高粘瀝青在超薄磨耗層應(yīng)用中的性能研究

楊學(xué)娜

摘要 超薄磨耗層受外界行車和氣候環(huán)境的影響容易出現(xiàn)松散、剝落、掉粒現(xiàn)象，采用高粘瀝青拌和的超薄磨耗層能夠大幅提高瀝青路面的抗滑性能。文章采用60 ℃重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)、低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)以及動(dòng)力粘度試驗(yàn)分析了TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青在短期老化以及長(zhǎng)期老化后的高、低溫性能，以期為超薄磨耗層的科學(xué)施工提供參考。

關(guān)鍵詞 超薄磨耗層;高粘瀝青;路用性能

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0080-03

0 引言

超薄磨耗層中大孔隙的存在和自身厚度較薄，容易受到外界行車和氣候環(huán)境因素的影響，在服役中易出現(xiàn)孔隙衰減，導(dǎo)致水分不能及時(shí)排除，在車輪荷載的反復(fù)作用下，水分不斷沖刷混合料，使得集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度下降，進(jìn)而出現(xiàn)松散、剝落、掉?，F(xiàn)象。不同于密實(shí)型的瀝青混合料中不同級(jí)配集料與瀝青之間的面接觸形式，超薄磨耗層集料之間的粘結(jié)狀態(tài)為通過(guò)高粘瀝青粘結(jié)形成的點(diǎn)接觸，超薄磨耗層路面的耐久性主要由其中的高粘瀝青的性能決定，高粘瀝青的高、低溫蠕變特性，黏聚力以及內(nèi)聚力等均是影響超薄磨耗層性能的主要因素。

在超薄磨耗層中，高粘瀝青一方面要承受來(lái)自荷載的剪切作用，另一方面要充當(dāng)粗集料的粘結(jié)劑，因此，高粘瀝青的高溫抗剪切性能、低溫抗裂性能對(duì)超薄磨耗層的服役性能有至關(guān)重要的影響[1]。為保證超薄磨耗層孔隙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和加鋪層的耐久性，需要對(duì)高粘瀝青短期老化、長(zhǎng)期老化后的高溫蠕變特性、低溫變形性能以及粘度特性進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)不同高粘瀝青的路用性能以及不同老化方式對(duì)高粘瀝青性能的影響，評(píng)價(jià)高粘瀝青在超薄磨耗層中應(yīng)用的可行性[2]。

1 蠕變測(cè)試與擬合

1.1 60 ℃重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)方式對(duì)不存在延遲彈性恢復(fù)變形的基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)是合理的，而聚合物改性瀝青在變形中不僅存在瞬時(shí)彈性變形、粘性變形還有延遲彈性變形，而車轍因子在計(jì)算中未考慮聚合物改性瀝青的延遲彈性變形，而這部分屬于改性瀝青變形的主要組成部分，因此，采用車轍因子評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能具有一定的局限性。

重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（RCRT），不僅可以反映聚合物改性瀝青在變形中的瞬時(shí)彈性變形，還可以反映粘性變形還有延遲彈性變形，因此用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青的在高溫條件下的抗剪切性能，其試驗(yàn)方法為在60 ℃條件下，對(duì)瀝青試樣在線性粘彈性應(yīng)力范圍內(nèi)（100～300 Pa）加荷1 s，卸載9 s，重復(fù)100個(gè)循環(huán)，對(duì)第50次和51次的蠕變變形曲線采用Burgers模型，計(jì)算瀝青蠕變模量中的粘性成分及其變形恢復(fù)性能來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的高溫抗剪切變形性能。

該文儀器采用應(yīng)力控制型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，選擇直徑為25 mm的平行板夾具。測(cè)試荷載為100 Pa，測(cè)試原樣TPS高粘瀝青、KT1301高粘瀝青、YS4303高粘瀝青、YH791高粘瀝青及其旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化和壓力老化后瀝青試樣的蠕變恢復(fù)性能。

1.2 低溫小梁彎曲蠕變

小梁彎曲流變?cè)囼?yàn)是美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃瀝青性能評(píng)價(jià)方法的主要研究成果之一。對(duì)瀝青低溫抗裂性的評(píng)價(jià)一方面對(duì)低溫下的蠕變勁度模量進(jìn)行測(cè)試，另一方面考慮了瀝青在低溫下的松弛性能，計(jì)算了低溫下蠕變勁度模量的增長(zhǎng)速率。對(duì)瀝青低溫勁度模量、蠕變勁度模量的變化速率與瀝青混合料低溫抗裂性的相關(guān)性能的研究結(jié)果表明，兩者之間具有很好的相關(guān)性。

瀝青的低溫小梁彎曲流變?cè)囼?yàn)方法為在一定的溫度條件下，對(duì)試件持續(xù)加載240 s，通過(guò)加載時(shí)間以及應(yīng)變的相互關(guān)系，計(jì)算得到蠕變勁度模量S和變形速率m。在低溫條件下，瀝青的蠕變勁度模量越小，變形速率越大，瀝青發(fā)生變形越容易，溫度應(yīng)力消散越快，瀝青的低溫抗裂性能越好。該文采用美國(guó)CANNON彎曲梁流變儀測(cè)試經(jīng)壓力老化后的TPS高粘瀝青、KT1301高粘瀝青、YS4303高粘瀝青、YH791高粘瀝青，測(cè)試溫度為?12 ℃。

1.3 高粘瀝青動(dòng)力黏度

粘度是對(duì)流體軟硬程度的度量方法之一，在道路行業(yè)，粘度常用于表征瀝青材料抵抗高溫流動(dòng)變形的能力。我國(guó)大部分區(qū)域在夏天高溫季節(jié)路面溫度在50～65 ℃之間。所以《公路瀝青路面規(guī)范》規(guī)定采用60 ℃動(dòng)力粘度作為評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)。瀝青材料60 ℃動(dòng)力粘度采用真空減壓毛細(xì)管法測(cè)試得到。動(dòng)力粘度的獲得是以瀝青在標(biāo)準(zhǔn)的真空減壓條件下流經(jīng)特定尺寸的真空減壓毛細(xì)管粘度計(jì)，通過(guò)計(jì)算粘度計(jì)系數(shù)與流動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系，得到瀝青材料的動(dòng)力粘度。

1.4 Burgers模型

瀝青是典型的粘彈性材料，瀝青的應(yīng)變包括了瞬時(shí)彈性變形、延遲彈性變形和粘性，變形三部分，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可采用包含了粘、彈、塑性原件的本構(gòu)模型表示。通常，在力學(xué)模型中，材料的粘性和彈性變形分別采用粘壺和彈簧表征。用于計(jì)算瀝青的蠕變關(guān)系的模型主要包括粘性變形和彈性變形的二原件模型（Maxwell模型、Kellvin模型），包括了粘性變形、彈性變形以及延遲彈性變形的三元件模型（Burger模型）等。Burgers模型由一個(gè)反映瞬時(shí)彈性變形的彈簧、一個(gè)不可恢復(fù)粘性變形的粘壺以及一個(gè)表示延遲彈性恢復(fù)的Kellvin模型串聯(lián)組成。Burgers模型能夠表征瀝青的粘性、彈性和延遲彈性變形，可以更加全面地反映其粘彈性能。

2 高粘瀝青蠕變—恢復(fù)特性

根據(jù)Superpave瀝青結(jié)合料重復(fù)蠕變—恢復(fù)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)擬合方法，該文采用重復(fù)蠕變—恢復(fù)試驗(yàn)中第50次和51次蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行Burgers模型擬合，分析TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青的高溫黏彈性以及短期老化和長(zhǎng)期老化對(duì)不同高粘瀝青黏彈性的影響。其中，Burgers模型中代表瞬時(shí)彈性模量的參數(shù)0 G取經(jīng)驗(yàn)值50 000 Pa，在此基礎(chǔ)上，采用ORIGIN軟件的分析擬合功能，將蠕變和時(shí)間分別作為應(yīng)變量和自變量，帶入Burgers模型，擬合得到其余參數(shù)。結(jié)果如表1所示。

分析表1中TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青在老化前、短期老化以及壓力老化后的粘彈性參數(shù)以及各參數(shù)的擬合標(biāo)準(zhǔn)差和方程擬合方差，可以看出，各參數(shù)的擬合標(biāo)準(zhǔn)差均小于擬合值的8%，而B(niǎo)urgers模型對(duì)蠕變曲線的擬合方差均大于0.997，說(shuō)明Burgers模型對(duì)高粘瀝青的蠕變擬合度較好。

對(duì)表1中代表高粘瀝青高溫抗剪切性能的指標(biāo)的分析結(jié)果表明，在老化前，四種高粘瀝青的η0的排序依次為KT高粘瀝青、TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青和D高粘瀝青。Burgers模型的分析結(jié)果說(shuō)明，在老化前四種高粘瀝青中KT高粘瀝青的抗永久變形能力最好，其次為T(mén)PS高粘瀝青和YS高粘瀝青，而D高粘瀝青抵抗永久變形的能力最差，在經(jīng)歷短期老化后，TPS高粘瀝青η0的值減小，而YS高粘瀝青、KT高粘瀝青、D高粘瀝青η0的值則增大，四種高粘瀝青抵抗永久變形的能力由大到小依次為D高粘瀝青、KT高粘瀝青、YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青，這一排序與老化前相比有較大的變化。

高粘瀝青在老化過(guò)程中既有瀝青相的氧化縮合，又有改性劑相降解，其中瀝青相的氧化縮合提高了高粘瀝青抵抗永久變形的能力，而改性劑的降解則使高粘瀝青抵抗永久變形的能力變差。該文采用SK90基質(zhì)瀝青制備四種高粘瀝青，因此，可以認(rèn)為四種高粘瀝青中瀝青相的氧化縮合程度是相同的。四種高粘瀝青老化后抵抗高溫變形性能的變化主要由聚合物改性劑的降解程度的差異造成。四種高粘瀝青分別采用了TPS改性劑和三種不同性能的SBS改性劑，在老化后TPS高粘瀝青和YS高粘瀝青抵抗高溫變形的能力大幅度降低，說(shuō)明TPS和YS改性劑在老化中存在大幅度的降解，而KT和D改性劑降解程度相對(duì)較少。

3 高粘瀝青低溫蠕變特性

表2為T(mén)PS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青經(jīng)歷短期老化以及壓力老化后的在?6 ℃、?12 ℃、?18 ℃以及?24 ℃的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)所獲得的勁度模量值和蠕變變形速率值。從表2可以看出，四種高粘瀝青在低溫下的勁度模量均隨著測(cè)試溫度的降低迅速增大，而蠕變變形速率值則隨著測(cè)試溫度的降低逐漸下降。說(shuō)明四種高粘瀝青抵抗低溫開(kāi)裂的能力以及溫度應(yīng)力松弛的能力均隨著環(huán)境溫度的降低而劣化，溫度越低，超薄磨耗層越容易發(fā)生溫縮開(kāi)裂。

根據(jù)SHRP對(duì)瀝青低溫PG等級(jí)的規(guī)定（某一溫度下勁度模量<300 MPa、蠕變變形速率>0.3），對(duì)比TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青的蠕變變形速率m值和勁度模量S值可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)試溫度相同的條件下，TPS高粘瀝青的蠕變變形速率m值最小、而勁度模量S值最大，其次為YS高粘瀝青;而KT高粘瀝青以及D高粘瀝青均表現(xiàn)出較高的蠕變變形速率m值和較小的勁度模量S值。而YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青的低溫抗裂性能較差。

4 高粘瀝青60 ℃黏度

Superpave對(duì)瀝青結(jié)合料高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與路面車轍之間相互關(guān)系的研究結(jié)果表明，軟化點(diǎn)、車轍因子、針入度、60 ℃動(dòng)力粘度以及135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度等與車轍相關(guān)性大小的排序依次為：60 ℃粘度>軟化點(diǎn)>車轍因子>針入度>135 ℃粘度，說(shuō)明采用60 ℃粘度評(píng)估瀝青高溫抗剪切變形能力比軟化點(diǎn)等指標(biāo)更加合理。因此，該文采用60 ℃動(dòng)力粘度評(píng)價(jià)四種高粘瀝青在旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化以及壓力老化后的高溫變形特性。結(jié)果如表3所示。

分析表3，對(duì)比老化前四種高粘瀝青的60 ℃粘度發(fā)現(xiàn)，四種高粘瀝青抵抗高溫剪切變形的排序由大到小依次為T(mén)PS高粘瀝青>KT高粘瀝青>YS高粘瀝青>D高粘瀝青，TPS高粘瀝青由于其中大量的SEBS和SBS聚合物改性劑的存在，細(xì)碎的改性劑分散在瀝青中一方面吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，使改性瀝青中瀝青相中輕質(zhì)組分的含量減小，瀝青相整體相對(duì)分子量提高，宏觀表現(xiàn)為瀝青的粘度大幅度增加;另一方面，大量的改性劑通過(guò)剪切以細(xì)小的顆粒分散在瀝青中，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了瀝青抵抗變形的能力，使得TPS高粘瀝青表現(xiàn)出優(yōu)于其余三種高粘瀝青的高溫抗變形特性。而另外三種高粘瀝青中高摻量的SBS改性劑同樣提高了瀝青的高溫粘度，但不同來(lái)源的改性劑對(duì)瀝青粘度的提高程度存在顯著的差異，其中以KT高粘瀝青的60 ℃粘度最大，而D6302高粘瀝青60 ℃粘度最小。

從瀝青抵抗高溫變形的角度分析，高粘瀝青在熱、氧老化過(guò)程中存在兩種截然相反的性能變化過(guò)程，老化使高粘瀝青中瀝青相發(fā)生氧化縮合，瀝青相中輕質(zhì)組分的含量減少，瀝青相粘度增加;而改性劑相則在老化過(guò)程中不飽和雙鍵斷裂，改性劑相的相對(duì)分子質(zhì)量減小，導(dǎo)致高粘瀝青的粘度降低。KT高粘瀝青和D6302高粘瀝青老化后粘度進(jìn)一步提高，說(shuō)明這兩種高粘瀝青在老化中以瀝青相的氧化縮合為主，改性劑的降解較少;而YS4303和TPS高粘瀝青在老化后粘度大幅度降低，說(shuō)明這兩種高粘瀝青的老化以改性劑的降解為主。

與短期老化前相比，四種高粘瀝青在經(jīng)歷長(zhǎng)期老化后60 ℃粘度有些許上升，說(shuō)明高粘瀝青在長(zhǎng)期老化以瀝青相的氧化縮合為主。PAV老化溫度為100 ℃，在此溫度下，改性劑的降解并不顯著，而瀝青相有略微的老化。

5 結(jié)論

（1）壓力老化后四種高粘瀝青抵抗永久變形的能力均較短期老化后有一定程度的提高，四種高粘瀝青的排序依次為D高粘瀝青、KT高粘瀝青、YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青，這一排序與短期老化后的完全一致，說(shuō)明PAV老化中四種聚合物改性劑對(duì)高粘瀝青抵抗永久變形的影響較小。

（2）四種高粘瀝青中KT高粘瀝青和D高粘瀝青的低溫抗裂性能最好，且兩者的蠕變變形速率和勁度模量值接近;而YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青的低溫抗裂性能較差。根據(jù)SHRP對(duì)瀝青低溫PG等級(jí)的規(guī)定，YS高粘瀝青、KT高粘瀝青和D高粘瀝青滿足PG-28技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而TPS高粘瀝青則滿足PG-22技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）不同來(lái)源的改性劑對(duì)瀝青粘度的提高程度存在顯著的差異，其中以KT高粘瀝青的60 ℃粘度最大，而D6302高粘瀝青60 ℃粘度最小;老化后TPS高粘瀝青和YS高粘瀝青老化后的粘度值較老化前有大幅度的降低，KT高粘瀝青老化后60 ℃粘度較老化前略有升高，而D高粘瀝青的60 ℃粘度則大幅度增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率達(dá)50%。

參考文獻(xiàn)

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