高黏改性沥青的制备及其性能研究

梁若翔，付 娇，孟勇军

(1.广西大学，广西 南宁 530007；2.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

近年来，随着排水沥青路面的推广应用，高黏改性沥青也得到了广泛研究。高黏改性沥青和普通沥青相比，不仅黏度更高，弹性更好，而且其高低温性能、水稳性、耐久性都得到全面提升，在提高路面路用性能的同时也延长了路面的使用寿命[1]。在日本，其排水路面沥青混合料中使用了高黏改性沥青，而 TPS 改性剂是日本最广泛使用的一种高黏沥青改性剂，能显著改善排水沥青路面的使用性能[2]。我国在2002年后引进了日本的TPS改性技术，但是由于TPS改性剂价格过高，国内学者便积极探索研究适合国内实际情况的高黏改性剂。李广俊[3]对3种不同的高黏改性沥青进行试验，得出研究配制的SBS+15%TPS高黏改性沥青高温稳定性好、水稳定性好以及抗变形能力强。金杰等[4]研发的高黏改性沥青，具有良好的高低温性能，软化点高，黏度大。张金生等[5]从沥青的基本性能和抗老化性能进行分析，得出SVA高黏改性沥青具有良好的黏度、粘韧性以及抗老化性。

本文从降低工程造价出发，研究选用合适的高黏改性剂，通过室内制备得到高黏改性沥青，并通过性能试验，分析其基本性能和流变性能。

1 高黏改性沥青的原材料和制备

1.1 SBS改性沥青

本研究采用的是壳牌(中国)有限公司生产的SBS改性沥青，其技术指标符合规范要求。

1.2 高黏度添加剂

本研究采用中路交建(北京)工程材料技术有限公司生产的高黏度添加剂，其主要技术指标见表1。

表1 高黏度添加剂技术指标表

1.3 制备

高黏改性沥青的制备基本分为四步，即加热、搅拌、剪切及溶胀发育。具体步骤如下：

(1)用盛样器装取SBS改性沥青500 g，然后放进烘箱中加热至180 ℃。

(2)按照设计比例称取一定质量的高黏度添加剂，加入到SBS改性沥青中用玻璃棒搅拌均匀。

(3)使用剪切机以5 000±200 r/min速率剪切沥青30 min，剪切温度为180±10 ℃。

(4)停止剪切，把制备好的高黏改性沥青放入180±5 ℃烘箱中发育30 min，然后浇模进行相关试验。

2 高黏改性沥青的性能试验

2.1 基本性能试验

为确定高黏度添加剂的最佳掺量比例，本次研究选择7%、8%、9%、10%四种掺量比例进行对比试验，依次测定高黏改性沥青的针入度、延度、软化点、动力黏度，结果如表2所示。

表2 试验结果表

由表2可知，沥青的针入度逐渐降低，当掺量为8%时，针入度降低的幅度较大，降低0.1 mm左右；当掺量为9%、10%时，针入度降低的幅度较小。沥青的延度逐渐增加，当掺量为8%时，延度增加的幅度较大，增加3 cm左右；当掺量为9%、10%时，延度增加的幅度较小。沥青的软化点逐渐增加，当掺量为8%时，软化点增加的幅度较大，增加2.5 ℃；当掺量为9%、10%时，软化点增加的幅度变小。60 ℃黏度越大则高温条件下沥青对集料的粘附性越好，当掺量为7%时，沥青的60 ℃黏度已提高到2.66×105Pa·s，远超规范≥50 000 Pa·s的要求，并且随着掺量比例的加大而继续提高。

所以，总体来看，7%～10%高黏度添加剂的掺量越多，延度、软化点、60 ℃黏度三项技术指标是逐步增大的，但是综合考虑施工和易性和经济性方面，8%性价比是最高的，即最佳掺量比例为8%。

2.2 流变性能研究

本项目对沥青的流变性能研究采用动态剪切流变仪(DSR)，通过温度扫描研究沥青复数剪切模量、相位角以及车辙因子的变化规律，分析沥青的流变性能。试验结果及分析如下：

2.2.1 复数剪切模量

通过温度扫描试验得到G*随温度的变化规律，如图1所示。

图1 复数模量-温度关系曲线图

由图1可知，随着温度逐渐升高，复数模量值整体降低，并且降低的趋势接近，表明温度升高时沥青抵抗外界荷载的能力下降。虽然高黏改性沥青与SBS改性沥青的复数模量值有着类似的变化趋势，但高黏改性沥青的复数模量值始终大于SBS改性沥青，且随着掺量比例的加大而升高，表明掺加高黏度添加剂使沥青抵抗外界荷载的能力得到提升，当掺量从0变为7%时，复数模量值明显升高；当掺量>8%时，增强效果逐渐降低；当掺量从9%升高到10%时，复数模量值几乎没有增长。所以，综合来说掺量为8%时，增强效果最佳。

2.2.2 相位角

通过温度扫描试验得到相位角φ随温度的变化规律，如图2所示。

图2 相位角-温度关系曲线图

由图2可知，相位角随着温度的升高逐渐变大，表明温度升高时沥青的弹性占比变小，黏性占比变大，沥青的不可恢复变形增大，容易形成车辙。高黏度添加剂掺入SBS改性沥青后，相位角变小，表明沥青的可恢复变形增大，能减少车辙病害发生的概率，而随着掺量比例的加大，相位角继续降低，当掺量从8%增加到 9%时，相位角的降低幅度减小，当掺量从9%变为10%时，相位角数值几乎不变，所以适宜的掺量比例为8%、9%。

2.2.3 车辙因子

车辙因子综合考虑了复数剪切模量和相位角，能很好地反映沥青的抗车辙性能，通过复数剪切模量和相位角计算车辙因子，结果如图3所示。

由图3可知，车辙因子随着温度升高而逐渐变小，而高黏改性沥青的车辙因子始终大于SBS改性沥青，表明高黏改性沥青比SBS改性沥青具有更好的抵抗外界荷载的能力，抗车辙性能较好，并且随着掺量比例的加大，车辙因子也逐渐变大，当掺量从7%到8%时，车辙因子变大的幅度较大；当掺量>8%时，车辙因子变大的幅度减小；当掺量从9%增加到10%时，车辙因子未见变大迹象。

图3 车辙因子-温度关系曲线图

3 结语

(1)采用SBS改性沥青添加高黏添加剂的方式制备高黏改性沥青，结合不同掺量对针入度、5 ℃延度、软化点、60 ℃黏度影响的变化规律，确定最佳添加比例为8%时， 60 ℃黏度达到了3.11×105Pa·s，远超规范≥5.0×104Pa·s的要求。

(2)通过动态剪切流变试验，研究沥青复数剪切模量、相位角以及车辙因子的变化规律，验证了制备的高黏改性沥青具有良好的流变性能。