低黏高彈改性瀝青及其混合料性能研究

王 濤，郝增恒，劉 洋，盛興躍，劉 攀，黃 峰

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶市 400074；2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶市 401336）

0 引言

隨著我國經濟快速發展，我國高速公路建設事業突飛猛進，高速公路建設技術的進步使得高速公路路面結構的承載力和使用壽命都得到了有效提高[1]。然而，由于重載交通和超載現象頻發，瀝青路面的使用功能快速下降，且衰減嚴重，對車輛行駛的安全性和舒適性造成極大的影響，給我國高速公路的養護和管理提出了新挑戰。近年來，一種新的路面養護理念即預防性養護技術被提出，并在眾多項目中得到實施運用。預防性養護對于保持或改進路面功能狀況、延緩損壞和延長使用壽命、節約養護維修成本具有重要意義[2]。

目前，國內常用的預防性養護技術大致分為霧封層技術、微表處技術和超薄磨耗層技術3種[3]。

霧封層技術造價低、施工快捷、對交通影響小，但耐磨性、遮蓋力不足。微表處技術具有防水、耐磨、價格相對較低等優點，但存在易開裂、易脫落、行車舒適性差、噪音高等問題。超薄磨耗層技術能夠有效修復路面病害，還能提高路面平整度，延長路面使用周期，近年來得到了越來越廣泛的應用。

本文對標目前市場上已有的超薄磨耗層技術，將自主研發的低黏高彈改性瀝青用于高彈高強瀝青超薄罩面，旨在提高超薄罩面的高溫穩定性，同時大幅提高其低溫抗裂性和疲勞性能，不僅從路用性能和舒適性方面滿足預養護的需求，并且降低成本。為此，本文對低黏高彈改性瀝青的性能進行全面測試，同時對低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的路用性能進行評價，為高性能瀝青超薄罩面技術開發提供一定的參考。

1 低黏高彈改性瀝青膠結料性能測試

1.1 常規指標分析

瀝青性質是影響瀝青路面服務性能和使用壽命的重要因素[4]。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），對低黏高彈改性瀝青進行各項常規指標測試，測試結果見表1。

表1 低黏高彈改性瀝青各項常規指標

由表1可知，低黏高彈改性瀝青軟化點達86℃，表明其具有良好的高溫穩定性，有利于提升路面的抗車轍能力。低黏高彈改性瀝青的5℃延度為71 cm，經過旋轉薄膜烘箱老化后，低黏高彈改性瀝青的延度仍有37 cm，表明其具備優異的柔韌性和抵抗低溫開裂的能力，且抗老化性能良好。低黏高彈改性瀝青的彈性回復率達到98%，表明其具有高彈性。另外，低黏高彈改性瀝青的135℃布氏旋轉黏度僅為1.05 Pa·s，施工和易性良好。

1.2 高溫性能測試

動態剪切流變試驗是評價瀝青流變性能最常用的試驗方法[5]。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，對低黏高彈改性瀝青進行溫度掃描試驗。分別選取原樣瀝青和老化瀝青，應變控制為12%，頻率為10 rad/s，溫度46～82℃（梯度為6℃）。瀝青試樣見圖1，試驗操作界面見圖2，老化前后低黏高彈改性瀝青的動態剪切流變試驗結果見圖3。

圖1 瀝青試樣

圖2 試驗操作界面

由圖3可見，隨著溫度的升高，原樣瀝青、老化瀝青的復數模量和車轍因子均急速下降，之后逐漸趨于平緩，這表明溫度越高對瀝青的高溫抗車轍性能越不利。經過短期老化后，低黏高彈改性瀝青的復數模量和車轍因子均明顯增大，說明老化后瀝青中的輕質組分向重組分轉變，流動性有所降低，瀝青變硬，高溫抗變形能力增強[6]。但在老化前后，復數模量和車轍因子隨溫度的變化規律基本保持一致。相位角隨著溫度的升高呈現先略微減小隨后增大的趨勢，這是由于隨著溫度的升高，瀝青中的彈性部分更多地轉化為黏性部分，應力應變滯后效應也隨之變得更加明顯，并且隨著溫度的升高而達到最大值。在整個溫度變化范圍內，低黏高彈改性瀝青的相位角相對較小且變化范圍不大。

圖3 老化前后低黏高彈改性瀝青動態剪切流變試驗結果

在76℃時，原樣瀝青和老化瀝青的車轍因子分別為1.2 kPa和2.2 kPa，參照美國Superpave瀝青結合料規范[7]，該低黏高彈改性瀝青的分級為PG76，表明其具有良好的高溫流變性能。我國夏季炎熱時的高溫范圍大部分在40～70℃，該瀝青高溫等級能夠滿足高溫性能的需要[8]。

1.3 低溫性能測試

延度試驗反映的是瀝青膠結料在某一特定溫度下的柔性，并不能真實反映路面實際使用時瀝青膠結料的低溫特性[9]，因此參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，對低黏高彈改性瀝青進行彎曲梁流變試驗，以便進一步評價其低溫性能。同樣選取原樣瀝青和老化瀝青進行試驗。彎曲梁流變試驗過程見圖4，低黏高彈改性瀝青的彎曲梁流變試驗結果（蠕變勁度模量S、蠕變速率m值）見表2。

圖4 彎曲梁流變試驗

表2 低黏高彈改性瀝青彎曲梁流變試驗結果

由表2可知，老化前后，低黏高彈改性瀝青的蠕變勁度模量均隨著溫度的降低而增大，蠕變速率m值隨著溫度的降低而減小。瀝青的蠕變勁度模量增大，蠕變速率減小，表明瀝青的低溫性能降低，老化過程中的物化反映削弱了改性瀝青的低溫抗裂性能[9]。依據SHRP計劃中PG分級的標準[7]，老化前后低黏高彈改性瀝青的低溫溫度都達到-18℃，表明改性瀝青的低溫抗裂性能優良，其PG分級為PG76-18。

由表4可知，相應于穩定度最大值、密度最大值、目標空隙率的油石比分別為5.3%、5.5%和5.3%，取三者均值，得到最佳油石比OAC1=5.4%。其中OACmin=5.2%，OACmax=5.5%，從而得到OAC2=5.4%。最終得到低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的最佳油石比OAC=5.4%。

表4 低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10馬歇爾試驗設計參數

1.4 低黏高彈改性瀝青混合料路用性能測試

為測試低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的路用性能，采用上述確定的級配和最佳油石比成型瀝青混合料，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗、擺值試驗和疲勞試驗等，測試結果見表5。

表5 低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的技術指標

2 低黏高彈改性瀝青混合料組成設計與性能評價

為驗證低黏高彈改性瀝青混合料的路用性能，采用一種易密實級配（簡稱EMC-10）成型瀝青混合料，進行瀝青混合料組成設計，并評價低黏高彈改性瀝青混合料的路用性能。

2.1 原材料

集料采用5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm 3檔玄武巖碎石，填料采用石灰石磨細的礦粉。集料與礦粉性質均符合《公路工程瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）要求。

2.2 級配和最佳油石比設計

EMC-10合成級配見表3。采用0.3%間隔變化，分別選擇油石比4.6%、4.9%、5.2%、5.5%、5.8%成型5組瀝青混合料，測試各組瀝青混合料試件的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩定度及流值，試驗結果見表4。

表3 EMC-10合成級配 單位：%

由表5可知，低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的馬歇爾穩定度達到7.6 kN，表明其具有較好的承受荷載能力。同時，EMC-10的動穩定度達到4 544次/mm，表明其具有一定的抗高溫車轍能力，可滿足夏季炎熱地區路面使用所需的技術要求。EMC-10的殘留馬歇爾穩定度和凍融劈裂強度比分別為91.9%和92.1%，水穩定性良好。EMC-10的最大彎拉應變達到了3 573μm/m，具備優異的低溫抗裂性能，可適用于寒冷地區。EMC-10的擺值達到75，抗滑性能優異。標載下，EMC-10的四點彎曲疲勞次數大于100萬次，具有極為優異的疲勞性能。

3 結 語

（1）低黏高彈改性瀝青具有高軟化點、高彈性、高延性、低黏度，其中軟化點達到86℃，彈性恢復達到98%，5℃延度達到71 cm，135℃布氏旋轉黏度僅為1.05 Pa·s，具有良好的高溫穩定性及抵抗低溫開裂的能力，同時具有良好的施工和易性。動態剪切流變試驗和彎曲梁流變試驗表明，低黏高彈改性瀝青的PG分級為PG76-18，完全能夠滿足高溫性能和低溫性能的需要。

（2）低黏高彈改性瀝青混合料EMC-10的動穩定度達到4 544次/mm，殘留馬歇爾穩定度和凍融劈裂強度比均大于90%，擺值達到75，具有良好的高溫穩定性、水穩定性及抗滑性能。其中，EMC-10的最大彎拉應變達到3 573μm/m，在標載下的四點彎曲疲勞次數大于100萬次，具有優異的低溫抗裂性和疲勞性能。

（3）高彈高強超薄罩面路面舒適，耐久性更優，成本相對較低，推廣應用前景良好，可適用于養護資金缺乏的二級及以下公路，以及氣候寒冷地區和需要冬季施工的地區。