高温多雨气候环境下的高黏沥青性能测试

李忠校

（海南路桥工程有限公司，海南 三亚 572000）

大空隙的排水沥青路面具有良好的抗滑、透水、防水雾水漂等功能特性，能够提高路面行车安全系数，在我国广泛应用。为提高排水沥青混合料的强度和稳定性，减少排水沥青路面高温变形、掉粒飞散等病害的发生，日本于20世纪90年代研制了高黏度改性沥青，大幅提高了排水沥青路面的路用力学性能。我国部分地区高温多雨，排水沥青路面的变形、推移、飞散等病害频发，服役寿命大大缩短。为因地制宜地提高高温多雨地区排水沥青的路用性能，本文通过室内试验分析排水沥青路面的胶结料高黏改性沥青性能，寻求最适宜的高黏改性剂掺量。

一、原材料选用

沥青采用SBS改性沥青作为高黏剂改性对象。高黏改性剂选用国产HVA高黏改性剂。国产HVA高黏改性剂由SBS和乙烯一辛烯共聚物弹性体混合物、偶联剂、增塑剂等添加剂混熔而成，外观为黄色颗粒，能够有效提高沥青黏度、延度等技术指标。

二、高黏改性沥青的制备方法和技术要求

采用高速剪切机制备高黏改性沥青——首先把SBS沥青在烘箱中恒温至190℃，加入设计量的高黏改性剂，用玻璃棒均匀搅拌15min；其次把剪切机调整为4000r/min持续剪切60min，温度保持在180℃～190℃；最后把剪切完成的沥青放入180℃的烘箱中溶胀发育60min。

夏季漫长、持续高温、全年雨量丰沛的地区，排水沥青路面18%～25%的空隙率导致路面内部直接与空气、水等外界环境直接接触，路面容易出现车辙变形、掉粒飞散等病害。因此，选用能够显著提高路面高温性能和抗飞散能力，并且能够兼顾路面低温抗裂性能的沥青胶结料，是提高高温地区透水路面耐久性能，延长路面服役寿命的关键。

三、基本指标

本文测试了相同试验条件下，不同高黏改性剂掺量的高黏沥青技术性能。结果显示，随着高黏改性剂掺量的提高，沥青在25℃下的针入度呈下降趋势，变化幅度较为平稳，当掺量从0%提高到12%时，针入度仅变化4.2mm，这说明添加高黏改性剂可以提高沥青的稠度，增强沥青的抗剪切破坏能力，并且较小的改性幅度能够把针入度控制在合理范围内，不至于影响改性沥青的低温和施工和易性能。

高黏改性剂对沥青软化点和5℃延度的提升效果明显，当掺量从0%提高到12%时，软化点从82℃增至107.8℃，共提高了25.8℃，延度由34.7mm增至47.1mm，提高了12.4mm。其中，软化点的增长幅度较为平缓，每提高高黏改性剂1%的掺量，软化点提高2.1℃左右，这说明高黏改性剂的添加能够持续降低沥青的温度敏感性，提高改性沥青的耐热性。当高黏改性剂掺量变化范围在0%～10%时，沥青5℃延度的提升较为明显，这说明高黏改性剂能够有效增强沥青的塑性，提高沥青的低温变形能力，从而强化沥青混合料的低温抗裂能力。当高黏改性剂掺量超过10%时，沥青延度提高的幅度减小。因为高黏改性剂中的高分子聚合物通过剪切均匀分散在沥青中，形成了一种网状的分子链结构，从而增加了沥青黏度，当高黏改性剂掺量达到一定量时，网状结构基本搭接完成，所以沥青延度的提高幅度开始放缓。

四、60℃动力黏度和170℃的布氏旋转黏度

60℃动力黏度与沥青混合料的高温稳定性能具有良好的关联。随着60℃动力黏度的提高，沥青混合料的高温稳定性得到改善。本文选用170℃的旋转黏度小于3Pa.s控制高黏沥青混合料的施工性能。

具体测试结果显示，随着高黏改性剂掺量的提高，沥青的60℃动力黏度呈现指数级增长，当掺量达到6%时，动力黏度达到32万Pa.s，满足本文设定的应用在高温地区透水路面的技术要求。虽然在12%掺量下，沥青170℃的旋转黏度低于3Pa.s，但已经接近规定值，为了确保高黏改性沥青能满足施工和易性能需要，保证沥青的施工质量，建议采用＜12%的高黏改性剂掺量。

五、动态剪切流变试验（DSR）

夏季长时间的阳光直射导致地表温度升高，部分高速公路的路面温度达60℃～70℃，路面抵抗荷载变形能力下降，导致出现车辙、拥包、推移等病害。目前，国际广泛采用美国SHPR计划中的动态剪切流变试验测试沥青中、高温性能。基于以上性能检测，本文选用0%、6%、8%、10%掺量的高黏改性沥青，采用动态剪切方法中温度扫描试验测试给定温度和荷载频率下高黏改性沥青的复数模量G*和相位角δ，得到疲劳因子和车辙因子，并试验其在不同温度下的表现。

相位角反映了材料的黏性成分和弹性成分比例。相位角越大，黏性成分比例越高。SBS改性沥青的相位角随着温度上升而增大，原因是高温导致分子力作用下降，沥青由弹性向黏性转化。掺量为6%、8%、10%的3种高黏改性沥青则呈现不同的走向，随着温度升高，相位角逐渐减小，且高黏改性剂掺量越多相位角越大。这说明随着温度提高，掺量为6%、8%、10%的3种高黏改性沥青的黏性都呈下降趋势，沥青流动性增强，相比较SBS改性沥青，高黏沥青的黏性成分含量更高，宏观上表现出更好的高温性能。复数模量可以表征沥青抵抗重复剪切应力变形的能力。复数模量曲线显示，提高高黏改性剂掺量可以大幅提高沥青的复数模量，掺量为10%的高黏改性沥青的复数模量可以达到6628Pa。

SBS改性沥青和掺量为6%、8%、10%的3种高黏改性沥青的复数模量都随温度升高明显下降，其中在70℃～76℃区间的下降幅度最大。这表明温度越高，沥青的抗剪切变形能力越差，12%掺量的高黏沥青因为内部黏弹性高分子聚合物与沥青充分融合，有效增强了结构稳定性，复数模量随温度升高下降幅度相对缓慢。沥青的疲劳性能对混合料疲劳性能影响显著，疲劳因子（G*·sinδ）越大，抗疲劳性能越差。疲劳因子曲线显示，高黏改性剂增加，沥青疲劳性能下降，SBS改性沥青和掺量为6%、8%、10%的3种高黏改性沥青的疲劳性能均和温度呈明显的线性关系，温度升高，沥青的抗疲劳损伤能力得到提高。

美国高性能沥青路面沥青结合料规范把沥青在高温等级时通过动态剪切试验测定的车辙因子（G*/sinδ）＞1.0 kPa作为代表运输、储存和装卸的基本要求；把沥青经过旋转播磨烘箱加热后的残留物车辙因子（G*/sinδ）＞2.2 kPa作为代表沥青在拌和及铺筑过程短期老化后的沥青性能要求。基于此，本文对SBS改性沥青和掺量为6%、8%、10%的3种高黏改性沥青及其FTOFT老化后的残留沥青实施PG高温分级。

PG高温分级试验结果显示，随着温度的提高，SBS和高黏改性沥青的车辙因子均有所减小，当温度由70℃提高到76℃时，下降速度表现最为明显。随着高黏改性掺量的提高，高黏改性沥青的高温分级有所提高，6%和8%的高黏改性剂掺量的高温分级均可以达到88℃，而10%掺量下的高黏沥青的PG分级可以达到94℃。可以推断，高温条件下沥青软化，重复应力作用导致沥青中沥青质增多，不可恢复变形增大，车辙因子降低。添加高黏改性剂的改性沥青黏度增大，高分子聚合物搭接缠绕形成的网状结构提高了结构稳定性，在高温情形下比SBS改性沥青表现出更好地抗变形能力，车辙因子下降幅度也相对减小。同样，旋转薄膜烘箱老化后的高黏改性沥青因为具有较高的沥青黏度，所以老化程度并不充分，不同温度下相比原样沥青都表现出了更好的高温性能，展现了高黏改性沥青具有较好的耐老化性能。