高模量沥青高温流变性能的研究

王素青

（山西省交通运输安全应急保障技术中心（有限公司），山西太原 030006）

0 引言

随着我国经济社会的迅速发展，公路交通量迅速增长，交通重载问题也日益突出。在高温重载的耦合作用下，沥青路面的车辙病害也愈加严重。针对高温重载条件下引发的路面车辙问题，现已从路面材料、结构设计等方面提出多种处治措施。其中，高模量沥青材料以其优良的抗高温变形能力，在防治沥青路面车辙病害方面得到了广泛的应用[1]。

现阶段，常用的3 种高模量实现方式分别为：直接采用硬质沥青；利用天然沥青改性；聚合物改性剂改性。其中高模量改性剂由于改性效果好、工艺简单而得到了广泛的应用。高模量沥青通过改善沥青材料的高温性能指标来提高路面结构的抗车辙能力，因此，对其高温性能指标的研究评价尤为重要。目前，我国评价沥青材料的高温性能以针入度、软化点指标为主，无法全面精确地表征高模量沥青材料的黏弹性特征。因此本文以两种常用的改性剂制备高模量沥青，通过DSR 和MSCR 试验，以复数模量、车辙因子、蠕变恢复率R、不可恢复蠕变柔量Jnr及应力敏感性指标Jnr-diff作为评价指标，对高模量沥青的流变特性及蠕变指标展开分析研究。

1 原材料性能

1.1 沥青

基质沥青选取A级70号道路石油，技术指标见表1。

表1 基质沥青技术指标

1.2 高模量剂

为制备合格的高模量沥青，本文采用两种市面上常见的改性剂PRM 和XT 系列改性剂。根据相关资料，PRM 推荐掺量约为7.5%～20%（以沥青质量为基数），XT-2 掺量约为5%～15%。技术指标见表2。

表2 改性剂技术指标

1.3 制备工艺

将基质沥青加热升温至160 ℃，缓慢掺入1∕2 高模量剂，边搅拌边加热，当温度升至170～180 ℃时掺入剩余高模量剂，搅拌均匀并剪切1 h。

2 流变性能指标研究

本文试验仪器选用SmartPave102 型动态剪切流变仪（DSR）。在一定温度条件下，将样品置于上下板之间，测试时控制应力或应变水平，并控制马达以一定的速度旋转（剪切速率）或是一定的幅度摆动，测出所需要的扭矩，进而得到样品的剪切模量或其他指标。为保证材料处于线性黏弹区，在选定的试验温度和荷载频率条件下，该试验将应变水平控制在0.1%。

2.1 高模量沥青的复数模量研究

研究表明，改性沥青60 ℃复数剪切模量指标与混合料的模量指标相关性较好[2-3]，因此本文将60 ℃（10 rad∕s，12%）复数剪切模量作为评价高模量沥青流变特性的指标之一。通过DSR 试验，对比不同改性剂掺量对60 ℃复数剪切模量的影响，试验结果见图1所示。

图1 复数模量试验结果

由图1 可知，60 ℃复数剪切模量指标随高模量剂掺量的增加而增大，这可能是由于高模量剂的掺入在沥青材料中形成了网状结构，提高了其弹性变形能力。

根据美国SHRP 评价方法，只有当60 ℃（10 rad∕s，12%）复数模量不小于10 kPa 才可称为高模量沥青，因此要求两种高模量剂的掺量均需达到7.5%及以上。同时，从复数模量指标来看，国产高模量改性剂XT-2的改性效果要优于PRM。

2.2 高模量沥青的车辙因子研究

本文提出以高模量沥青材料来应对高温重载条件下导致的车辙问题，故选取76 ℃、5 Hz 条件下的车辙因子[4]作为评定其在高温重载情况下抗车辙能力的技术指标，车辙因子试验结果如图2所示。

图2 76 ℃车辙因子试验结果

由图2 可知，76 ℃车辙因子指标的变化趋势同复数模量指标相似，与改性剂掺量呈正相关关系，高温抗车辙能力随之改善增强。在76 ℃、5 Hz 模拟高温重载的试验条件下，2.5%PRM 和2.5%XT-2 改性沥青的车辙因子指标分别为2.62 kPa 和2.92 kPa，均超过了规范1.0 kPa 的要求。

3 蠕变特性研究

所谓的车辙病害，即为由于重复的行车荷载作用而导致的不可恢复变形逐步累积的一个结果。同时，也有研究认为，车辙因子指标与实际道路的抗车辙变形能力的相关性不好[5]，而重复蠕变累积变形能够更好地反映沥青材料的高温失效特性。因此，本文通过MSCR 试验，在不同的温度及应力条件下，对高模量沥青的蠕变性能指标展开试验研究。

3.1 蠕变恢复率R

蠕变恢复率R值越大，材料的弹性变形性能越好，抗永久变形能力也就越好，试验结果如图3所示。

图3 蠕变恢复率R试验结果

由图3 可知，高模量沥青的蠕变恢复率指标R随着改性剂掺量的增加也在逐步增大，延迟弹性恢复性能变好。掺量达到10%以后，指标的增长速度加快，改性效果也就愈加显著。对比不同温度条件下的试验结果发现，温度升高，R值减小，表明高温条件对导致沥青材料的弹性恢复能力变差；温度一定，应力增大时，R值减小，表明重载也不利于沥青的弹性恢复能力；在76 ℃，3.2 kPa 试验条件下，低掺量改性沥青的蠕变恢复率已经为0，此时改性沥青结构已经发生破坏，不再具有弹性恢复能力。

3.2 不可恢复蠕变柔量Jnr

永久变形量更多地依赖于不可恢复蠕变柔量值[6]，因此不可恢复蠕变柔量Jnr越小，沥青材料抗高温越好，试验结果如图4所示。

图4 指标Jnr试验结果

由图4 可知，高模量剂掺量的增加会使高模量沥青的Jnr指标逐渐减小，永久变形量越小，即高温性能也越好。试验中使用的两种高模量剂均为PE 类改性剂，这类该改性剂通常是以在沥青材料中形成的交联网状结构来改善高温性能的[7]，在一定程度下，改性剂的掺量增加，交联固化效果也就越好，抗永久变形的能力也就越好。

3.3 应力敏感性指标Jnr-diff

Jnr-diff指标的试验结果见图5所示。

图5 指标Jnr-diff试验结果

由图5 分析可知，温度一定时，改性剂掺量增加，Jnr-diff也随之增大，高模量改性沥青的应力敏感性增大。温度升高，Jnr-diff指标减小，说明温度升高会使高模量沥青材料的应力敏感性增大。同时在试验中发现，76 ℃试验下，12.5%掺量的高模量改性沥青的Jnr-diff增大到1 000%以上，说明材料此时很可能已经进入了蠕变破坏阶段。

4 结论

a）高模量沥青的60 ℃复数模量和76 ℃车辙因子指标均随着改性剂掺量的增加而提高；同时，在76 ℃、5 Hz 高温重载条件下，2.5%的高模量剂即可实现较为理想的车辙因子指标。

b）针对蠕变特性指标，高模量剂掺量的增加会使R值和Jnr-diff增大、Jnr减小，即高模量沥青的抗永久变形能力增强，但应力敏感性也随之变差。高温条件下，改性剂掺量过高甚至会导致沥青材料直接蠕变破坏。