不同養(yǎng)護(hù)劑參量對老化瀝青高溫流變性能的影響研究

李敬峰

（廣東晶通公路工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510655）

0 引言

隨著我國高速公路的大量建設(shè)，許多路面隨著交通量的增加和惡劣環(huán)境等諸多因素的綜合作用，在使用較短的時(shí)間內(nèi)，便會(huì)發(fā)生車轍、松散等大面積的早期損壞，影響路面的使用性能和壽命[1，2]。早期損壞現(xiàn)象損壞特征及損壞機(jī)理與一般的瀝青路面破壞不同，早期損壞現(xiàn)象屬于功能性破壞而非結(jié)構(gòu)性破壞[3]，為了延長瀝青路面的使用壽命，需對出現(xiàn)早期損壞現(xiàn)象的路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，使其恢復(fù)正常的使用功能。實(shí)踐表明在發(fā)生早期破壞的瀝青路面中添加適量的養(yǎng)護(hù)劑是一種公認(rèn)的養(yǎng)護(hù)措施和手段[4]，破壞老化后的瀝青路面在噴灑養(yǎng)護(hù)劑后，養(yǎng)護(hù)劑能夠迅速滲入路表，使破壞的老化瀝青路面表層恢復(fù)再生，恢復(fù)后的性能可達(dá)到原有新瀝青性能標(biāo)準(zhǔn)，從而延長瀝青路面的使用壽命。本文針對養(yǎng)護(hù)劑的組成及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并采用SHRP標(biāo)準(zhǔn)中動(dòng)態(tài)剪切指標(biāo)G*/sinδ來評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料高溫流變性能，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對老化后的瀝青進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)劑參量下的試驗(yàn)研究。

1 養(yǎng)護(hù)劑組成及特點(diǎn)

1.1 養(yǎng)護(hù)劑的組分及技術(shù)指標(biāo)

養(yǎng)護(hù)劑是一種有輕微揮發(fā)性氣味，呈黑色油狀，用于瀝青路面的再生密封保護(hù)劑，其主要成份由改性煤焦油瀝青、石油蒸餾液和瀝青活性再生劑（人造樹脂、石油乳劑、經(jīng)提煉的石油溶劑合成的滲透劑）。其主要化學(xué)成份、物化特性和性能（技術(shù)）參數(shù)如表1～表3所示。

表1 養(yǎng)護(hù)劑成份

養(yǎng)護(hù)劑的物化特性如表2所示。

表2 養(yǎng)護(hù)劑的物化指標(biāo)

養(yǎng)護(hù)劑的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 養(yǎng)護(hù)劑的技術(shù)參數(shù)

1.2 養(yǎng)護(hù)劑的特點(diǎn)

養(yǎng)護(hù)劑是一種具有極其高效的滲透性的瀝青路面再生保護(hù)劑。其特點(diǎn)主要有：

a）有抵抗油類、水、紫外線、化學(xué)品侵蝕和抵抗其它有害雜質(zhì)影響的特性；

b）有不改變?yōu)r青表面結(jié)構(gòu)就能起到密封和再生作用的特性；

c）能滲透到瀝青表層，變成瀝青層整體的一部分與之共同收縮和膨脹，不像普通表面密封劑那樣易于剝落、開裂和脫層，因而具有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性，十分耐久；

d）它不僅是一種高效密封劑，而且還是一種充滿活性、能滲透瀝青表層，并將瀝青激活的結(jié)合劑，可使瀝青路面表層約15mm厚的瀝青的硬化程度和脆性顯著降低，從而可增強(qiáng)瀝青路面的柔韌性和彈性；

e）只有極低的危險(xiǎn)性，對環(huán)境的影響是極其微弱，是一種綠色環(huán)保的瀝青再生劑。

2 瀝青高溫流變性能研究

2.1 瀝青高溫流變性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

瀝青路面的高溫流動(dòng)變形問題是世界各國普遍關(guān)注的路面損壞形式之一，當(dāng)前我國現(xiàn)行瀝青針入度分級(jí)體系使用等粘溫度（軟化點(diǎn)）和等溫粘度（針入度）來表征瀝青結(jié)合料的高溫流變特性，它反映的是某一溫度點(diǎn)的流變特性。實(shí)際上，我國的瀝青路面在夏季所要經(jīng)受的高溫可達(dá)到60～70℃。因此，軟化點(diǎn)和針入度都不能反映瀝青在實(shí)際使用高溫溫度區(qū)間內(nèi)的流變特性。同時(shí)，瀝青結(jié)合料的高溫流變特性與瀝青路面的抗車轍性能和行車舒適性密切相關(guān)。因此，本文采用SHRP的分級(jí)方法對瀝青結(jié)合料的使用高溫溫度區(qū)間的流變特性進(jìn)行全面研究，在美國SHRP瀝青結(jié)合料使用規(guī)范中，瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性是由瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)得到的復(fù)數(shù)勁度模量和相位角描述的，SHRP標(biāo)準(zhǔn)中反映高溫穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)剪切指標(biāo)為G*/sinδ。

2.2 DSR工作原理簡介

動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）就是用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)的一種典型儀器[5]。它是通過量測瀝青結(jié)合料的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ來表征瀝青在使用狀態(tài)下的粘彈性特性。DSR的基本工作原理如圖1所示，它是把瀝青試樣像三明治一樣夾在兩個(gè)平行板之間，通常是下底板固定，通過上面的這一塊平行板給試樣施加速度為10rad/s（角頻率約為1.59Hz），應(yīng)變約為10%～12%或1%的變形來完成測試，應(yīng)變大小的選取與瀝青結(jié)合料的老化條件有關(guān)，對原樣瀝青及RTFO老化后的殘留瀝青在應(yīng)變值約為10%～12%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。RTFOT/PAV老化后的殘留瀝青在大約1%的應(yīng)變值進(jìn)行試驗(yàn)。復(fù)數(shù)剪切模量G*通常以全剪應(yīng)力（τmax-τmin）對全剪應(yīng)變（τmax-τmin）的比值來表示。相位角δ是作為響應(yīng)的剪切應(yīng)變對剪切應(yīng)力的時(shí)間滯后，在數(shù)值上等于滯后的時(shí)間間隔與剪切應(yīng)力（或剪切應(yīng)變）的角頻率的乘積，即δ=ω（Δt）。對于絕對彈性材料，荷載作用時(shí)，變形同時(shí)產(chǎn)生，其相位角δ等于0°；粘性材料在加載和應(yīng)變響應(yīng)之間有較大的滯后，相位角δ接近90°。

圖1 DSR基本工作原理

復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，它包括兩部分：彈性（可恢復(fù)）部分和粘性（不可恢復(fù)）部分。相位角δ是可恢復(fù)與不可恢復(fù)變形的相對指標(biāo)。在大多數(shù)情況下，瀝青同時(shí)呈現(xiàn)出粘性和彈性性質(zhì)。通過測試G*和δ，可以了解瀝青在使用狀態(tài)下的彈粘性特性。圖2表示兩種有相同G*和不同相位角δ的瀝青材料。瀝青A與瀝青B有相同的復(fù)數(shù)剪切模量G*，但它們的相位角δ不同，瀝青A比瀝青B彈性要小，而瀝青B比瀝青A粘度要小，如果作用同樣的荷載，瀝青A要比瀝青B呈現(xiàn)較大的永久變形，由于瀝青B的彈性分量較大，它的變形恢復(fù)要多一些。由此說明單純用復(fù)數(shù)剪切模量G*不足以描述瀝青的性能，還必須有相位角δ。美國SHRP規(guī)范定義G*/sinδ為車轍因子，其值大表示瀝青的彈性性質(zhì)顯著，其高溫流變性能越好。

圖2 兩種不同瀝青材料DSR量度

3 不同養(yǎng)護(hù)劑參量對高溫流變指標(biāo)的影響

本文采用基質(zhì)瀝青作為原瀝青路面使用膠結(jié)料，采用車轍因子G*/sinδ來表征瀝青結(jié)合料抗永久變形的能力，在路面工作溫度下G*/sinδ的值越大越好，說明其抗高溫流變性能越好，但在用于瀝青路面養(yǎng)護(hù)時(shí)，需通過動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)對不同養(yǎng)護(hù)劑參量下的老化瀝青試樣進(jìn)行高溫流變性能研究，判斷養(yǎng)護(hù)劑參量對高溫流變性能恢復(fù)的影響。為了研究瀝青混合料在早期破壞使用過程中發(fā)生的老化現(xiàn)象，本文采用長期老化PAV試驗(yàn)進(jìn)行瀝青老化性能模擬，并對老化后的試樣進(jìn)行DSR試驗(yàn)分析。本研究中DSR試驗(yàn)采用應(yīng)變式控制模式，原樣試樣應(yīng)變值γ＝12%，短期老化RTFOT后試樣應(yīng)變值γ＝10%，試驗(yàn)頻率都為ω=10rad/s。試驗(yàn)方法為AASHTO標(biāo)準(zhǔn)TP5-93，原樣、RTFOT后動(dòng)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)采用直徑為25mm、厚度為lmm的試樣，試樣結(jié)果如表1所示。瀝青G*/sinδ隨養(yǎng)護(hù)劑摻量的變化關(guān)系如圖3所示。

表1 不同養(yǎng)護(hù)劑摻量下DSR試驗(yàn)結(jié)果

表1（續(xù)）

圖3 瀝青G*/sinδ隨養(yǎng)護(hù)劑摻量的變化關(guān)系圖

從DSR試驗(yàn)可知：a）溫度對瀝青試樣的剪切模量G*、相位角δ以及車轍因子G*/sinδ有著明顯的影響，隨著溫度的升高，瀝青試樣的剪切模量G*不斷降低、相位角δ不斷升高，從而導(dǎo)致車轍因子G*/sinδ隨著溫度的升高而降低，說明隨著溫度的不斷升高，相同條件下，瀝青結(jié)合料的抗永久變形的能力不斷降低；b）養(yǎng)護(hù)劑的摻入也對瀝青試樣的剪切模量G*、相位角δ以及車轍因子G*/sinδ有著明顯的影響，隨著養(yǎng)護(hù)劑摻量的增加車轍因子G*/sinδ較原樣瀝青都有明顯降低，說明養(yǎng)護(hù)劑的摻入，改善了老化瀝青的抗永久變形能力；c）養(yǎng)護(hù)劑摻量為4%時(shí)的G*/sinδ提高到了基質(zhì)瀝青的水平，車轍因子幾乎和基質(zhì)瀝青一樣；當(dāng)養(yǎng)護(hù)劑參量增加到8%時(shí)，G*/sinδ的值反而變小，說明其高溫穩(wěn)定性能變差，因此老化瀝青養(yǎng)護(hù)劑摻量為4%時(shí)已經(jīng)能夠恢復(fù)原有瀝青的高溫性能，為養(yǎng)護(hù)劑參量的閥值點(diǎn)。

4 結(jié)論

在早期破壞瀝青路面中摻入養(yǎng)護(hù)劑，可以使老化的瀝青膠結(jié)料恢復(fù)原有的瀝青性能，能夠改善瀝青路面的使用功能，延長其使用年限。采用SHRP標(biāo)準(zhǔn)中動(dòng)態(tài)剪切指標(biāo)G*/sinδ能夠較準(zhǔn)確的反映膠結(jié)料高溫流變性能，當(dāng)養(yǎng)護(hù)劑參量為4%時(shí)，即可使老化的瀝青膠結(jié)料恢復(fù)到原有的水平，當(dāng)養(yǎng)護(hù)劑參量過多時(shí)，反而使瀝青膠結(jié)料的高溫流變性能變差。本文研究結(jié)果為瀝青路面的養(yǎng)護(hù)技術(shù)提供一定的參考。

[1]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].1版.北京：人民交通出版社，2001.

[2]楊明，蘇衛(wèi)國.預(yù)防性養(yǎng)護(hù)霧封層措施試驗(yàn)路工程實(shí)踐[J].公路，2006，（11）：205-209.

[3]李春雷，張?zhí)?一種瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的好方法——瀝青路面封涂層[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2006，（11）：112-115.

[4]周進(jìn)川.采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究SBS改性瀝青高溫流變特性的有關(guān)問題探討[J].石油瀝青，2003，（1）：73-75.