抗扭转型高黏度改性沥青的研发与性能评价

王强，姚鸿儒，李健，牛晓伟，曹亚东

（1.上海公路桥梁（集团）有限公司，上海 200433 2.上海城建日沥特种沥青有限公司，上海 200231）

排水沥青路面作为一种安全降噪的环境友好型生态路面，在国外已有大量应用，在国内也有长时间的实践，但一直没有得到大规模的应用。究其原因，在于排水沥青铺装特殊的骨架空隙结构，要求沥青胶结料具有优异的黏韧性、耐老化、抗飞散等性能，虽然高黏度改性沥青技术已相当成熟，但还存在一些问题。在交叉口转弯车辆多，排水路面细集料少，路面承受剪切扭转力的共同作用，容易发生飞散现象[1]。且车辆经过交叉口时，车速较慢，路面更容易出现车辙损坏。因此排水性路面交叉口需要特殊设计，提高路面抗剪切扭转变形能力以及抗荷载能力。以下几个方案可有效应对排水路面交叉口病害情况：

（1） 在交叉口区域采用抗荷载性能更佳的SMA 或AC 级配沥青混合料。损失了铺装的一致性和排水沥青铺装的排水降噪功能，但成本较低。

（2） 降低排水沥青铺装的空隙率，从通常的20%降低到17%。在保有排水降噪功能的同时提高了抗飞散能力，成本基本一致。但如果是有重载交通的场所，此方案的提升能力有限。

（3） 采用环氧沥青的排水沥青铺装。反应性的环氧沥青树脂提高了混合料的强度，保证功能性的同时提高了抗飞散能力，但成本很高，且对施工作业的要求很高。此外，由于是热固性材料，将来铣刨后的回收料难以循环利用，而且环氧沥青混合料容易发生开裂。

（4）表面强化工艺（TopCoat）。采用甲基丙烯酸甲酯（MMA）之类的树脂材料涂布在排水沥青铺装表面，此方案基本不降低排水沥青路面的功能性，且具有很好的抑制飞散的效果。添加了颜料的MMA 使铺装变成彩色铺装，具有景观和标识的效果。但是，TopCoat 一般难以与沥青混合料同时施工，需要额外的封交时间和养生时间，而且有难闻的气味。

（5） 半柔性铺装，在沥青混合料母体中掺加刚性材料水泥砂浆或灌注水泥砂浆，能够提高沥青混合料的抗车辙能力，同时改善沥青混合料的低温抗裂性和耐久性。此种路面结构通过骨料之间的相互嵌挤作用和灌入的水泥胶浆共同形成材料强度，提高了路面抵抗荷载作用的能力。但与TopCoat 一样，需要额外的封交时间和养生时间，而且成本较高。

（6） 采用性能更优的高黏度改性沥青，既保证了交叉口具有良好的抵抗交通荷载的能力，同时还可保证交叉口路面的排水性能，而且具有很好的抗开裂能力。

对比以上几种方法，半柔性铺装和密级配的沥青混合料都是牺牲了交叉口处的排水性能来提高其抗扭转能力，这违背了排水沥青铺装的初衷；半柔性铺装和TopCoat 需要在原来的排水沥青铺装之后再增加一道工序，工期更长。因此推荐第六种方法，从胶结料的角度改善排水沥青铺装的抗扭转飞散能力。为此本研究开发了一种专门用于交叉口、匝道等小转弯半径处的抗扭转性能更优的高黏度改性沥青，即抗扭转型高黏度改性沥青（以下称抗扭转高黏沥青），并评价其混合料路用性能。

日本对排水沥青铺装研究和应用较多，目前已将高黏度改性沥青列入规范[2]。但抗扭转高黏沥青还属于标准外产品。东亚道路、日沥、大有等公司开发了抗扭转高黏沥青，其公司标准如表1。

表1 日本抗扭转高黏沥青技术要求

由表1可知，日本几家公司的抗扭转高黏沥青技术要求基本一致，25 ℃针入度控制在10～30 1/10 mm，黏韧性的测试温度为40 ℃。通过参考日本的技术指标，开发抗扭转高黏沥青，研究影响排水沥青混合料抗扭转性能的关键指标，并采用旋回式车辙试验和静扭试验评价其抗扭转性能。

1 试验方法

改性沥青的针入度、软化点、延度、薄膜加热老化、闪点、黏韧性、与粗集料的剥离面积率分别按照T0604、T0606、T0605、T0609、T0611、T0624、T0616 测试[3]；-20 ℃弯曲工作量试验方法参考DB 32/T 2678—2014 附录F[4]。沥青混合料的动稳定度按照T0719 测试[3]。

1.1 剪切应力

采用动态剪切流变仪（DSR）进行正弦振荡试验。设定的试验条件使沥青胶结料的受力状态尽可能与其在旋回式车辙试验中的受力状态对应。试验温度与旋回式车辙试验一致，为60 ℃。

由于试验温度大于30 ℃，采用直径为25 mm的平板流变仪，板间隙2 mm。进行PG分级测试时，频率为10 rad/s 是为了与车辆速度80～100 km/h对应；且频率对材料的粘弹性有很大的影响，有必要根据扭转发生的受力条件设定频率，设定为1.1 rad/s。根据频率确定线性粘弹区，从而确定应变量为5%[5]。

1.2 旋回式车辙试验

为研究排水沥青铺装的抗扭转飞散能力，采用旋回式车辙试验仪评价排水性沥青混合料对小转弯半径扭转作用造成的骨料飞散的抵抗能力[6]。在试件表面施加强制的扭转作用，试件受力发生骨料飞散，从而产生车辙，通过千分尺测定变形量来表征材料抵抗扭转的能力。为保证试验温度，整个设备放在步入式控温试验箱中，设备见图1。

采用的试件尺寸与测试动稳定度的车辙试件相同（30 cm×30 cm×5 cm），旋回车辙试验条件见表2。试验选用统一类型级配OGFC-13，空隙率为20%，成型车辙板进行后续试验研究。以变形量达到10 mm 的时间来评价沥青混合料抵抗扭转的能力[7]。

图1 旋回式车辙试验仪

表2 旋回式车辙试验条件

1.3 静扭试验

旋回式车辙试验评价小转弯半径时轮胎对沥青混合料的动态飞散作用，而车辆在停车等情况下转向时的静态扭转对沥青混合料也有很强的剥离作用。为评价沥青混合料的抵抗静态扭转的能力，采用实际的车轮进行静扭试验，试验条件见表3，设备照片见图2。测试扭转前后时间的质量损失。

图2 静扭试验设备

表3 静扭试验条件

2 结果与分析

2.1 影响抗扭转性能的关键胶结料技术指标

为研究影响抗扭转性能的关键胶结料技术指标，制作了六种抗扭转性能不同的沥青样品，编号为A～F，测试其针入度、软化点和-20 ℃弯曲工作量等胶结料性能，见表4，采用旋回式车辙试验测试其变形量达到10 mm 时所需时间。

由表4可知，以达到相同10 mm 变形时间来评价，从方案A 到方案F 的变形时间逐渐增大，但从针入度、软化点、-20 ℃弯曲工作量三个胶结料的指标上没有看到任何明显的变化规律。

由图3可知，通过DSR 试验可得到高黏度改性沥的储能模量G’、损耗模量G’’、复数模量G*、剪切应力等指标。其中与10 mm 变形时间的相关关系最好的是剪切应力，并进行相关性分析得到R2=0.89。由此可见，随着剪切应力越大，变形量达到10 mm 时所需时间就越长，沥青混合料抵抗扭转飞散的能力越强。

由图4可知，剪切应力与静扭试验质量损失呈现出很好的相关关系，相关系数R2=0.95。剪切应力越大，静扭试验质量损失越小，混合料抵抗静扭剥离的能力越强。

表4 抗扭转高黏改性沥青基本性能指标

图3 剪切应力与10 mm 变形时间的关系

图4 剪切应力与静扭试验质量损失的关系

2.2 抗扭转高黏沥青的胶结料性能

参考日本相关的企业标准，结合上述研究，开发了抗扭转高黏沥青，性能指标见表5。

表5 新开发抗扭转高黏沥青性能指标

2.3 抗扭转高黏沥青的混合料性能

基于上述研究，将开发的抗扭转高黏沥与普通高黏度改性沥青进行对比（制备空隙率为20%的OGFC-13 沥青混合料），测定其动稳定度与旋回车辙试验的变形量，见图5、6。

图5 胶结料对动稳定度的影响

图6 胶结料对旋回车辙变形量的影响

由图5可知，抗扭转高黏沥青的动稳定度是普通高黏度改性沥青约2.5 倍，表现出明显的高温稳定性能。由图6的旋转车辙试验可知，普通高黏度改性沥青混合料在50 min 时已达到8 mm的变形，而抗扭转高黏沥青混合料的达到相同的8 mm 时需要约300 min，是普通高黏度沥青混合料的6 倍。

动稳定度和旋回车辙试验表明，抗扭转型高黏改性沥青混合料具有较强的抗扭转飞散能力和高温稳定性能。

3 结论

a）从提升沥青胶结料性能的角度开发出了抗扭转型高黏度改性沥青，应用于小转弯半径的排水沥青混合料。通过DSR 试验和旋回式车辙试验表明剪切应力越大，变形量达到10 mm 时所需时间就越长，沥青混合料抵抗扭转飞散的能力越强。

b）旋回式车辙试验和静扭试验表明开发的抗扭转高黏沥青混合料具有很好的抗飞散和抗扭转效果。

c）与普通高黏沥青排水沥青混合料相比，抗扭转型具有较强的抗扭转飞散和高温稳定性。