的SBS 改性瀝青中復(fù)摻聚酯纖維和玄武巖纖維，顯著改善了高黏彈改性透水瀝青混合料的黏附性、水穩(wěn)定性、高溫性能和抗疲勞性能。王新科等[15]通過與SBS 改性瀝青混合料進行對比，發(fā)現(xiàn)高黏彈改性瀝青具有更加優(yōu)異的路用性能，且更能適應(yīng)較低溫環(huán)境下的施工。

以往研究多關(guān)注高黏彈改性瀝青及其混合料的宏觀性能，對其微觀結(jié)構(gòu)的報道較少，且高黏彈改性瀝青用于薄層罩面的研究較為少見，尤其采用同步薄層罩面STC-10 混合料級配。本研究首先考察不同類型高黏劑對高黏彈改性瀝青宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，明確最佳的高黏劑類型和用量。其次對采用STC-10 級配類型的高黏彈改性瀝青混合料進行路用性能評價，為新型高黏彈改性瀝青及其混合料在超薄罩面中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 原材料

SBS 改性瀝青采用市面上常見的成品SBS 改性瀝青，針入度、軟化點、5℃延度分別為56.5×0.1 mm、84.0℃、35.9 cm。高黏劑選用自主研發(fā)的高黏劑和2種國產(chǎn)直投高黏劑，分別命名為高黏劑-1、高黏劑-2、高黏劑-3。

粗細(xì)集料均為玄武巖，集料分10～13 mm、5～10 mm、0～5 mm 三檔，礦粉為石灰石礦粉。集料和礦粉的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。纖維采用玄武巖纖維，直徑10～13 μm，長度6 mm，斷裂強度0.54 N/tex，拉伸強度2430 MPa，拉伸彈性模量87.2 GPa。

1.2 高黏彈改性瀝青制備

采用高黏劑與SBS 改性瀝青高溫共混方式制備高黏彈改性瀝青，制備過程如下：

（1）將SBS 改性瀝青加熱至180℃，將稱重后（外摻2%、4%、6%、8%）的高黏劑緩慢添加至SBS 改性瀝青，攪拌均勻。

（2）啟動高速剪切機，剪切速率為4500 rpm，剪切30 min。

（3）將混合物充分?jǐn)嚢?，令高黏劑與SBS 改性瀝青充分反應(yīng)，并除去氣泡。攪拌60 min 后，取出樣品備用。

1.3 瀝青混合料配合比設(shè)計

（1）級配設(shè)計。本研究采用STC-10 型級配（見表1）。纖維用量為混合料的4‰。

表1 礦料級配

（2）最佳油石比。采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾設(shè)計方法確定瀝青混合料的最佳瀝青用量，試驗結(jié)果見表2。經(jīng)計算，最佳油石比為4.7%。

表2 S TC-10 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

1.4 瀝青及其混合料測試方法

針對高黏彈改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）（簡稱“規(guī)程”）相關(guān)試驗方法，對其進行三大指標(biāo)（針入度、軟化點、延度）、彈性恢復(fù)、60℃動力黏度以及135℃黏度測試，評價改性瀝青的宏觀物理性能。其中，60℃動力黏度用于判斷改性瀝青是否為高黏彈改性瀝青；135℃黏度為表觀黏度，反映了改性瀝青的施工性能。借助LW300LFT 型熒光顯微鏡考察改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)分別為100 倍和400 倍。

針對STC-10 改性瀝青混合料，參照規(guī)程相關(guān)試驗方法，在最佳油石比條件下成型混合料車轍板、標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，進行車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。根據(jù)規(guī)程T 0732—2011 和T 0733—2011，通過謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗，分別檢驗混合料的最大和最小瀝青用量。

2 結(jié)果與討論

2.1 高黏劑類型對高黏彈改性瀝青宏觀性能影響

考察不同類型高黏劑摻量對高黏彈改性瀝青宏觀性能的影響，試驗結(jié)果如圖1～ 圖5 所示。需要說明的是，本研究涉及的高黏彈改性瀝青彈性恢復(fù)均大于95%，故不進行專門討論。為表述方便，稱高黏劑-1 制備的高黏彈改性瀝青為1# 高黏彈改性瀝青，以此類推。隨摻量增加，1#和2#高黏彈改性瀝青25℃針入度均呈下降趨勢，以1#高黏彈改性瀝青的下降幅度為較大者，達(dá)到17.0%；3# 高黏彈改性瀝青針入度下降趨勢不明顯，下降幅度僅為1.6%。表明高黏劑的加入，會導(dǎo)致改性瀝青變硬，且不同類型高黏劑對其硬化程度不同。

圖1 高黏劑-1 摻量對改性瀝青三大指標(biāo)的影響

圖2 高黏劑-2 摻量對改性瀝青三大指標(biāo)的影響

圖3 高黏劑-3 摻量對改性瀝青三大指標(biāo)的影響

摻量對3 種高黏彈改性瀝青軟化點有顯著影響，均隨摻量提高呈上升趨勢，且在摻量達(dá)到2%之后，上升速率變緩。其中1# 高黏彈改性瀝青上升幅度由前期（摻量由0%增加到2%）的10.8%降至后期（摻量由6%增加到8%）的1.3%，2# 高黏彈改性瀝青由前期的11.2%降至后期的3.3%，3# 高黏彈改性瀝青由前期的11.7%降至后期的2.4%。整體來看，3種高黏彈改性瀝青的軟化點抬升幅度分別為19.3%、19.0%和21.9%，高黏劑-3 對高黏彈改性瀝青的軟化點影響最大。由此可知，不同類型高黏劑均能有效提高高黏彈改性瀝青高溫性能。

5℃延度隨摻量提高基本呈上升趨勢。高黏劑摻量超過4%后，1# 和3# 高黏彈改性瀝青延度有更加明顯的抬升，2# 高黏彈改性瀝青變化較為平穩(wěn)。1#和2# 高黏彈改性瀝青延度最終抬升至40～45 cm，3#高黏彈改性瀝青延度有更加顯著的提升，達(dá)55 cm左右，說明高黏劑-3 對改性瀝青低溫抗裂性能提升最為明顯。

圖4 表明，低摻量（2%和4%）時，3 種高黏劑對改性瀝青60℃動力黏度的提升水平相當(dāng)；高摻量（6%以上）時，不同高黏劑對改性瀝青動力黏度影響規(guī)律不同。高黏劑-1 摻量達(dá)到8%時會導(dǎo)致改性瀝青動力黏度大幅降低，高黏劑-1 和高黏劑-2 則隨摻量逐步提高，提升改性瀝青動力黏度值。從60℃動力黏度角度來看，不同類型高黏劑在高摻量條件下，對同種改性瀝青具有選擇性，高黏劑-2 對高黏彈改性瀝青動力黏度的提升最為顯著。

圖4 高黏劑摻量對改性瀝青60℃動力黏度的影響

圖5 表明不同類型高黏劑摻量對改性瀝青135℃黏度的影響規(guī)律。1# 高黏彈改性瀝青黏度隨高黏劑摻量增加呈上升趨勢，摻量達(dá)8%時，黏度值仍滿足SHRP 瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中對改性瀝青135℃黏度不超過3 Pa·s 的要求，施工性能良好。2#高黏彈改性瀝青則隨高黏劑摻量增加呈先下降后抬升的趨勢，在摻量為6%時達(dá)到最小值，且為3 種改性瀝青中的最低者。3#高黏彈改性瀝青與2#高黏彈改性瀝青的變化趨勢相反，在摻量為6%時黏度達(dá)到最大值，超過SHRP 規(guī)范對改性瀝青黏度的要求，施工性能在3 種改性瀝青中較差。

圖5 高黏劑摻量對改性瀝青135℃黏度的影響

綜上所述，不同類型高黏劑對高黏彈改性瀝青的宏觀性能影響規(guī)律不盡相同，尤其在60℃動力黏度和135℃黏度方面，高黏劑類型對改性瀝青具有明顯的配伍性。高黏劑-3 能夠顯著提升改性瀝青高低溫性能，但其對60℃動力黏度的提高有限，且制備的改性瀝青135℃黏度普遍偏大，施工和易性較差。高黏劑-1 在摻量8%以內(nèi)均能保證改性瀝青具有較低的135℃黏度，施工性能最佳，同時對提高改性瀝青的高低溫性能有較為顯著的作用。高黏劑-2 對改性瀝青三大指標(biāo)的影響與高黏劑-1 相近，但改性瀝青60℃動力黏度在高黏劑摻量6%以下均低于高黏劑-1改性瀝青。綜合常規(guī)性能指標(biāo)結(jié)果，本研究選擇自主研發(fā)的高黏劑-1 開展改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)和混合料性能研究。

2.2 高黏劑類型對高黏彈改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)影響

由于1# 高黏彈改性瀝青在高黏劑摻量為8%時的60℃動力黏度下降明顯，故僅考察2%、4%、6%摻量下高黏彈改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖6 所示。摻量為2%時，改性瀝青中出現(xiàn)繁密的點狀結(jié)構(gòu)，為聚合物微粒在紫外線的照射下激發(fā)出的熒光[16-17]，400 倍視野下可以看到，亮點有向線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢。摻量達(dá)到4%時，在400 倍視野下可明顯看到，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較多線型結(jié)構(gòu)，部分線型結(jié)構(gòu)相互搭接形成少量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。摻量為6%時，視野中出現(xiàn)大量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且不同區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)明顯的過渡區(qū)。高黏彈改性瀝青中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有助于提升瀝青的高溫抗變形能力和彈性恢復(fù)能力，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布均勻致密，對材料內(nèi)部微裂縫的發(fā)展產(chǎn)生阻礙[18]，有助于提高改性瀝青低溫下的抗拉裂能力。

圖6 高黏彈改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)

2.3 S TC-10 瀝青混合料性能評價

采用1#高黏彈改性瀝青制備STC-10 瀝青混合料，其中高黏劑的摻量為基質(zhì)瀝青的6%?；旌狭下酚眯阅茉u價結(jié)果列于表3，各項指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

表3 S TC-10 瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果

由車轍試驗結(jié)果可知，STC-10 瀝青混合料的動穩(wěn)定度為5500 次/mm，高溫抗車轍變形能力較強。高黏彈改性瀝青混合料采用空隙型同步薄層罩面混合料類型，具有合理的骨架空隙結(jié)構(gòu)，采用玄武巖纖維能夠進一步增強混合料的抗車轍性能。

STC-10 高黏彈改性瀝青混合料的殘余穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比遠(yuǎn)大于規(guī)范中的技術(shù)要求，具有優(yōu)異的抗水損害能力。由此可見，通過自主研發(fā)的高黏劑制備高黏彈改性瀝青能夠較好地裹覆集料，提供較高的黏結(jié)力以維持集料在荷載下的抗剪切變形能力。同時，高黏彈改性瀝青具有優(yōu)異的低溫抗裂性能，在凍融循環(huán)條件下不易出現(xiàn)膠結(jié)料層面的微裂縫，保證了集料間瀝青膜的完整性，對其抗壓或抗剪切性能的提升有利。

瀝青析漏試驗指標(biāo)用于限定瀝青用量，以防止混合料在運輸、施工過程中出現(xiàn)瀝青滴漏或流淌現(xiàn)象。飛散試驗指標(biāo)用于檢驗最小瀝青用量，防止由于瀝青用量不足導(dǎo)致集料脫落而散失[19-20]。由試驗結(jié)果可知，析漏損失和飛散損失均滿足規(guī)范要求，說明本研究采用的最佳油石比合理。

3 結(jié)論

（1）高黏劑類型和摻量對高黏彈改性瀝青三大指標(biāo)的影響規(guī)律相近，隨摻量的增加均能顯著降低25℃針入度，提高軟化點和5℃延度。但對高黏彈改性瀝青的60℃動力黏度和135℃黏度的影響規(guī)律不盡相同。自主研發(fā)的高黏劑-1 在高摻量（8%）條件下會導(dǎo)致改性瀝青動力黏度大幅下降，高黏劑-2 和高黏劑-3 分別在低摻量（4%以下）和高摻量（6%以上）條件下降低改性瀝青的施工和易性。

（2）高黏彈改性瀝青隨高黏劑摻量由2%提高至6%，微觀結(jié)構(gòu)由零散的聚合物微粒向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)明顯的過渡區(qū)，對提高高黏彈改性瀝青的高溫抗變形和低溫抗裂能力具有重要作用。

（3）利用自主研發(fā)的高黏劑制備STC-10 高黏彈改性瀝青混合料，具有優(yōu)異的高溫性能和水穩(wěn)定性，能夠滿足薄層罩面關(guān)于抗車轍和抗水損等的特殊路用性能要求。