高模量%28低标号%29沥青胶结料性能试验研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2022-11-11作者简介：马弘毅（1982），男，河北黄骅人，高级工程师，研究方向为道路工程。高模量（低标号）沥青胶结料性能试验研究马弘毅（河北省交通规划设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021）摘要：基于低标号沥青、硬质沥青+外掺剂及聚合物复合改性三种途径形成的高模量沥青混合料胶结料进行了针入度体系指标评价分析，并重点研究了低标号沥青及硬质沥青+外掺剂两类胶结料的耐老化性能。试验研究表明：低标号沥青高温性能优越，但低温性能稍差，不同厂家的产品其性能略有差异；不同外掺剂改性的硬质沥青性能存在较大差异，且耐老化性与质量稳定性值得关注；聚合物复合改性沥青具有最优的综合性能。关键词：道路工程；高模量沥青混合料；胶结料；针入度体系指标中图分类号：U414文献标识码：A0 引言目前，国内外主要解决高温车辙问题的措施有：改善矿料级配；研发新型的路面材料等1。在各种新型路面材料中，高模量沥青混合料由于具有优异的路用性能，得到了广泛关注2。高模量沥青混合料（High Modulus Asphalt Concrete，以下简称 HMAC）开始于20世纪80年代的法国，主要是依据当地公路建设的经验而提出的一种新型路面材料。HMAC首先被应用于路面结构的基层、底基层以及路面养护工程，随后逐渐被广泛应用于重荷载交通路面面层等3。近年来，国内外许多科研工作者对HMAC开展了较为系统的研究4-5。高模量沥青胶结料（High Modulus Asphalt Binder，以下简称HMAB）是组成高模量沥青混合料的重要成分，故 HMAC的路用性能直接取决于 HMAB的性能优劣。与HMAC相比，国内外对于HMAB的研究较少，因此，本文主要针对不同种类的高模量沥青胶结料自身的技术指标进行研究，为建立符合我国环境状况和道路建设需求的高模量沥青混合料设计体系提供一定的技术支撑。1 试验方案国内研究表明，实现高模量沥青混合料的途径主要有以下三种：一是通过低标号硬质沥青来实现。低标号沥青已在国外得到了广泛推广应用，研究和工程实践表明其混合料的高温抗车辙能力得到了有效提升，但低温抗裂性相对较差。目前，到低标号沥青的生产工艺相对复杂，国内生产企业相对较少；二是通过添加外加剂来实现，主要是在基质沥青中添加以聚合物材料为主要成分的改性剂，既能提高沥青混合料的高温抗车辙性能又能改善沥青混合料的低温抗裂性。但同时添加外加剂也会影响胶结料的质量稳定性和存储稳定性，特别是经过较长时间的存储后极易出现离析；三是通过复合改性来实现，主要是指聚合物与天然沥青复合改性，可提高沥青混合料的耐久性。本试验研究确定的三种胶结料方案为：低标号硬质沥青方案。分别为10号、20号、30号三种低标号硬质沥青；硬质沥青+外掺剂方案。硬质沥青为50号沥青，外掺剂分别为RK300、ZQ、RA及PR-module四种。改性工艺为：将50号沥青升温至160，按质量比加入相应外掺剂，在160 时溶胀发育15 min后，用高速剪切机以3 000 r/min速率高速剪切1530 min，直至外掺剂颗粒全部消失；聚合物复合改性沥青方案。采用SBS改性沥青+青川岩天然岩沥青，其复合改性采用简单搅拌方式。针对以上三种途径形成的高模量沥青胶结料进行了针入度体系指标相关试验研究，并重点研究了低标号硬质沥青及硬质沥青+外掺剂两类胶结料的薄膜烘箱老化后的针入度体系指标。2 试验结果分析2.1 低标号沥青1）不同低标号沥青技术指标对比对10号沥青、20号沥青、30号沥青三种低标号沥青进行技术指标对比，对其针入度、15 延度及软化点进行试验。试验结果表明，针入度、15 延度与软化点的变化趋势均与沥青标号变化一致。低标号沥青在 25 条件下仍表现出较硬的特性，则其针入度小，软化点较高，但其延展性却有显著下降。其中，20号以下低标号沥青的15 延度几乎为零。2）不同厂家20号沥青技术指标对比对4种不同的20号沥青进行技术指标对比，其针入度、15 延度、软化点及60 动力黏度试验结果分别见图1图4。35总651期2023年第21期（7月 下）图1 不同厂家20号沥青针入度图2 不同厂家20号沥青延度图3 不同厂家20号沥青软化点图4 不同厂家20号沥青动力黏度由图1图4可知，四种20号沥青的针入度及软化点基本无显著差异，S3与S4样品软化点相差最大，为4 左右。但四种20号沥青的15 延度存在较明显的差异，其中S2与S3样品的15 延度都接近0，而S3样品的15 延度约为S1样品的2倍。同时，四种20号沥青的60 动力黏度也存在显著差异，尤其S2与S3样品动力黏度相差达一倍以上。这说明四种20号沥青的组分存在差异。进一步对4种20号沥青薄膜烘箱老化后的软化点增长、残留针入度进行了试验研究。由试验结果可知，4种沥青耐老化性不尽相同，其中S1与S2样品老化后软化点增长及残留针入度比接近，而S3与S4样品老化后软化点增长及残留针入度比接近；另外，4种沥青老化后的质量损失均接近。老化试验进一步说明四种沥青的组分存在差异。2.2 硬质沥青+外掺剂以50号沥青为基质沥青，RK300、ZQ、RA及PR-module四种外掺剂对其改性后沥青的针入度、软化点、10 延度及60 动力黏度如图5图8所示。图5 50号沥青类针入度图6 50号沥青类延度图7 50号沥青类软化点图8 50号沥青类动力黏度由图5图8可知，外掺剂加入后50号基质沥青的三大指标及动力黏度均发生了显著变化；不同外掺剂对其改性效果也存在较大差异，其中RA外掺剂的加入对50号沥青的改性程度最低，其他3种外掺剂对50号沥青36交通世界TRANSPOWORLD针入度、延度、软化点的影响程度类似，但60 动力黏度相差较大，尤其是ZQ外掺剂。这表明不同外掺剂的主要成分存在差异，在相同工艺条件下的分散性也不同。试验过程中发现，部分外掺剂改性后的胶结料在冷却过程中出现聚合物凝聚现象，随着剪切时间的增加，凝聚情况会有所减弱，但并未消失，冷却后，样品外观仍具有明显的颗粒感。凝聚的材料为漂浮于沥青中的轻质聚合物，分析认为这些凝聚物主要为PE类材料，高速剪切后这些材料仍存在长链。进一步对四种外掺剂改性胶结料进行薄膜烘箱老化试验，根据试验结果进行分析，外掺剂改性后的胶结料的薄膜烘箱老化后的技术指标也存在较大差异，部分材料老化后软化点明显升高，说明其抗氧化性较差，如组分中含有不稳定成分，用于沥青混合料会影响其耐久性。另外，外掺剂改性的硬质沥青的耐老化性比低标号沥青差。2.3 聚合物复合改性沥青不同天然沥青掺量的 SBS 改性沥青+天然岩沥青（青川岩）胶结料的针入度、10延度及软化点试验结果见图9图11。由图9图11可知，聚合物与天然沥青复合改性沥青的综合性能优越。天然沥青掺量7%左右时复合改性后沥青的针入度级别可达到30号，但其10 延度明显优于30号低标号沥青，同时其软化点也明显高于30号低标号沥青。随着天然沥青掺量的增加，改性后胶结料的各项指标变化幅度变小，胶结料针入度级别达到20号低标号沥青时，天然沥青的掺量在15%左右。3 结论本文主要对低标号沥青、硬质沥青+外掺剂及聚合物复合改性三类高模量沥青混合料所用的胶结料进行了技术指标评价，并重点研究了低标号沥青及硬质沥青+外掺剂两类胶结料的耐老化性，结果表明：1）低标号沥青高温性能优越，但低温性能稍差，不同厂家的产品其性能略有差异。2）不同外掺剂改性的硬质沥青性能存在较大差异，且耐老化性与质量稳定性值得关注。3）聚合物复合改性沥青具有最优的综合性能。随着天然沥青掺量的增加，改性后胶结料的各项指标变化幅度变小；当天然沥青的掺量在15%左右时，SBS改性沥青+天然岩沥青（青川岩）胶结料的针入度级别达到20号低标号沥青。参考文献：1郑晓光，麻旭荣.高模量沥青胶结料评价指标的研究J.上海公路，2014（2）：63-66.2 钱喜红，关永胜，臧国帅，等.高模量沥青混合料技术路径与合理评价指标应用研究J.公路，2020，65（1）：231-238.3 张晗，佟禹，贾劲松，等.高模量沥青胶结料性能试验研究J.市政技术，2021，39（12）：114-117.4 宋波，王三军，殷硕，等.高性能沥青混凝土在长寿命路面试验段中的应用J.市政技术，2016，34（1）：40-46.5 杨朝辉.SBS复合改性高模量沥青混合料路用性能试验研究J.上海公路，2013（1）：18-20.图9 不同掺量天然沥青胶结料针入度图10 不同掺量天然沥青胶结料延度图11 不同掺量天然沥青胶结料软化点37