荔玉高速公路沥青路面结合料SHRP试验研究

刘宏昌

摘要：为选择能适应和满足高速公路沥青路面技术要求的沥青结合料，文章结合工程实际，通过对两种基质沥青和两种改性沥青进行SHRP试验对比研究，采用PG分级标准和旋转黏度试验相结合的方法来优化和选择沥青结合料种类，用于指导现场施工，并为后续施工提供参考。

关键词：沥青路面;PG分级;车辙因子;相位角;旋转黏度试验

0 引言

广西荔浦至玉林高速公路采用沥青路面结构，70 #沥青均采用壳牌，选取两个供应商：中远海运国际贸易有限公司和广西国创道路材料有限公司;改性剂为同一种线型SBS改性剂，生产厂家为中国石化集团资产经营管理有限公司巴陵石化分公司。本文对两家供应商所提供的70 #沥青以及以这两种70 #沥青为基质沥青所生产的SBS改性沥青开展了SHRP试验和旋转黏度试验，并通过试验提出一些指导后续施工的建议。

1 试验准备

1.1 SHRP试验简介

美国运输部联邦公路总署于1982年委托国家研究中心所属的交通运输部开展战略公路研究计划（Strategic Highway Research Programe，SHRP），以推进道路工程的研究工作，改善其国家道路的使用性能和耐久性。主要的研究内容包括公路运营、混凝土与结构、沥青、路面长期性能。其中，沥青专项研究花费了大约5 000万美元的经费，最终形成了按性能分级（Performance Graded）的道路沥青技术规范，PG分级的简称也由此而来。PG分级的核心为将沥青材料的粘弹性能用流变学指标进行量化，并选用与路面实际温度匹配的高温、中温、低温分别测试沥青流变性能，以评价沥青是否具有合适的高温性能、疲劳性能和低温性能。

美国SHRP规范采用动态剪切流变试验获取沥青的高温分级和中温分级，以低温弯曲蠕变试验获得沥青的低温分级。沥青高温分级要求所分级温度下原样沥青的G·sinδ≥1.0 kPa，短期老化后的沥青G·sinδ≥2.2 kPa;沥青中温分级要求所分级温度下G·sinδ≤5 000 kPa;沥青低温分级要求所分级温度下沥青S值≤300 MPa，m值≥0.3。

PG性能分级可以将沥青分为7个等级以及21个亚级，其中7个等级分别是PG46、PG52、PG58、PG64、PG70、PG76以及PG82，亚级从-10°～-46°，每6°一档。

1.2 试验条件

测试沥青高温分级温度时，采用温度扫描试验，基质沥青从52 ℃到82 ℃，改性沥青从52 ℃到88 ℃，角速度为10 rad/s，短期老化采用RTFOT，短期老化时间为85 min，老化温度为163 ℃。测试沥青中温分级温度时，试样状态为经过短期老化以及PAV老化的沥青，PAV温度为100 ℃，PAV老化时长为20 h。中温分级采用温度扫描试验，扫描区间为19 ℃～33 ℃。测试沥青低温分级温度时，测试温度为-12 ℃和-18 ℃，在相应的测试温度下保温1 h后开始试验。

1.3 取样编号

广西荔浦至玉林高速公路采用沥青路面结构，70 #沥青均采用壳牌并选取两个供应商，分别为中远海运国际贸易有限公司（以下简称中远）和广西国创道路材料有限公司（以下简称国创），改性剂为线型SBS改性剂，生产厂家为中国石化集团资产经营管理有限公司巴陵石化分公司。对中远和国创所提供的基质沥青分别编号为ZY-70 #和GC-70 #，以上述两个供应商所提供的70 #沥青为基质沥青生产的SBS改性沥青分别编号为ZY-SBS、GC-SBS。以ZY-70 #为例，原样状态编号为ZY-70 #-O，短期老化状态编号为ZY-70 #-R，长期老化状态编号为ZY-70 #-P。

2 PG分级试验及结果分析

2.1 高温PG分级试验及结果分析

高温PG分级以车辙因子G*·sinδ为评价指标，要求分级温度下原样沥青G*·sinδ≥1.0 kPa，短期老化沥青G*·sinδ≥2.2 kPa。但是，相位角δ对区分沥青黏性成分和弹性成分有一定参考意义，同样是一个值得讨论的指标，因此本文将车辙因子G*·sinδ和相位角δ试验结果列于表1和表2，相关分析见后文。

相位角結果列于表2，由于变化规律较为模糊，将其绘制于图1中。

从表1可以看出，国创70 #沥青高温PG分级比中远70 #沥青高一个等级，以国创70 #沥青为基质沥青所生产的SBS改性沥青也比以中远70 #沥青为基质沥青生产的SBS改性沥青高一个等级。因此，从高温PG分级的角度来看，国创70 #基质沥青优于中远70 #基质沥青。

从表2和图1可以得出结论：无论原样状态还是短期老化状态，基质沥青的相位角均大于SBS改性沥青，这表明改性剂的加入使得沥青结合料黏性状态往弹性状态变化，其弹性性能得到改善，更加有利于沥青适应高温重载车辆的作用。

同时，基质沥青的相位角变化规律十分明显，均为随着温度增加而不断增加，证明高温容易导致基质沥青弹性性能下降，基质沥青在高温作用下其抗剪切性能依靠沥青的黏性性能。由于高温下基质沥青黏度较小，由基质沥青所胶结的混合料在车辆荷载下易于发生剪切破坏。此外，SBS改性沥青相位角随温度变化几乎很小，原样状态中远SBS改性沥青和国创SBS改性沥青相位角随温度增加反而有下降趋势，短期老化之后，该现象便消失了。原因在于原样状态的SBS改性沥青随温度变化，其粘弹性能变化规律复杂;而经过短期老化之后，SBS改性沥青性能更加稳定，其黏性成分和弹性成分趋于固定，随温度变化，相位角也因此而没有太大变化。

2.2 中温PG分级试验及结果分析

中温PG分级结果见表3。从表3可以得出结论：四种沥青的中温PG分级均为22 ℃，以19 ℃和22 ℃下的疲劳因子G*·sinδ来看，基质沥青略优于改性沥青。至于国创和中远基质沥青孰优孰劣并不能有明确结论。考虑到疲劳因子评价沥青的疲劳性能尚有较大争议，本文仅将结果列于此处，若需要进一步研究国创和中远基质沥青的疲劳性能，需要引入其他沥青疲劳性能指标，或以混合料疲劳性能结果为准。

2.3 低温PG分级试验及结果分析

PG分级的低温等级每6 ℃设1档，处于同一档的两种沥青的低温性能可能会存在一定差异。因此，参照ASTM D 7643-10，使用PG連续分级温度Tc来评价基质沥青和改性沥青的低温抗裂性能。ASTMD 7643-10通过测试不同温度下沥青胶结料的特定性能指标值，再通过插值来确定连续分级温度Tc。对于S值，其插值公式见式（1）～（2）：

从表4可以得出结论：中远基质沥青的低温性能略好于国创基质沥青，而国创SBS改性沥青低温性能略优于中远SBS改性沥青。由于差距较小，在5%

范围内，考虑到试验误差，上述的结论并不能证明国创与中远基质沥青的低温性能孰优孰劣。建议对其开展进一步研究，以混合料的低温性能试验为准。

3 布氏旋转黏度试验及结果分析

对基质沥青开展135 ℃和175 ℃旋转黏度试验，试验结果见表5。本试验选取S21号转子，135 ℃时转子速率为20 r/min，175 ℃时转子速率为100 r/min。

对黏度取对数，以温度为自变量，黏度的对数值为因变量，求得国创基质沥青的黏温曲线关系为lgη=-0.018 1 t+2.194 1，中远为lgη=-0.017 0 t+2.016 1。经计算可得中远70 #基质沥青的拌和温度为160.6 ℃～166.7 ℃，碾压温度为149.0 ℃～152.6 ℃;国创70 #基质沥青拌和温度为161.4 ℃～167.1 ℃，碾压温度为150.4 ℃～153.9 ℃。虽同为壳牌70 #-A级基质沥青，但国创拌和、碾压温度略高于中远。

开展SBS改性沥青135 ℃和175 ℃温度条件下的旋转黏度试验，试验结果见后页表6。本试验选取S27号转子，135 ℃时转子速率为20 r/min，175 ℃时转子速率为100 r/min。

根据黏温曲线的关系，对黏度（单位Pa·s）取对数，求两种改性沥青回归方程。基质沥青为国创时，改性沥青黏温曲线关系如下：lgη=-0.019 1 t+3.072 5;基质沥青为中远时，改性沥青黏温曲线关系如下：lgη=-0.020 35 t+3.211 25。

由表6可知：（1）由国创基质沥青生产的SBS改性沥青135 ℃动力黏度>3 Pa·s，大于规范要求;（2）采用布洛克菲尔德黏度计旋转法测定45 ℃以上的表观黏度，反映沥青不同温度下的黏度，试验结果表明同等温度条件下由国创基质沥青生产的SBS改性沥青黏度大于中远生产的改性沥青;（3）由于国内外对于采用本方法确定改性沥青拌和和压实温度存在不同看法，且通过黏温曲线计算所的拌和、碾压温度范围明显高于施工规范的推荐值，建议按施工规范推荐温度施工，在相同生产和碾压机械配置条件下，可适当降低中远生产的改性沥青的拌和、碾压温度。

4 结语

本文对国创和中远所提供的70 #沥青以及基于这两种沥青为基质沥青所生产的SBS改性沥青开展了SHRP试验，包括高温、中温、低温PG分级试验以及布氏旋转黏度试验，最终得出结论：

（1）从高温PG分级的角度来看，国创70 #基质沥青优于中远70 #基质沥青，以其为基质沥青所生产的SBS改性沥青有同样规律。

（2）中温分级和低温分级，国创70 #沥青与中远70 #沥青无明显差别，国创SBS改性沥青与中远SBS改性沥青同样差距较小。

（3）国创70 #沥青拌和、碾压温度略高于中远70 #沥青。同样温度条件，国创SBS改性沥青布氏旋转黏度高于中远SBS改性沥青。因此，从施工角度看，国创SBS改性沥青更加不易压实，建议加强碾压控制，以保证路面压实度。

参考文献：

[1]樊永革，樊 鸿.美国SHRP沥青混合料设计及主要试验方法简介[J].黑龙江交通科技，2003，26（10）：25-26.

[2]杨克红，毛三鹏，邹海燕，等.沥青旋转黏度试验及其影响因素探讨[J].石油沥青，2011（5）：68-72.