抗车辙复合改性沥青的制备及性能评价

徐敏颜奇

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 湖南长沙 410000 2.湖南省第二测绘院 湖南长沙 410000）

1 概述

近年来社会经济发展迅猛，大交通量、重载、超载现象频出，导致公路在设计周期内早期病害问题严重，其中夏季高温地区或长大陡坡路段的车辙问题表现尤为突出。究其原因，除了重载、超载严重外，路面材料自身抗高温性能不足及抗推移性能欠缺等也是形成病害的重要原因。为了改善沥青混合料的胶浆性能，提高路面铺装层的抗车辙性能，国内开发使用了各式各样的改性沥青，但效果均不是很理想。鉴于此，为进一步提高铺装层抗车辙能力，本文制备了一种的新的复合改性沥青，通过一系列试验并与其他各种沥青的路用性能进行对比分析，结果表明：复合改性沥青具备良好的高温稳定性和抗车辙能力强、经济实惠，适用于高温地区、收费站进出口、长大陡坡路段或宜于桥面铺装层。

2 改性沥青制备

2.1 原材料

本次试验主要目的是为了提高沥青的高温稳定性，获得具有良好抗车辙能力的改性沥青，依据聚合物改性原理，本文选取的制备材料包括：基质沥青、改性剂A、B、C、D。基质沥青技术指标见表1。

表1 基质沥青

2.2 试验方案

本次试验方案采用正交设计，选用一张L9（34）的正交表，安排了4个因素，每个因素有3个水平，并随机化处理，均衡搭配，试验次数9次，所得的试验结果在一定程度上具有可靠性。在分析数据时采用直观分析法，即在试验中，诸因素对响应的影响是有主次之分的，对试验结果影响大，就是主要的，相应的试验结果之间的差异就大，反之，是次要的，差异就小，这个主次关系用极差R来表示。以此判定各因素对性能指标的影响，并采用综合平衡法确定各水平之间的最佳组合方案。

2.3 生产工艺及流程

改性沥青生产流程主要分为研磨反应系统和导热油加热循环系统。研磨反应系统将基质沥青与改性剂充分混合后，聚和物改性剂在研磨、挤压和加热的综合作用下逐渐变细，最终以细小的颗粒状或丝状分布于沥青中；送到成品罐继续搅拌反应，使基质沥青与改性剂的混合体进一步相互作用，发生溶胀、渗透和扩散，形成一个均匀、稳定的胶状体物质。本次所用改性沥青的生产工艺为对聚合物实现两级研磨、两次发育，使改性剂A、B、C、D均匀分散到基质沥青中，充分发育，形成空间网状结构，达到改性效果。其工艺流程如图1所示。

图1 复合改性沥青工艺流程图

2.4 最佳配比方案确定

本文选取当量软化点T800和旋转粘度两个指标来衡量高温稳定性。当量软化点T800具有软化点表示沥青高温性能的全部优点，又克服了沥青中蜡对软化点的影响。当量软化点升高，说明其高温稳定性得到了提高，因此考核此指标较真实客观，为了兼顾沥青低温性能，将当量脆点T1.2纳入考核体系一并考虑。试验数据分析如表2。

表2 T800、T1.2正交试验分析表

试验结果分析：

（1）第4号试验的总功率系数d=1.00，其值最大，相应的试验条件是A2B1C2D3；

（2）对于总功率系数d，影响因素的主、次顺序为C＞B＞A＞D。因素A随掺量的增加，总功率系数d增加的幅度趋势是先陡后缓，并略有降低，故取水平A2；当因素B对总功率系数d影响是先降后升，可取水平B1；因素C在C1～C3范围内变化时，d呈先快速上升后减缓的趋势，可取水平C2；因素D在各水平内，d呈下降的趋势，但变化不大，且影响是最次要的，可取三水平中的任一水平，记为D0，故推荐的试验条件为：A2B1C2D0。

粘度是指沥青在外力作用下抵抗变形的能力。它反映沥青内部材料阻碍其相对流动的特性。在一定的温度范围内，当温度升高时，粘度随之降低，反之则增大。粘度大的沥青在荷载作用下产生较小的剪切变形，弹性恢复性能好，残留的永久性塑性变形小，抵抗车辙的能力强。135℃粘度试验值见表3。

表3 135℃粘度正交试验分析表

由表3分析可知：①影响改性沥青135℃粘度指标大小的主要因素排列顺序为：A＞B＞C＞D；②因素A随掺量的增加，粘度值呈先缓慢增加后陡增的趋势，考虑施工和易性的要求（135℃时粘度指不得超过3Pa·s），不宜采用过高掺量，取水平A2；因素B随掺量的增加，粘度值基本上呈先增后减趋势，可取水平B2/B1；因素C对粘度值的影响是呈递减趋势，可取水平C1/C2；而因素D的影响趋势是先降后增，且相差不大，由于因素D对粘度影响程度是最次要的，可忽略。

经论证，采用综合平衡法，以高温稳定性为主要考核指标，兼顾沥青低温性能和和特点，推荐采用方案：A2B1C2。

3 DSR试验评价

Superpave沥青结合料性能规范指出以最高路面设计温度下DSR试验指标G*/sinδ作为沥青的高温评价指标，按照G*/sinδ超过1.0kPa（原样沥青）和2.2kPa（经烘箱老化后）的临界温度将沥青分成不同的等级。临界温度越高，表明该种沥青抵抗高温流动变形的能力越强，在某一温度下，沥青G*/sinδ的越大，表示抗车辙能力越强。试验数据见表4。

由表4可知：①复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ相对70#沥青、SBS改性沥青都有大幅度的增长，表明其温度敏感性低、高温下抵抗剪切变形的能力强，高温稳定性得到明显改善；②经RTFOT老化后，复合改性沥青的G*/sinδ较原样沥青都有不同程度的提高，表明其抗老化能力强，老化后沥青的弹性作用增大，主要原因是短期老化使沥青与改性剂的相容性得到进一步改善；③按SHRP规范分级：复合改性沥青PG88-22，SBS改性沥青PG76-28，70#沥青PG70-22，表明复合改性沥青的高温适应温度较后两者分别高出了2～3等级，且G*/sinδ在88℃的实测值远大于规范要求，说明其可适应更高的温度范围。

表4 不同沥青结合料老化前后的车辙因子（G*/sinδ）

4 经济效益分析

一种好的新型材料，除了具备良好的路用性能外，还必须考虑其使用成本，本文根据市面价格，对比了几种沥青的成本，其结果见表5。

表5 沥青成本估算

由表5可知，几种沥青使用成本由低到高排序为：70#沥青＜SBS改性沥青＜复合改性沥青＜环氧沥青，虽然复合改性沥青的价格较SBS改性沥青高出了19.6个百分点，但仅为环氧沥青的10.3%，其施工工艺远不及环氧沥青复杂。复合改性沥青混合料良好的路用性能要明显优于SBS改性沥青混合料和普通沥青混合料，尤其是高温抗车辙能力，能够提高路面的耐久性，延长其寿命，可以减少维修次数、节省养护和维修费用，改善行车条件，其社会经济效益良好，应用前景广阔。

5 结语

（1）通过正交试验制备出了一种新型的复合改性沥青，确定了基于高温性能评价的最佳配合比方案，总结了该种沥青的生产工艺。

（2）复合改性沥青的当量软化点，G*/sinδ和粘度指较70#沥青和SBS改性沥青都有显著地提高，其混合料的动稳定度大，表明复合改性沥青及其混合料的高温稳定性得到了极大的改善。

（3）复合改性沥青抗永久变形能力强，能有效的解决路面车辙问题，且价格远低于环氧沥青，仅略高于SBS改性沥青，经济实惠。建议在气候炎热、重载较多、长大纵坡等路段推荐使用。

[1]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]正交设计.北京大学数学力学系数学专业概率统计组编[M].1977.

[3]牟建波，张兰军.高性能改性沥青的开发与应用研究[J].公路，2001.

[4]李宁利.改性沥青混合料路用性能及施工特性研究，2005.

[5]李宇峙.SHAP沥青胶结料规范及沥青混合料设计简介[M].2001.