湿热气候下高黏改性剂对沥青使用性能的影响研究

唐丽荣 吕大春 胡松山 冯明珠

摘要：文章为了研究湿热气候条件下高黏改性剂对沥青使用性能的影响，采用常规性能试验和流变性能试验对掺量分别为0%、6%、8%、10%及12%的高黏改性沥青进行了针入度试验、软化点试验、延度试验、动力黏度试验及动态剪切流变仪试验，以针入度、针入度指数、当量软化点、当量脆点及复数模量等作为技术指标对不同掺量下高黏改性沥青的使用性能进行了研究。试验结果表明：高黏改性剂可以改善基质沥青的高温性能、低温性能、感温性能、可使用温度范围及黏结性能，适用于湿热气候条件下的工程应用。

关键词：沥青结合料;高黏改性剂;使用性能;湿热气候

In order to study the effect of highviscosity modifier on asphalt performance under hot and humid climate conditions，this article uses the conventional performance test and rheological property test to conduct the penetration test，softening point test，ductility test，dynamic viscosity test and dynamic shear rheometer test on highviscosity modified asphalt with 0%，6%，8%，10% and 12% content respectively，then，with penetration，penetration index，equivalent softening point，equivalent brittle point and complex modulus as technical indicators，it studies the performance of highviscosity modified asphalt under different contents.The test results show that the highviscosity modifier can improve the hightemperature performance，lowtemperature performance，temperature sensing performance，usable temperature range and bonding performance of matrix asphalt，thus it is suitable for engineering applications under hot and humid climate conditions.

Asphalt binder;Highviscosity modifier;Performance;Hot and humid climate

0 引言

隨着我国高速公路建设的飞速发展，人们对于沥青路面的使用要求越来越高，不但要求沥青路面能满足基本的行驶需求，而且要求其具备越来越多的功能性，如抗滑性、降噪性、防反光等，而透水沥青路面凭借自身优异的抗滑、耐磨、降噪等性能受到越来越多学者的关注。透水沥青路面是一种开级配沥青路面，以粗骨架为主，细集料较少，骨架与骨架之间主要依靠沥青的黏附性连接，故选用的沥青必须有强大的粘结力，一般选用高黏改性沥青[1]。高黏改性沥青主要以热塑性橡胶为原材料，再配以增塑剂、粘结剂等辅助成分，通过机械搅拌的方式，使普通沥青改良成排水性沥青路面使用的沥青胶结料，是修筑透水性沥青路面的重要胶结料[2]。

广西地处亚热带气候区，夏季高温多雨，湿热同期，故非常适合修建透水沥青路面，这也是国家未来沥青路面发展的新方向。目前广西乃至全国对于湿热地区高黏改性沥青使用性能的研究较少，故本文结合广西湿热多雨的气候条件对其进行全面研究，为湿热多雨地区高黏改性沥青的施工提供理论基础。

1 试验原材料与仪器介绍

1.1 试验原材料

实验室采用70号A级道路石油沥青作为试验基质沥青。基质沥青的技术性能指标及试验结果见表1。由表1试验结果可知，所采用的基质沥青满足我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）[7]的技术要求。

本研究采用的高黏改性剂产地为意大利，是一种淡黄色颗粒状物质，掺量（外掺）设定为0%、6%、8%、10%及12%，如图1所示。

1.2 动态剪切流变仪介绍

动态剪切流变仪（DSR）是用来测试沥青结合料高温与中温粘弹特性的设备。测试时将沥青试样夹在两个平行板间，震荡板以一定的角速率转动，固定板固定不动[3]。主要用于研究应变、频率、温度等多尺度因素下材料的流变力学特性响应。

2 改性沥青的制备

将基质沥青在135 ℃的烘箱中加热1 h，然后加入一定比例的高黏改性剂搅拌均匀，放置于150 ℃～160 ℃的烘箱中，发育2 h之后取出，在160 ℃～170 ℃的温度下用高速剪切仪以4 000 r/min的转速剪切1 h，直至高黏改性剂全部溶解且分布均匀为止，即制得高黏改性沥青。

3 常规性能试验结果分析

3.1 针入度试验结果

沥青针入度值与路面的路用性能联系密切，针入度值越大代表沥青质地越软，低温性能越好;针入度值越小代表沥青质地越硬，高温性能越好[4]。不同掺量下高黏改性沥青的针入度值如图2所示。

从图2可知，不同温度下，高黏改性沥青结合料的针入度均随着高黏改性剂掺量的增加而降低。在15 ℃和25 ℃时，降低速率较为平缓;在30 ℃时，降低速率较为明显，改性剂掺量为6%、8%、10%、12%的高黏改性沥青，分别比基质沥青的针入度降低了33.0%、38.7%、40.6%、48.1%。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG-F40-2017）规定，在掺量达到12%时，高黏改性剂可使基质沥青从针入度等级70降低至针入度等级50。这表明高黏改性剂可以降低基质沥青的针入度等级，增强基质沥青抵抗流动变形的能力。

针入度指数PI值代表沥青的感温性能，PI值越大，沥青的温度敏感性越低。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的要求，沥青的针入度指数PI值可由式（1）和式（2）共同确定。计算结果如图3所示。

从图3可知，随着高黏改性剂掺量的增加，高黏改性沥青的PI值不断上升。在掺量8%范围内，高黏改性沥青的PI值增量明显，改性剂掺量为6%、8%的高黏改性沥青，分别比基质沥青的针入度指数增加了1.95、2.28。当改性剂掺量超过8%时，高黏改性沥青的PI值增量放缓。这表明高黏改性剂可以降低基质沥青的温度敏感性，改善基质沥青的感温性能，使基质沥青适用于温度变化大的地区。

当量软化点T800代表沥青针入度值为800时对应的温度，当量软化点T800值越大，表示沥青抵抗高温流动变形能力越强，可根据式（3）确定。当量脆点T1.2是沥青作为低温抗裂性能评价指标，当量脆点T1.2越大代表沥青的低温性能越好，可根据式（4）确定。塑性温度范围[WTBX]ΔT是指沥青结合料在外部荷载作用下可使用的温度范围，表征沥青结合料可使用的温度范围，其值可按公式（5）计算得出。以上计算结果如图4所示。

从图4可知，随着高黏改性剂掺量的增加，当量软化点不断提高，这表明高黏改性剂可以提高基质沥青的高温性能。而当量脆点则随高黏改性剂掺量的增加先降低后略微升高，这表明高黏改性剂可以提高沥青的低温性能，但效果不大。由图4还可得知，随着高黏改性剂掺量的增加，高黏改性沥青结合料的塑性温度范围不断增加，这表明高黏改性沥青比普通石油沥青更加适用于温度变化大的地区。

3.2 软化点试验结果

软化点是我国针入度体系下反映沥青高温性能的重要指标，主要用来表征沥青抵抗高温流动变形能力[5]。软化点越大，代表沥青的高温性能越好，反之则越差。试验结果见图5。

从图5可知，随着高黏改性剂掺量的增加，高黏改性沥青结合料的软化点不断提高。当掺量达到6%时，每增加2%掺量改性剂，就可以提高高黏改性沥青软化点5 ℃左右。这表明高黏改性沥青抵抗高温流动变形的能力随着改性剂掺量的增加不断增强，高黏改性沥青的高温性能得到改善。其中，当改性剂掺量达到12%之后，高黏改性沥青的软化点>80 ℃，满足湿热地区的高温稳定性要求。

3.3 延度试验结果

沥青延度反映了沥青材料在外力作用下产生拉伸变形而不被破坏的能力[6]。其大小直接反映材料的低温变形能力，延度越大，低温抗变形能力越强。

从图6可得，高黏改性沥青的5 ℃延度在6%掺量时随着高黏改性剂掺量的增加而快速增长，之后增长速度开始下降，这是因为高黏改性沥青已经开始形成稳定的网状交联结构。

3.4 动力黏度试验结果

60 ℃动力黏度是评价高黏改性沥青的关键性指标之一，它与高黏改性沥青的抗飞散能力有密切的联系[7]。60 ℃动力黏度越大则代表沥青的黏结能力越强，抗飞散能力越强。试验结果见图7。

由图7可知，高黏改性沥青的60 ℃动力黏度随着改性剂掺量的增加而增长。掺量在10%以内时，增长较为缓慢;当掺量达到12%时，动力黏度迅速增长，满足规范要求值20 000 Pa·s，这说明高黏改性沥青的60 ℃动力黏度随着改性剂的增加而增大。

60 ℃动力黏度要达到规范要求具有一定的门槛掺量，在进行现场施工时必须密切关注高黏改性沥青的掺量是否达到门槛值，以防止掺量不满足使用要求而产生飞散病害。

4 流变性能试验结果分析

沥青是一种粘弹性材料，在不同的温度下，表现出不同的状态。在低温时，沥青更多表现出弹性状态;而随着温度的不断升高，沥青开始逐渐从弹性向粘弹性、黏性状态转变，故从流变学的角度评价高黏改性沥青的粘弹特性是一种有效的方法。本文基于湿热地区的气候条件，对5种不同掺量的高黏改性沥青进行动态剪切流变仪试验，试验温度设置为70 ℃，频率设置为10 rad/s，试验结果如图8和图9所示。

由图8可知，高黏改性沥青的70 ℃复数模量随着改性剂掺量的增加而不断增长。掺量在8%内时，增长较为缓慢;当掺量达到8%之后，复数模量增长迅速。这表明高黏改性沥青抵抗剪切变形的能力和增速均随着改性剂掺量的增加而增大，与上述软化点试验结果分析一致。

由图9可知，高黏改性沥青的70 ℃相位角随着高黏改性剂掺量的增加而不断降低，这表明高黏改性沥青的弹性成分随着改性剂掺量的增加而不断增大。

5 结语

（1）通过常规性能试验分析可得，高黏改性剂可以改善基质沥青的高温性能、低温性能、感温性能、可使用温度范围及黏结性能，并且随着改性剂掺量的增加而不断增长。

（2）通过流变性能试验分析可得，高黏改性剂可以提高沥青抵抗剪切变形的能力和弹性成分，这与常规性能试验结果分析一致。

参考文献：

[1]丛卓红，吴喜荣，郑南翔，等.高黏度改性劑对沥青性能的影响[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2011，30（4）：759-762.

[2]张 锐，黄晓明，侯曙光.新型沥青添加剂TPS的性能[J].交通运输工程学报，2006，6（4）：36-40.

[3]李梦怡.高黏改性剂对沥青流变性能的影响[J].公路交通科技，2018，35（4）：14-20.

[4]于保阳，高 超，张荣华.基于东北季冻区气候下高黏改性沥青性能研究[J/OL].中外公路，2019（1）：278-282

[5]冯 芳.透水路面高黏改性沥青的高低温性能评价[J].城市道桥与防洪，2018（7）：285-288，292，27.

[6]陈加干，周国宝，靳卫华.高黏改性沥青的制备及性能研究[J].石油沥青，2016，30（2）：14-16.

[7]陈 瑶，谭忆秋，陈克群.TPS改性剂对高黏沥青性能的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2012，44（6）：82-85.