两种高黏沥青高温流变特性对比研究
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作者:林运达 邵鹏坤 石希信
摘要：为对比研究国产高黏沥青与日本TPS高黏改性沥青，文章以中海70#石油沥青制备不同掺量的国产高黏沥青和TPS高黏沥青，开展高温PG分级试验及多重应力蠕变恢复试验（MSCR），以评价国产高黏沥青和日本TPS高黏沥青结合料的高温流变性能。结果表明：TPS高黏沥青高温性能和温度敏感性均优于国产高黏沥青，但在64 ℃、70 ℃温度条件下差异较小；国产高黏沥青在不同掺量下相位角区分度明显，而TPS高黏沥青区分度不明显；两种高黏沥青在64 ℃和70 ℃下不可恢复蠕变柔量Jnr趋同；在60 ℃～70 ℃区间，两种高黏沥青的高温流变特性差异较小。考虑到路面实际最高温度处于60 ℃～70 ℃，在高温天气并不极端气候条件下，排水路面采用国产高黏沥青替代进口高黏沥青具备可行性。
关键词：高黏沥青；高温流变特性；动态剪切流变试验；多重应力蠕变恢复试验
中图分类号：U416.03-A-31-096-3
0 引言
排水沥青路面以其良好的排水和降噪性能为海绵城市建设所青睐，在世界各国得到推广。一般而言，道路工程采用开级配磨耗层（OGFC）作为排水路面的上面层。OGFC于20世纪60年代发轫于德国，在欧洲得到推广，最终在全世界成为排水路面的主流路面结构形式［1］。西班牙在1980―1990年间铺筑了300万m2 OGFC路面，荷兰每年铺筑OGFC路面多达250万m2，比利时OGFC路面总面积超过200万m2，法国的OGFC路面每年增加约4.1万m2［2-5］。
我国对OGFC路面的研究虽取得了一定的成果，但大多参考国外已有的经验，且作为OGFC混合料的关键材料――高黏改性沥青的进口依赖性较强。OGFC混合料为骨架空隙结构，相较于密实型沥青混合料更容易受到水损害，其水稳定性和高温性能依赖沥青结合料的黏度［6］。因此，采用具有高黏度的沥青结合料是OGFC路面成功应用的关键所在。国内对高黏沥青的60 ℃黏度研究较多，所研究的高黏沥青的黏度大多都能满足2×106 Pa・s的要求［7-8］。同时，国内也有很多文献对高黏沥青胶浆的流变性能进行研究，取得了一系列的研究成果［9-10］。
本文通过对比分析国产高黏沥青与国外优秀高黏沥青――TPS高黏沥青的高温流变特性差异，寻找替代进口高黏沥青的可能性，为我国排水路面的建设提供参考。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
基质沥青采用中海70#石油沥青，高黏改性剂有两种：国产高黏剂生产厂家为重庆交科，国外高黏剂为日本的TPS高黏改性剂。高黏剂掺量设置为沥青质量的4%、8%、12%（外掺）。高黏沥青制作方法为：加热基质沥青，温度稳定在150 ℃左右，在该温度下保温30 min，掺入高黏改性剂，利用高速剪切机高速剪切30 min，然后在150 ℃烘箱用锡纸盖住发育10 min。基质沥青技术指标见表1。
1.2 试验方法
1.2.1 动态剪切流变试验
动态剪切流变试验测试原理为：对沥青施加正弦剪切应力或应变，仪器记录其应变或应力数据，通过计算机获得复数模量G*和相位角δ，并以复数模量G*和相位角δ两个参数计算车辙因子G*/sinδ。本文试验采用应变控制模式，原样沥青应变水平为12%，RTFOT沥青应变水平为10%，试验温度为64 ℃～82 ℃，间隔6 ℃。
1.2.2 多重应力蠕变恢复试验
多重应力蠕变恢复试验（multiple stress creep recovery，MSCR）通过施加周期性的荷载，测试沥青的蠕变恢复能力，以表征沥青的高温性能。荷载有两个应力水平，分别为0.1 kPa和3.2 kPa，其中0.1 kPa应力水平循环加载20个周期，3.2 kPa应力水平循环加载10个周期［11］。多重应力蠕变恢复试验根据美国标准AASHTO MP19-2010要求进行［12］，试样采用RTFOT后的沥青。RTFOT根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）要求进行［13］。考虑到夏天路面温度在50 ℃～70 ℃，因此温度设置为64 ℃～76 ℃，间隔6 ℃。
多重应力蠕变恢复试验以0.1 kPa、3.2 kPa水平下的不可恢复蠕变柔量评价沥青结合料的高温性能，以应力敏感性指标评价沥青结合料的应力敏感性。相关指标计算方法见AASHTO MP19-2010规范。
2 试验结果及分析
2.1 高温PG分级
在半对数坐标上绘制两种高黏沥青车辙因子与温度关系图，相位角采用常规坐标图绘制，试验结果见图1～8。由图1～8可知，高黏沥青车辙因子在半对数坐标上与温度呈显著线性关系，斜率越高，表明温度敏感性越差，为分析两种高黏沥青的温度敏感性，对车辙因子与温度的关系进行拟合，结果见下页表2、表3。
由图1～8与表2～3可知：原样状态和老化状态下，国产高黏沥青与TPS高黏沥青高温动态剪切流变试验结果均有明显差异，车辙因子与相位角随温度增加均呈现出良好的规律性。总体而言，TPS高黏沥青车辙因子相较国产高黏沥青高，但在64 ℃、70 ℃情况下相差较小，TPS高温性能优于国产高黏沥青，且TPS高黏沥青温度敏感性优于国产高黏沥青，两种高黏沥青的温度敏感性与掺量均无明显相关性。值得注意的是，TPS高黏沥青相位角随掺量变化并非线性变化，4%掺量与8%掺量相差较小，而12%的掺量与4%掺量、8%掺量相比区分度明显，产生该现象的原因与TPS高黏沥青的成分有关，TPS高黏沥青以橡胶为主要成分，再配以粘结性树脂和增塑剂等，成分较为复杂。而本文选用的高黏沥青主要成分为SBS，SBS沥青相位角随掺量变化区分度明显。
2.2 多重应力蠕变恢复
试验结果见图9～10。由图9～10可知，两种高黏沥青在不同掺量下的不可恢复蠕变柔量Jnr0.1和Jnr3.2均随温度变化且呈相同变化趋势，表明温度对高黏沥青高温性能有较大的损害作用。与此同时，高黏剂掺量提高对高黏沥青高温性能提升有较大帮助。值得注意的是，当温度较低时（60 ℃、64 ℃），两种高黏沥青的不可恢复蠕变柔量差值^小，而温度达到76 ℃时，两种高黏沥青的不可恢复蠕变柔量出现明显差异。路面最高温度大致在60 ℃～70 ℃，尽管国产高黏沥青在76 ℃下的不可恢复蠕变柔量劣于TPS高黏沥青，但从实际应用出发，国产高黏沥青替代进口高黏沥青具备很大的可行性。
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3 结语
（1）动态剪切流变试验表明TPS高黏沥青在车辙因子和温度敏感性两个方面均优于国产高黏沥青，但在64 ℃和70 ℃下差异并不明显。
（2）TPS高黏沥青掺量提高与相位角的减小规律较为复杂，而国产高黏沥青掺量与相位角呈良好线性关系。
（3）64 ℃和70 ℃下国产高黏沥青与TPS高黏沥青不可恢复蠕变柔量差异较小，但76 ℃下差异较大，表明TPS高黏沥青能承受更极端的温度条件。
（4）考虑到路面实际最高温度在60 ℃～70 ℃，极端高温天气并非常态，可在高温环境并不极端的条件下采用国产高黏沥青替代进口高黏沥青。
参考文献
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［13］JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料验规程［S］.
作者简介：
林运达（1989―），工程师，主要从事高速公路项目建设管理工作。
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