新型高强沥青SHRP试验及混合料抗水侵蚀性能研究*

陈其龙，覃峰，靳卫华，唐双美

(1.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530216；2.广西南宁市筑路技术与筑路材料工程技术研究中心，广西 南宁 530000；3.中远海运国际贸易有限公司，北京 100029 )

SHRP试验将沥青路面的路用性能与室内研究建立直观联系，将沥青的基本性能与其所处环境相结合，评价沥青路面的综合性能。柳叶芳等在沥青中掺入不同掺量岩沥青制成岩沥青改性沥青进行SHRP试验,结果显示在沥青中添加适量岩沥青,沥青胶结料的抗车辙因子、抗疲劳因子及运动黏度显著提高,PG高温等级提高近2个等级，但低温性能有所下降,实际应用中应严格控制岩沥青掺量。赵晓康等对6种不同油源及标号的石油沥青进行动态剪切流变试验(DSR),综合评价各沥青结合料的高温性能及抗疲劳性能,并将其与国内常规试验结果进行对比,探究SHRP试验指标与国内沥青常规指标之间的关联性，结果表明SHRP试验指标可将沥青性质与路用性能结合起来,能更好地反映沥青材料的路用性能。李海军等通过SHRP沥青胶结料试验,基于沥青路用性能的流变力学条件,测试不同标号、不同老化程度道路沥青在一定温度范围内的性能，结果表明胶结料高温指标(车辙因子)对不同标号沥青的响应程度比低温指标(劲度模量)大,与针入度试验方法相比,在评定石油沥青低温性能量度方面,SHRP方法的温度分级量度偏大。该文将高强改性剂和自行研制的抗车辙剂加入70#Esso重交基质沥青中得到新型高强改性沥青，并对其进行SHRP试验及沥青混合料抗水侵蚀性能研究，评价新型高强沥青胶结料的高温性能、抗疲劳性能及抗水侵蚀性能。

1 试验原料

1.1 基质沥青

基质沥青采用70#Esso重交沥青，其基本性能指标见表1。

表1 70#Esso重交沥青的性能指标

1.2 高强改性剂

高强改性剂的主要性能指标见表2。该改性剂最大程度上避免了无效组分的负作用，可大幅改善沥青的高温性能，且对沥青各项性能的改善效果较均衡，还能减轻改性沥青在生产过程中的老化现象。

表2 高强改性剂的性能指标

1.3 自行研制的抗车辙剂

抗车辙剂由多种改性剂复配而成，其性能指标见表3，具有高软化点、高溶解度、适用性强等特点，与70#Esso重交沥青具有良好的互溶性。

表3 抗车辙剂的性能指标

1.4 集料及填料

粗集料由石灰岩加工而成，分为15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm 4种规格；细集料为由石灰岩加工而成的石屑(0～3 mm)；填料采用由石灰岩碎石磨细的矿粉。其性能指标见表4，均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表4 矿料的性能指标

2 试样制备

2.1 新型高强沥青试样制备

将70#Esso重交沥青加热到180 ℃,按比例分别添加高强改性剂和抗车辙剂(添加时间间隔0.5 h,给予沥青充分的发育时间),使用剪切机高速旋转剪切,使高强改性剂和抗车辙剂均匀分散到基质沥青中。各改性剂与添加剂相对于70#Esso重交沥青的质量比如下：高强改性剂为1.5%～18%；抗车辙剂为1%～10%；稳定剂为0.1%～5%；助溶剂为1%～10%。

70#Esso重交沥青的价格为3 000元/t，高强改性剂的价格为12 000元/t，自行研制的抗车辙剂的价格为8 000元/t，自行研制的稳定剂的价格为6 900元/t，助溶剂的价格为35 000元/t。根据上述配方，新型高强沥青的价格为5 500元/t，加上人工及运输费用，新型高强沥青的价格为6 000元/t，与进口高强沥青(13 000元/t)相比具有明显优势。

2.2 SHRP试样制备

按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求制作SHRP试样。DSR试样制备：将新型高强沥青在烘箱中加热至流动状态后浇筑至试验板中心处，待高强沥青变硬后将试验板装回流变仪。低温小梁弯曲试验(BBR)试样制备：将新型高强沥青在烘箱中加热至流动状态后浇筑至金属试模中，冷却至室温后切掉高出模具顶端的部分，得到BBR试样。将新型高强沥青加热至203 ℃并保持40 min，制得旋转黏度试验试样。

2.3 混合料试样制备

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，将配置好的新型高强沥青混合料以旋转压实的方式成型试样，再以4.30%的油石比制备浸水马歇尔试样、冻融劈裂试样、浸水车辙试样。

3 沥青SHRP试验结果与分析

3.1 DSR 试验分析

通过DSR试验测试新型高强沥青胶结料的流变性能。先将原样新型高强沥青、SBS改性沥青、70#Esso重交沥青进行DSR试验，试验板板径为25 mm,试验间隙为1 mm，试验频率为10 rad/s,应变为12%，试验结果见图1、图2；然后对新型高强沥青RTFOT试验后的残留物进行DSR试验，试验板板径为25 mm,试验间隙为1 mm，试验频率为10 rad/s,应变为10%，试验结果见图3；最后将 RTFOT试验后残留物经PAV老化后进行DSR试验，试验板板径为8 mm,试验间隙为2 mm，试验频率为10 rad/s,应变为1%，试验结果见表5。表6 为不同类型沥青的PG高温等级。

表6 不同类型沥青的PG高温等级

图2 原样新型高强沥青不同温度下的抗车辙因子

图3 新型高强沥青RTFOT后残留物的抗车辙因子

由图1～3、表5～6可知：1) 相同试验温度(50 ℃或60 ℃)下，新型高强沥青的抗车辙因子高于SBS改性沥青和70#Esso重交沥青，其高温性能和流变性能更优，更适用于中国南方高温地区。2) 原样高强沥青在60 ℃下的抗车辙因子是试验温度76 ℃下抗车辙因子的4.11倍，而试验温度82 ℃下抗车辙因子仅为60 ℃下抗车辙因子的12.19%，说明高强沥青的温感性能较强，其弹性恢复能力随着试验温度的升高而降低。3) 同一温度等级下，原样高强沥青和 RTFOT 老化后高强沥青的抗车辙因子都随着温度的上升而下降，且RTFOT 老化后高强沥青的抗车辙因子比原样高强沥青的小，说明RTFOT老化后高强沥青的弹性恢复能力不断减小，抗车辙能力不断弱化。4) 温度下降时，高强沥青的复合模数上升，相位角下降，且抗疲劳因子小于5 000 kPa，说明高强沥青的疲劳损伤发展缓慢，其抗疲劳性能优异。5) 高强沥青的PG高温等级比SBS改性沥青提高2个等级，比70#Esso重交沥青提高3个等级，其高温性能优异。

图1 不同类型原样沥青的抗车辙因子

表5 PAV残留物DSR试验结果

3.2 BBR 试验分析

沥青在低温环境下表现为弹性体,如果沥青的蠕变劲度很大,沥青会呈现脆性状态,沥青路面容易开裂。为防止沥青路面开裂破坏,需限制沥青的蠕变劲度。参照Superpave规范，分别对原样新型高强沥青、RTFOT老化后高强沥青及PAV老化后高强沥青进行BBR试验,试验结果见表7。

表7 新型高强沥青BBR试验结果

从表7可看出：1)原样、RTFOT 老化和PAV老化后新型高强沥青在试验温度-12 ℃时的M值均符合规范要求(≥0.3)，但试验温度为-18 ℃时3种状态沥青的M值均不满足要求，说明经过老化后高强沥青的低温性能变化幅度不大。2) -12 ℃时，原样、RTFOT老化后和PAV老化后新型高强沥青的PG低温等级均为-22 ℃，没有变化。

3.3 旋转黏度试验分析

参照AASHTO-T316方法对3种沥青进行布洛克菲尔德旋转黏度试验,试验结果见表8。

表8 不同类型沥青的旋转黏度试验结果

从表8可以看出：不同品种沥青在试验温度135 ℃下的布氏黏度均小于3 Pa·s，符合规范要求；高强沥青的布氏黏度为2.980 Pa·s，高于其他2种沥青，在70#Esso重交沥青中加入高强改性剂和抗车辙剂会大大增强其黏性。

4 沥青混合料抗水侵蚀性能试验研究

4.1 级配设计

结合工程实际进行沥青混合料级配设计，结果见表9。

表9 AC-20沥青混合料级配设计

4.2 马歇尔试验分析

采用旋转压实仪分别成型新型高强沥青、SBS改性沥青混合料试件，试样冷却24 h后进行马歇尔试验，试验结果见表10。

表10 沥青混合料马歇尔试验结果

由表10可知：新型高强沥青混合料的稳定度高于SBS改性沥青混合料。稳定度是反映混合料力学性能的重要指标，表征混合料抵抗破坏的能力,也是沥青混合料高温稳定性评价指标。新型高强沥青混合料的稳定度提高，表明添加高强改性剂和抗车辙剂可在一定程度上提高混合料的高温性能。

4.3 浸水马歇尔试验分析

依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》分别成型2种沥青混合料马歇尔试件,冷却24 h后脱模，在60 ℃±0.5 ℃恒温水浴中浸泡48 h后进行浸水马歇尔试验，测定其稳定度，试验结果见表11。

表11 沥青混合料浸水马歇尔试验结果

由表11可知：新型高强沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度是SBS改性沥青混合料的1.02倍，说明加入高强改性剂能提高混合料的力学性能。

4.4 冻融劈裂试验分析

依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》分别成型2种沥青混合料冻融劈裂试件，每种混合料采用8个试样，随机分成2组。第一组室温下保存，第二组进行真空饱水后放入-18 ℃±2 ℃冰箱中冷冻16 h±1 h后再放入60 ℃±0.5 ℃恒温水箱中保温24 h，最后将2组试样一起放入25 ℃±0.5 ℃恒温水槽中不少于2 h，然后进行冻融劈裂试验，测试其抗拉劈裂强度，试验结果见表12。

由表12可知：冻融前后新型高强沥青混合料的劈裂强度均比SBS改性沥青大,说明加入高强改性剂可有效提高混合料的劈裂强度。

表12 沥青混合料冻融劈裂试验结果

4．5 高温稳定性试验分析

进行不浸水车辙试验，试验温度(60±1) ℃,荷载轮压(0.7±0.05) MPa,作用时间60 min，试验结果见表13。

表13 沥青混合料高温稳定性试验结果

由表13可知：新型高强沥青混合料的动稳定度高于SBS改性沥青混合料，其高温稳定性优于SBS改性沥青混合料。

5 结论

(1) 原样新型高强沥青在试验温度60 ℃下的抗车辙因子是试验温度76 ℃下抗车辙因子的4.11倍，而试验温度82 ℃下抗车辙因子仅为试验温度60 ℃下抗车辙因子的12.19%，说明新型高强沥青的温感性能较强，其弹性恢复能力随着试验温度的升高而降低。

(2) 温度下降时，新型高强沥青的复合模数上升，相位角下降，且抗疲劳因子均小于5 000 kPa，说明新型高强沥青的疲劳损伤发展缓慢，其抗疲劳性能优异。

(3) 新型高强沥青的PG高温等级比SBS改性沥青提高2个等级，比70#Esso重交沥青提高3个等级；其PG低温等级均为-22 ℃，没有变化。

(4) 新型高强沥青的布氏黏度为2.980 Pa·s，略小于规范要求的3.000 Pa·s，高于SBS改性沥青和70#Esso重交沥青，说明在70#Esso重交沥青中加入高强改性剂和抗车辙剂会大大增强沥青的黏性，其工作性能有所降低，但不影响其正常工作。

(5) 高温性能、抗水损害性能方面，新型高强沥青混合料优于SBS改性沥青混合料。

(6) 进口高强沥青的成本为13 000 元/t，新型高强沥青的成本为6 000 元/t，仅为进口高强沥青的46.15%,新型高强沥青具有明显的价格优势。