高模量沥青结合料路用性能研究

敖清文 田永娅

（1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 510001；2.贵州省公路勘察设计院 贵阳 510001）

1 基质沥青、改性剂的选取

1.1 基质沥青

配制高模量沥青采用符合《公路沥青路面施工技术规范》［1］要求的A级70号沥青。

1.2 改性剂的选取

针对材料使用要求特点，在了解各种聚合物改性剂性质的基础之上，选取了4种改性剂制备一种性能优良的高模量改性沥青：①热塑性丁苯橡胶（SBS）；②聚乙烯（PE）；③湖沥青（TLA）；④岩沥青（BRA）。

2 改性沥青的制备

目前，制备改性沥青的方法主要有2大类：一次掺配法和二次掺配法。搅拌法、混融法、胶乳法适用于采用一次掺配法制备改性沥青，母体法适用于采用二次掺配法制备改性沥青。一次掺配法中的混融法是采用高速剪切设备或胶体磨在一定的温度和时间下制备改性沥青。

本研究采用一次掺配法，在进行沥青基本试验时，用量较少利用高速剪切设备配制所需改性沥青，在进行混合料试验时利用德国进口的胶体磨对改性沥青进行研磨加工，为使改性剂与基质沥青充分混融，拟定4 500r／min。

3 正交试验设计

3.1 正交试验方法

本研究通过正交试验设计，采用极差分析的方法来找出改性剂对基质沥青各项性能的影响规律，进而确定各因素水平之间的最佳组合［2］。

3.2 因素、水平及正交表的选取

采用掺不同的改性剂进行试验，试验方案设计时主要考虑4种因素：采用湖沥青、PE、岩沥青、SBS 4种改性剂进行试验。每种因素分为3种水平，根据各改性剂在配制改性沥青时所采用的掺加比例及各掺加比例所得的改性效果，选取湖沥青掺量（质量分数）为20%，30%，40%；PE取2%，4%，6%；岩 沥 青 取 10%，20%，30%；SBS取2%，4%，6%，见表1。

表1 因素水平表 %

由表1可知，该正交设计组合方案为4因素3水平组合设计，根据正交表的一般选择要求，因素数≤正交表列数、因素水平数与正交表对应的水平数一致的原则，故选取正交表L9（34）来进行分析方案的组合设计［3］。

3.3 正交试验结果

根据正交表得出4种改性剂中对稠度影响的排序排列出来，并得出推荐配比，再在推荐配比基础上进行经济比较，在符合技术要求的同时考虑经济因素选取最经济的配比。

沥青针入度、软化点，135℃粘度是评价改性沥青高温稳定性的重要指标。沥青的针入度指数用来评价沥青的温度敏感性；当量软化点是评价沥青的高温稳定性；当量脆点是评价沥青的低温抗裂性。

3.3.1 软化点试验

通过软化点试验可得出：

（1）根据极差分析PE对软化点的影响最大，其次分别是SBS、岩沥青。其中湖沥青虽然极差比较大但是随用量的增加而降低。所以根据软化点对4种改性剂的影响结果是：PE＞SBS＞岩沥青＞湖沥青。

（2）PE、岩沥青、SBS都是随比例的增加软化点呈递增的趋势，只是增加的速度不同而已，但是湖沥青则随比例的增加而递减，由此试验则可看出湖沥青对高温稳定性能的作用不大。

（3）PE从2%到6%，软化点提高幅度最大是主要因素，所以初步选定6%；SBS在2%到6%的过程中出现转折，通过经济和性能比较，综合考虑选取2%；岩沥青则在比较当中20%与30%相差不大，湖沥青则做为次要因素可以任取，考虑到经济因素选取最小剂量。

3.3.2 针入度试验

（1）通过对15，25，30℃3个温度针入度的比较，可明显的看出改性剂PE，SBS和岩沥青对稠度的影响相对要大，只有湖沥青较小，是次要因素。

（2）通过比较15，25，30℃3个温度针入度的极差和因素趋势图中可知：①在各温度时PE随用量的增加稠度逐渐提高，并且提高幅度最大，PE在各因素中是主要因素，根据本试验要得到高摸量高稠度沥青的要求应选择6%；②通过比较岩沥青3个温度可明显看出由10%～20%变化相对要高，但在比较20%～30%时相差并不大，考虑到性能和经济上的要求选取20%；③通过比较SBS在3个温度的变化情况可以很明显地看出由2%～4%所配沥青反而稠度减少，增加到6%以后比较3个温度的稠度变化有所提高，但是相对2%稠度还是有所偏小。通过大量重复试验仍然得出这种现象，可能是由于通过各因素之间的影响所造成的，再由于经济的原因在相当性能的条件下我们选择更经济的材料用量，所以SBS选取2%；④由于湖沥青在各个温度的针入度比较中随用量的增加反而稠度降低，并且也是作为次要因素考虑，则可任意选择比例。

（3）通过以上分析，由针入度进行正交分析得出的比例为PE6%，SBS2%，岩沥青20%，湖沥青任取。

3.3.3 改性沥青针入度指数PI、当量软化点T800、当量脆点T1.2分析3.3.3.1 针入度指数PI

（1）由针入度指数极差比较可见，由于添加的种类有4种，大部分所配沥青的针入度指数PI都超过了规范的范围，在选择沥青时应尽量选择在范围之内的品种。通过极差比较可得出PE极差最大，其次是湖沥青、SBS、岩沥青。

（2）通过极差比较可得出PE极差最大，其次是湖沥青、SBS、岩沥青。

（3）通过回归公式，所配9种改性沥青线形回归系数R2均大于0.994，说明试验结果是可信的。随着PE的增加，PI值基本呈减小趋势，当达到6%时PI值基本达到规范的范围之内。这表明各掺量混合后随PE用量增大，沥青的温度敏感性减小，即沥青性能受温度变化的影响减小，沥青的感温性能明显改善。3.3.3.2 当量软化点T800

（1）由于掺加的种类较多不能确定各掺量之间是否发生相互反应，所以不能通过试验检验出是否沥青中有蜡的存在。

（2）沥青改性实测软化点与当量软化点之间有较好的规律性，通过极差和当量软化点趋势图可以得出与实测软化点同样的变化趋势，其中从极差表中可以看出PE是主要因素，湖沥青、SBS次之，岩沥青影响最小，同样湖沥青也是随用量的增加当量软化点降低。

（3）从整体当量软化点来看，说明改性后沥青的高温性得到了改善，而且提高幅度很大，高温性能改善更明显，为南方高温天气地区提供一种适合的材料。

3.3.3.3 当量脆点T1.2

由于本试验是通过掺加改性剂来使沥青模量提高即提高沥青的稠度，随着沥青的稠度增加沥青越脆，抗低温能力越低，但是由于所配沥青是用于中下面层，主要考虑高温和抗疲劳性能，对抗裂性能要求没有那么高，所以对低温性能可以适当放宽要求。

3.4 Brookfield旋转粘度试验

在SHRP沥青结合料性能规范中提出了135℃粘度不得超过3Pa·s的技术要求，以控制改性沥青的施工性能［4］。进行试验的9种沥青都比较稠，SHRP沥青结合料性能规范中提出的135℃粘度不得超过3Pa·s的技术要求不能满足，通过比较试验可知9种改性沥青在160℃以上时大部分能满足粘度不得超过3Pa·s的技术要求。

（1）通过比较粘度极差和各因素趋势图可以得出PE是影响粘度的主要因素，当由2%变化到6%的过程中，175℃粘度由0.66Pa·s剧增到2.15Pa·s，正好符合本试验所要求的稠度；其次是岩沥青和SBS，岩沥青在10%～20%的过程中增长幅度不大，但是当由20%～30%的过程中增长幅度大；而SBS的变化则出现了转折，由2%～4%的变化过程中出现减小的现象，但是当增加到6%时粘度则急剧增加，但是考虑到经济的要求选择2%比较合适。湖沥青则是次要因素，随用量的增加粘度反而减小，所以在选择时宜选择剂量小的。

（2）通过以上分析及结合各温度下的粘度值，选择配比为湖沥青20%，PE6%，岩沥青30%，SBS2%。

3.5 对正交结果综合分析并得出配比

本试验主要是得到高模量沥青，通过对所配沥青进行常规试验分析与旋转粘度试验来选择符合高模量条件的沥青。

比较各改性沥青软化点和15，25，30℃3个温度的针入度及针入度指数PI、当量软化点T800、当量脆点T1.2可以得出，PE从2%～6%软化点和针入度提高幅度最大是主要因素，所以初步选定6%；SBS在2%～6%的过程中出现转折，通过经济和性能比较，综合考虑选取2%；岩沥青则在比较当中20%与30%相差不大，湖沥青则做为次要因素可以任取，考虑到经济因素选取最小剂量。由旋转粘度试验及175℃粘度正交表分析结果可知，9种沥青的抗高温能力很强且各因素之间的关系分别为PE影响最大做为主要因素，其次是SBS和岩沥青，而湖沥青做为次要因素可任取。

经过综合比较，最终推荐方案为20%湖沥青＋6%PE＋20%岩沥青＋2%SBS。

4 SHRP试验分析

采用 Superpave研究成果［5］，对3种沥青AH－50，SBS改性沥青、高模量（HM）改性沥青进行了SHRP性能试验。

4.1 DSR试验及结果分析

采用G＊／sinδ分析材料，根据不同状态、不同温度条件等因素对各种沥青流变特性的影响，进而评价沥青结合料高温抗车辙性能。不同沥青结合料的车辙因子G＊／sinδ与温度（t）的回归方程见表2。

表2 不同沥青结合料的车辙因子G＊／sinδ与温度（t）的回归方程

由表2可见，改性沥青的曲线比基质沥青的曲线高，说明掺入的改性剂有利于提高沥青高温性能。并且HM的改善效果最好，抗高温剪切能力最强。

4.2 BBR试验及结果分析

采用美国CANNON公司生产的弯曲梁流变仪进行试验，其方法为AASHTO标准TP1－93。试样是经过RTFOT老化后的沥青残渣，对不同沥青在不同温度下的流变性质进行分析，不同沥青胶结料的蠕变劲度S和曲线斜率m值见表3。

表3 不同沥青胶结料的蠕变劲度S和m值

（1）在基质沥青中加入SBS改性剂后，蠕变劲度S稍有下降，说明SBS改性剂掺入后，使得沥青柔性增大，在低温下沥青的松弛能力有所改善；而HM的蠕变劲度S较基质沥青有所提高，表现出HM比基质沥青要硬很多，说明HM中改性剂起到了一定负面影响，降低了沥青的松弛能力。

（2）在同温度的条件下，3种沥青按蠕变劲度S值的大小排序为HM＞AH－50＞SBS，表明SBS改性沥青的低温性能最好，其次是AH－50，HM最差，并且表明SBS改性剂具有改善沥青低温性能的作用，同时说明了HM中的改性剂对基质沥青的低温性能产生了抑制作用。

（3）比较同温度下沥青的m值会发现，SBS改性沥青最大，其次是HM，再次是AH－50，表明SBS改性沥青在温度下降时，材料因收缩而产生的拉应力最不易累积，路面发生低温开裂的可能性最低。

4.3 Brookfield旋转粘度试验及结果分析

为了表征不同沥青在不同温度下的流动特性，试验采用改变转子转速的方法，即变化纺锤体剪切速率，研究沥青在不同剪切速率下粘度的变化情况，同时，改变温度，建立粘温曲线，得到粘度随温度变化的规律，进而确定沥青混合料的拌和与压实温度。

（1）在温度高于120℃时，基质沥青（AH－50）的表观粘度与剪切速率关系不大，表明了变化剪切速率对测试结果不产生影响；随着剪切速率的增大，表观粘度值基本上保持为一个常数，即剪切应力与剪切速率的比值是不变的，这就说明了基质沥青在高温（＞120℃）时表现出牛顿流体的特性。

（2）SBS改性沥青在120～150℃温度范围内时，表观粘度随剪切率增大而减小，但降低幅度不大，即剪切应力与剪切速率的比值是变的，表明此温度范围内沥青表现出了非牛顿流体特性；当温度达到160℃时，表观粘度值基本上不随剪变率而变化，在图中表现为一条平行于横坐标的直线，当温度达到175℃时，表观粘度值也不随剪变率变化而变化，表明在此温度之上SBS改性沥青属于牛顿流体［6］。

（3）在160℃以上时，HM的表观粘度值有随剪变率变化而稍减的趋势，基本上看不出不同剪变率之间粘度值的差异，故可以认为HM属于牛顿流体。

采用剪切速率为34s－1时不同温度下的表观粘度值，并选取温度在120℃以上的粘度值，通过建立粘温曲线来确定各沥青的施工温度。不同沥青混合料施工控制温度见表4。

表4 不同沥青混合料施工控制温度 ℃

5 结论

（1）在常规试验的基础之上，通过正交试验分析了各类改性剂对基质沥青各项性能的影响，初步拟定试验推荐方案。

（2）再根据高模量材料性能提出的抗高温、耐疲劳等特殊要求，采用比较分析各因素对沥青路用性能影响变化规律，确定了各因素水平之间的最佳组合。通过综合比较最终推荐方案为20%湖沥青＋6%PE＋20%岩沥青＋2%SBS。

（3）采用Superpave研究成果，对3种沥青（AH－50、SBS改性沥青、HM 改性沥青）进行了SHRP性能试验，结果表明HM改性沥青具有良好的高温性能，但低温性能不如SBS改性沥青。

（4）通过粘度试验确定了不同沥青的施工温度。

［1］JTJ F40－2004公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］汪荣鑫.数量统计［M］.西安：西安交通大学出版社，1986.

［3］吴 亮.掺聚酯纤维SMA沥青混凝土路用性能及其作用机理研究［D］.长沙：长沙理工大学，2008.

［4］孙德栋，彭 波.沥青路面设计与施工技术［M］.北京：黄河水利出版社，2003.

［5］李宇峙.SHAP沥青胶结料规范及沥青混合料设计简介［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［6］陆兆峰，何兆益，黄 刚.天然岩沥青改性沥青性能及改性机理研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011（6）：1161－1169.