不同养护剂参量对老化沥青高温流变性能的影响研究

李敬峰

（广东晶通公路工程建设集团有限公司，广东 广州 510655）

0 引言

随着我国高速公路的大量建设，许多路面随着交通量的增加和恶劣环境等诸多因素的综合作用，在使用较短的时间内，便会发生车辙、松散等大面积的早期损坏，影响路面的使用性能和寿命[1，2]。早期损坏现象损坏特征及损坏机理与一般的沥青路面破坏不同，早期损坏现象属于功能性破坏而非结构性破坏[3]，为了延长沥青路面的使用寿命，需对出现早期损坏现象的路面进行养护处理，使其恢复正常的使用功能。实践表明在发生早期破坏的沥青路面中添加适量的养护剂是一种公认的养护措施和手段[4]，破坏老化后的沥青路面在喷洒养护剂后，养护剂能够迅速渗入路表，使破坏的老化沥青路面表层恢复再生，恢复后的性能可达到原有新沥青性能标准，从而延长沥青路面的使用寿命。本文针对养护剂的组成及技术特点进行介绍，并采用SHRP标准中动态剪切指标G*/sinδ来评价沥青胶结料高温流变性能，采用动态剪切流变仪（DSR）对老化后的沥青进行不同养护剂参量下的试验研究。

1 养护剂组成及特点

1.1 养护剂的组分及技术指标

养护剂是一种有轻微挥发性气味，呈黑色油状，用于沥青路面的再生密封保护剂，其主要成份由改性煤焦油沥青、石油蒸馏液和沥青活性再生剂（人造树脂、石油乳剂、经提炼的石油溶剂合成的渗透剂）。其主要化学成份、物化特性和性能（技术）参数如表1～表3所示。

表1 养护剂成份

养护剂的物化特性如表2所示。

表2 养护剂的物化指标

养护剂的技术参数如表3所示。

表3 养护剂的技术参数

1.2 养护剂的特点

养护剂是一种具有极其高效的渗透性的沥青路面再生保护剂。其特点主要有：

a）有抵抗油类、水、紫外线、化学品侵蚀和抵抗其它有害杂质影响的特性；

b）有不改变沥青表面结构就能起到密封和再生作用的特性；

c）能渗透到沥青表层，变成沥青层整体的一部分与之共同收缩和膨胀，不像普通表面密封剂那样易于剥落、开裂和脱层，因而具有较强的温度适应性，十分耐久；

d）它不仅是一种高效密封剂，而且还是一种充满活性、能渗透沥青表层，并将沥青激活的结合剂，可使沥青路面表层约15mm厚的沥青的硬化程度和脆性显著降低，从而可增强沥青路面的柔韧性和弹性；

e）只有极低的危险性，对环境的影响是极其微弱，是一种绿色环保的沥青再生剂。

2 沥青高温流变性能研究

2.1 沥青高温流变性能评价指标

沥青路面的高温流动变形问题是世界各国普遍关注的路面损坏形式之一，当前我国现行沥青针入度分级体系使用等粘温度（软化点）和等温粘度（针入度）来表征沥青结合料的高温流变特性，它反映的是某一温度点的流变特性。实际上，我国的沥青路面在夏季所要经受的高温可达到60～70℃。因此，软化点和针入度都不能反映沥青在实际使用高温温度区间内的流变特性。同时，沥青结合料的高温流变特性与沥青路面的抗车辙性能和行车舒适性密切相关。因此，本文采用SHRP的分级方法对沥青结合料的使用高温温度区间的流变特性进行全面研究，在美国SHRP沥青结合料使用规范中，沥青结合料的高温稳定性是由沥青的动态剪切流变仪（DSR）试验得到的复数劲度模量和相位角描述的，SHRP标准中反映高温稳定性的动态剪切指标为G*/sinδ。

2.2 DSR工作原理简介

动态剪切流变仪（DSR）就是用来进行动态力学试验的一种典型仪器[5]。它是通过量测沥青结合料的复数剪切模量G*和相位角δ来表征沥青在使用状态下的粘弹性特性。DSR的基本工作原理如图1所示，它是把沥青试样像三明治一样夹在两个平行板之间，通常是下底板固定，通过上面的这一块平行板给试样施加速度为10rad/s（角频率约为1.59Hz），应变约为10%～12%或1%的变形来完成测试，应变大小的选取与沥青结合料的老化条件有关，对原样沥青及RTFO老化后的残留沥青在应变值约为10%～12%时进行试验。RTFOT/PAV老化后的残留沥青在大约1%的应变值进行试验。复数剪切模量G*通常以全剪应力（τmax-τmin）对全剪应变（τmax-τmin）的比值来表示。相位角δ是作为响应的剪切应变对剪切应力的时间滞后，在数值上等于滞后的时间间隔与剪切应力（或剪切应变）的角频率的乘积，即δ=ω（Δt）。对于绝对弹性材料，荷载作用时，变形同时产生，其相位角δ等于0°；粘性材料在加载和应变响应之间有较大的滞后，相位角δ接近90°。

图1 DSR基本工作原理

复数剪切模量G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量，它包括两部分：弹性（可恢复）部分和粘性（不可恢复）部分。相位角δ是可恢复与不可恢复变形的相对指标。在大多数情况下，沥青同时呈现出粘性和弹性性质。通过测试G*和δ，可以了解沥青在使用状态下的弹粘性特性。图2表示两种有相同G*和不同相位角δ的沥青材料。沥青A与沥青B有相同的复数剪切模量G*，但它们的相位角δ不同，沥青A比沥青B弹性要小，而沥青B比沥青A粘度要小，如果作用同样的荷载，沥青A要比沥青B呈现较大的永久变形，由于沥青B的弹性分量较大，它的变形恢复要多一些。由此说明单纯用复数剪切模量G*不足以描述沥青的性能，还必须有相位角δ。美国SHRP规范定义G*/sinδ为车辙因子，其值大表示沥青的弹性性质显著，其高温流变性能越好。

图2 两种不同沥青材料DSR量度

3 不同养护剂参量对高温流变指标的影响

本文采用基质沥青作为原沥青路面使用胶结料，采用车辙因子G*/sinδ来表征沥青结合料抗永久变形的能力，在路面工作温度下G*/sinδ的值越大越好，说明其抗高温流变性能越好，但在用于沥青路面养护时，需通过动态剪切流变试验对不同养护剂参量下的老化沥青试样进行高温流变性能研究，判断养护剂参量对高温流变性能恢复的影响。为了研究沥青混合料在早期破坏使用过程中发生的老化现象，本文采用长期老化PAV试验进行沥青老化性能模拟，并对老化后的试样进行DSR试验分析。本研究中DSR试验采用应变式控制模式，原样试样应变值γ＝12%，短期老化RTFOT后试样应变值γ＝10%，试验频率都为ω=10rad/s。试验方法为AASHTO标准TP5-93，原样、RTFOT后动态剪切实验采用直径为25mm、厚度为lmm的试样，试样结果如表1所示。沥青G*/sinδ随养护剂掺量的变化关系如图3所示。

表1 不同养护剂掺量下DSR试验结果

表1（续）

图3 沥青G*/sinδ随养护剂掺量的变化关系图

从DSR试验可知：a）温度对沥青试样的剪切模量G*、相位角δ以及车辙因子G*/sinδ有着明显的影响，随着温度的升高，沥青试样的剪切模量G*不断降低、相位角δ不断升高，从而导致车辙因子G*/sinδ随着温度的升高而降低，说明随着温度的不断升高，相同条件下，沥青结合料的抗永久变形的能力不断降低；b）养护剂的掺入也对沥青试样的剪切模量G*、相位角δ以及车辙因子G*/sinδ有着明显的影响，随着养护剂掺量的增加车辙因子G*/sinδ较原样沥青都有明显降低，说明养护剂的掺入，改善了老化沥青的抗永久变形能力；c）养护剂掺量为4%时的G*/sinδ提高到了基质沥青的水平，车辙因子几乎和基质沥青一样；当养护剂参量增加到8%时，G*/sinδ的值反而变小，说明其高温稳定性能变差，因此老化沥青养护剂掺量为4%时已经能够恢复原有沥青的高温性能，为养护剂参量的阀值点。

4 结论

在早期破坏沥青路面中掺入养护剂，可以使老化的沥青胶结料恢复原有的沥青性能，能够改善沥青路面的使用功能，延长其使用年限。采用SHRP标准中动态剪切指标G*/sinδ能够较准确的反映胶结料高温流变性能，当养护剂参量为4%时，即可使老化的沥青胶结料恢复到原有的水平，当养护剂参量过多时，反而使沥青胶结料的高温流变性能变差。本文研究结果为沥青路面的养护技术提供一定的参考。

[1]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].1版.北京：人民交通出版社，2001.

[2]杨明，苏卫国.预防性养护雾封层措施试验路工程实践[J].公路，2006，（11）：205-209.

[3]李春雷，张天.一种沥青路面预防性养护的好方法——沥青路面封涂层[J].交通标准化，2006，（11）：112-115.

[4]周进川.采用动态剪切流变仪研究SBS改性沥青高温流变特性的有关问题探讨[J].石油沥青，2003，（1）：73-75.