硬质沥青对基质沥青及混合料性能影响研究

陈 涛

（山西诚达公路勘察设计有限公司 晋中分公司，山西 晋中 030600）

0 引言

近年来，全球变暖日趋严重的交通重载化对沥青路面提出了严峻挑战。硬质沥青作为一种刚度高、抗车辙能力强的路面材料逐渐引起学者的广泛关注。其最早出现于法国，并在欧洲应用广泛[1]。法国将硬质沥青主要用于高模量混凝土的开发，以提高混合料模量、抗疲劳性和抗车辙能力[2]。英国主要将硬质沥青用于长寿命路面结构的设计[3]。芬兰主要将硬质沥青用于道路基层和上面层，以分别解决不均匀路基对路面结构的影响和提高面层抵抗车辙能力[4]。硬质沥青在欧洲的应用证实其可对沥青及混合料性能有所提升[5-7]，将硬质沥青或高模量外掺剂用于道路铺筑是发展趋势之一[8]。

由于沥青是一种成分复杂的无定型高分子化合物，许多改性剂与其存在相容性差的缺点。鉴于硬质沥青的成分、结构与基质沥青相似度高、相容性好，若将其以外掺改性剂的形式加入到沥青及混合料中，不仅可减少沥青用量并可改善路用性能。为考察硬质沥青对基质沥青性能的作用规律，笔者将硬质沥青以不同比例分别加入到基质沥青中制备出复合沥青，对复合沥青及混合料性能进行考察，以期得到硬质沥青较佳掺量及影响规律，为实际应用提供指导。

1 试验部分

1.1 主要原材料

试验用基质沥青为壳牌90号，硬质沥青源于泽浩橡胶化工公司，硬质沥青的性能指标为：25℃针入度 15.4×0.1 mm，软化点 102.5℃，15℃延度5.8 cm。集料为石灰岩，粗集料性质见表1，细集料性质见表2。

表1 粗集料主要性质

表2 细集料主要性质

1.2 试验工艺

称取一定量基质沥青将其加热为流动状态，而后向其内分别加入8%、16%、24%、32%和40%基质沥青重量的硬质沥青，混合均匀后制备出不同硬质沥青掺量的复合沥青，对上述复合沥青进行各项性能检测。黏度测试仪器为Brookfield旋转黏度计。

2 结果与讨论

2.1 硬质沥青掺量对复合沥青性能影响

不同硬质沥青掺量的复合沥青三大指标情况见表3。整体而言，随硬质沥青掺量增加，基质沥青的高温性能得到增强，感温性能得到钝化，低温性能逐渐减弱，这与硬质沥青自身高温性能优异，低温性能不佳有关。硬质沥青的加入对延度指标的影响更为显著，当掺加16%时延度下降显著，16%与24%硬质沥青掺量对沥青性能的影响差异不大，32%掺量下延度指标只能满足30号沥青规范要求。延度指标主要用以反映沥青的塑性变形能力，其能否用于评价材料低温性能争议颇多。为更体现实际，将对不同硬质沥青掺量的复合沥青进行混合料性能检测。

表3 复合沥青的三大指标

为考察硬质沥青的加入对沥青黏度的影响，对制备的复合沥青进行不同温度范围内的黏度测试。表4为复合沥青黏度与施工温度。布氏黏度的结果显示，整体上复合沥青的黏度随硬质沥青掺量的增加呈上升趋势，这与其能够提升高温性能的结论一致。115℃～135℃区间内沥青黏度呈直线下降，这说明此范围内存在沥青的黏弹性转变。温度越高沥青愈呈现出牛顿流体的性质，使得高温下硬质沥青掺量对复合沥青的黏度影响不显著。由黏温曲线可得，整体上硬质沥青的加入提高了复合沥青的施工温度。

表4 复合沥青的黏度与施工温度

图1 不同硬质沥青掺量黏温曲线

2.2 硬质沥青掺量对复合沥青混合料性能影响

通常沥青混合料性能的优劣更能反映工程实际情况，为此研究中选取AC-20级配对0～40%硬质沥青掺量下的复合沥青混合料性能进行检测。级配曲线见图2。0～40%硬质沥青掺量下沥青混合料的最佳油石比最终确定为4.2%、4.3%、4.3%、4.4%、4.4%和4.5%。

图2 级配曲线

图3为混合料动稳定度随硬质沥青掺量关系图。由图可见，硬质沥青的加入对复合沥青混合料的动稳定度影响显著，混合料抵抗高温变形能力随硬质沥青掺量的增多而增强。硬质沥青自身重质组分多、体系黏度高的特性有利于抵抗形变，它的出现可提高沥青模量，掺量越多，混合料抵抗高温变形能力越强。当掺量达到32%以上时，硬质沥青对混合料高温性能的改善效果堪比SBS改性沥青，且与其他改性剂相比，硬质沥青更易与基质沥青混溶，由此避免了常规改性剂与沥青间易出现离析及稳定性差的缺陷。

图3 动稳定度随硬质沥青掺量关系图

图4为混合料破坏应变随硬质沥青掺量关系图。与图3不同，硬质沥青对于混合料低温性能的改善存在最佳掺量。总体而言，混合料破坏应变随硬质沥青掺量的增多先升高而后降低。沥青材料抵抗低温破坏时与其自身弹性和黏聚力有关。虽然硬质沥青低温弹性不佳，但其自身黏聚性好，为此低温时亦需付出较多能量才能将其破坏，由此导致掺量不大时，硬质沥青的加入可增强混合料低温性能。但当掺量过多时，硬质沥青降低沥青材料弹性的特点开始占主导，导致低温性能开始下降。由此使得硬质沥青可在一定范围内改善混合料的低温性能。

图4 破坏应变随硬质沥青掺量关系图

图5为混合料冻融劈裂强度比随硬质沥青掺量关系图。通常而言，集料属性、沥青材料、沥青与石料间作用及混合料的空隙率等因素均会对沥青混合料的水稳定性能产生影响。硬质沥青的加入可以提升体系的黏度，强化润湿趋势，增强与集料间的黏附力，提高抗剥落能力，这有利于改善沥青与石料间的裹覆，由此使得在一定范围下混合料水稳定性能随掺量增加而提高。与低温性能相同，这种改善存在最优值，原因在于黏度大的沥青在温度低的情况下润湿速度会急速下降，不利于改善黏附效果，从而导致水稳定性开始下降[9]。

图5 冻融劈裂强度比随硬质沥青掺量关系图

3 结论

a）硬质沥青能够以外掺改性剂的形式对沥青性能进行提升，随掺加量增多，复合后的沥青软化点升高，延度下降，感温性降低，相同温度下体系的黏度增加，导致由黏温曲线和黏度要求确定的施工温度逐渐升高。

b）硬质沥青自身重质组分多、模量高、黏度高的特性有利于抵抗形变。因此掺量越多，混合料高温性能越好。动稳定度结果显示，研究掺量范围内的动稳定度结果均可满足规范对改性沥青混合料的要求。

c）硬质沥青自身黏聚性好，可在一定掺量下增强混合料低温性能，但掺量过高时，硬质沥青降低材料弹性的特点开始占主导，致使低温性能下降。因此32%掺量下混合料低温性能最佳。

d）硬质沥青高黏的特点提升了沥青与集料间的黏附力，使得混合料抵抗水损害的能力得以增强。但增黏对水稳定性能的改善有限，原因在于黏度大的沥青在温度低的情况下润湿速度会急速下降，不利于改善黏附效果，使得水分易于浸入导致水稳定性下降。

e）混合料试验结果表明，研究范围内，硬质沥青掺量为32%时混合料性能最佳。