高粘沥青在超薄磨耗层应用中的性能研究

杨学娜

摘要 超薄磨耗层受外界行车和气候环境的影响容易出现松散、剥落、掉粒现象，采用高粘沥青拌和的超薄磨耗层能够大幅提高沥青路面的抗滑性能。文章采用60 ℃重复蠕变试验、低温弯曲梁流变试验以及动力粘度试验分析了TPS高粘沥青、YS高粘沥青、KT高粘沥青以及D高粘沥青在短期老化以及长期老化后的高、低温性能，以期为超薄磨耗层的科学施工提供参考。

关键词 超薄磨耗层;高粘沥青;路用性能

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0080-03

0 引言

超薄磨耗层中大孔隙的存在和自身厚度较薄，容易受到外界行车和气候环境因素的影响，在服役中易出现孔隙衰减，导致水分不能及时排除，在车轮荷载的反复作用下，水分不断冲刷混合料，使得集料之间的粘结强度下降，进而出现松散、剥落、掉粒现象。不同于密实型的沥青混合料中不同级配集料与沥青之间的面接触形式，超薄磨耗层集料之间的粘结状态为通过高粘沥青粘结形成的点接触，超薄磨耗层路面的耐久性主要由其中的高粘沥青的性能决定，高粘沥青的高、低温蠕变特性，黏聚力以及内聚力等均是影响超薄磨耗层性能的主要因素。

在超薄磨耗层中，高粘沥青一方面要承受来自荷载的剪切作用，另一方面要充当粗集料的粘结剂，因此，高粘沥青的高温抗剪切性能、低温抗裂性能对超薄磨耗层的服役性能有至关重要的影响[1]。为保证超薄磨耗层孔隙结构的稳定性和加铺层的耐久性，需要对高粘沥青短期老化、长期老化后的高温蠕变特性、低温变形性能以及粘度特性进行分析，评价不同高粘沥青的路用性能以及不同老化方式对高粘沥青性能的影响，评价高粘沥青在超薄磨耗层中应用的可行性[2]。

1 蠕变测试与拟合

1.1 60 ℃重复蠕变恢复试验

沥青高温性能的评价方式对不存在延迟弹性恢复变形的基质沥青来说是合理的，而聚合物改性沥青在变形中不仅存在瞬时弹性变形、粘性变形还有延迟弹性变形，而车辙因子在计算中未考虑聚合物改性沥青的延迟弹性变形，而这部分属于改性沥青变形的主要组成部分，因此，采用车辙因子评价改性沥青的高温性能具有一定的局限性。

重复蠕变恢复试验（RCRT），不仅可以反映聚合物改性沥青在变形中的瞬时弹性变形，还可以反映粘性变形还有延迟弹性变形，因此用重复蠕变恢复试验来评价改性沥青的在高温条件下的抗剪切性能，其试验方法为在60 ℃条件下，对沥青试样在线性粘弹性应力范围内（100～300 Pa）加荷1 s，卸载9 s，重复100个循环，对第50次和51次的蠕变变形曲线采用Burgers模型，计算沥青蠕变模量中的粘性成分及其变形恢复性能来评价沥青的高温抗剪切变形性能。

该文仪器采用应力控制型动态剪切流变仪，选择直径为25 mm的平行板夹具。测试荷载为100 Pa，测试原样TPS高粘沥青、KT1301高粘沥青、YS4303高粘沥青、YH791高粘沥青及其旋转薄膜烘箱老化和压力老化后沥青试样的蠕变恢复性能。

1.2 低温小梁弯曲蠕变

小梁弯曲流变试验是美国战略公路研究计划沥青性能评价方法的主要研究成果之一。对沥青低温抗裂性的评价一方面对低温下的蠕变劲度模量进行测试，另一方面考虑了沥青在低温下的松弛性能，计算了低温下蠕变劲度模量的增长速率。对沥青低温劲度模量、蠕变劲度模量的变化速率与沥青混合料低温抗裂性的相关性能的研究结果表明，两者之间具有很好的相关性。

沥青的低温小梁弯曲流变试验方法为在一定的温度条件下，对试件持续加载240 s，通过加载时间以及应变的相互关系，计算得到蠕变劲度模量S和变形速率m。在低温条件下，沥青的蠕变劲度模量越小，变形速率越大，沥青发生变形越容易，温度应力消散越快，沥青的低温抗裂性能越好。该文采用美国CANNON弯曲梁流变仪测试经压力老化后的TPS高粘沥青、KT1301高粘瀝青、YS4303高粘沥青、YH791高粘沥青，测试温度为−12 ℃。

1.3 高粘沥青动力黏度

粘度是对流体软硬程度的度量方法之一，在道路行业，粘度常用于表征沥青材料抵抗高温流动变形的能力。我国大部分区域在夏天高温季节路面温度在50～65 ℃之间。所以《公路沥青路面规范》规定采用60 ℃动力粘度作为评价沥青高温性能的指标。沥青材料60 ℃动力粘度采用真空减压毛细管法测试得到。动力粘度的获得是以沥青在标准的真空减压条件下流经特定尺寸的真空减压毛细管粘度计，通过计算粘度计系数与流动时间之间的关系，得到沥青材料的动力粘度。

1.4 Burgers模型

沥青是典型的粘弹性材料，沥青的应变包括了瞬时弹性变形、延迟弹性变形和粘性，变形三部分，其应力应变关系可采用包含了粘、弹、塑性原件的本构模型表示。通常，在力学模型中，材料的粘性和弹性变形分别采用粘壶和弹簧表征。用于计算沥青的蠕变关系的模型主要包括粘性变形和弹性变形的二原件模型（Maxwell模型、Kellvin模型），包括了粘性变形、弹性变形以及延迟弹性变形的三元件模型（Burger模型）等。Burgers模型由一个反映瞬时弹性变形的弹簧、一个不可恢复粘性变形的粘壶以及一个表示延迟弹性恢复的Kellvin模型串联组成。Burgers模型能够表征沥青的粘性、弹性和延迟弹性变形，可以更加全面地反映其粘弹性能。

2 高粘沥青蠕变—恢复特性

根据Superpave沥青结合料重复蠕变—恢复试验及数据拟合方法，该文采用重复蠕变—恢复试验中第50次和51次蠕变试验结果进行Burgers模型拟合，分析TPS高粘沥青、YS高粘沥青、KT高粘沥青以及D高粘沥青的高温黏弹性以及短期老化和长期老化对不同高粘沥青黏弹性的影响。其中，Burgers模型中代表瞬时弹性模量的参数0 G取经验值50 000 Pa，在此基础上，采用ORIGIN软件的分析拟合功能，将蠕变和时间分别作为应变量和自变量，带入Burgers模型，拟合得到其余参数。结果如表1所示。

分析表1中TPS高粘沥青、YS高粘沥青、KT高粘沥青以及D高粘沥青在老化前、短期老化以及压力老化后的粘弹性参数以及各参数的拟合标准差和方程拟合方差，可以看出，各参数的拟合标准差均小于拟合值的8%，而Burgers模型对蠕变曲线的拟合方差均大于0.997，说明Burgers模型对高粘沥青的蠕变拟合度较好。

对表1中代表高粘沥青高温抗剪切性能的指标的分析结果表明，在老化前，四种高粘沥青的η0的排序依次为KT高粘沥青、TPS高粘沥青、YS高粘沥青和D高粘沥青。Burgers模型的分析结果说明，在老化前四种高粘沥青中KT高粘沥青的抗永久变形能力最好，其次为TPS高粘沥青和YS高粘沥青，而D高粘沥青抵抗永久变形的能力最差，在经历短期老化后，TPS高粘沥青η0的值减小，而YS高粘沥青、KT高粘沥青、D高粘沥青η0的值则增大，四种高粘沥青抵抗永久变形的能力由大到小依次为D高粘沥青、KT高粘沥青、YS高粘沥青和TPS高粘沥青，这一排序与老化前相比有较大的变化。

高粘沥青在老化过程中既有沥青相的氧化缩合，又有改性剂相降解，其中沥青相的氧化缩合提高了高粘沥青抵抗永久变形的能力，而改性剂的降解则使高粘沥青抵抗永久变形的能力变差。该文采用SK90基质沥青制备四种高粘沥青，因此，可以认为四种高粘沥青中沥青相的氧化缩合程度是相同的。四种高粘沥青老化后抵抗高温变形性能的变化主要由聚合物改性剂的降解程度的差异造成。四种高粘沥青分别采用了TPS改性剂和三种不同性能的SBS改性剂，在老化后TPS高粘沥青和YS高粘沥青抵抗高温变形的能力大幅度降低，说明TPS和YS改性剂在老化中存在大幅度的降解，而KT和D改性剂降解程度相对较少。

3 高粘沥青低温蠕变特性

表2为TPS高粘沥青、YS高粘沥青、KT高粘沥青以及D高粘沥青经历短期老化以及压力老化后的在−6 ℃、?12 ℃、−18 ℃以及−24 ℃的弯曲梁流变试验所获得的劲度模量值和蠕变变形速率值。从表2可以看出，四种高粘沥青在低温下的劲度模量均随着测试温度的降低迅速增大，而蠕变变形速率值则随着测试温度的降低逐渐下降。说明四种高粘沥青抵抗低温开裂的能力以及温度应力松弛的能力均随着环境温度的降低而劣化，温度越低，超薄磨耗层越容易发生温缩开裂。

根据SHRP对沥青低温PG等级的规定（某一温度下劲度模量<300 MPa、蠕变变形速率>0.3），对比TPS高粘沥青、YS高粘沥青、KT高粘沥青以及D高粘沥青的蠕变变形速率m值和劲度模量S值可以发现，当测试温度相同的条件下，TPS高粘沥青的蠕变变形速率m值最小、而劲度模量S值最大，其次为YS高粘沥青;而KT高粘沥青以及D高粘沥青均表现出较高的蠕变变形速率m值和较小的劲度模量S值。而YS高粘沥青和TPS高粘沥青的低温抗裂性能较差。

4 高粘沥青60 ℃黏度

Superpave对沥青结合料高温性能评价指标与路面车辙之间相互关系的研究结果表明，软化点、车辙因子、针入度、60 ℃动力粘度以及135 ℃运动粘度等与车辙相关性大小的排序依次为：60 ℃粘度>软化点>车辙因子>针入度>135 ℃粘度，说明采用60 ℃粘度评估沥青高温抗剪切变形能力比软化点等指标更加合理。因此，该文采用60 ℃动力粘度评价四种高粘沥青在旋转薄膜烘箱老化以及压力老化后的高温变形特性。结果如表3所示。

分析表3，对比老化前四种高粘沥青的60 ℃粘度发现，四种高粘沥青抵抗高温剪切变形的排序由大到小依次为TPS高粘沥青>KT高粘沥青>YS高粘沥青>D高粘沥青，TPS高粘沥青由于其中大量的SEBS和SBS聚合物改性剂的存在，细碎的改性剂分散在沥青中一方面吸收沥青中的轻质组分，使改性沥青中沥青相中轻质组分的含量减小，沥青相整体相对分子量提高，宏观表现为沥青的粘度大幅度增加;另一方面，大量的改性剂通过剪切以细小的颗粒分散在沥青中，形成空间网络结构，提高了沥青抵抗变形的能力，使得TPS高粘沥青表现出优于其余三种高粘沥青的高温抗变形特性。而另外三种高粘沥青中高掺量的SBS改性剂同样提高了沥青的高温粘度，但不同来源的改性剂对沥青粘度的提高程度存在显著的差异，其中以KT高粘沥青的60 ℃粘度最大，而D6302高粘沥青60 ℃粘度最小。

从沥青抵抗高温变形的角度分析，高粘沥青在热、氧老化过程中存在两种截然相反的性能变化过程，老化使高粘沥青中沥青相发生氧化缩合，沥青相中轻质组分的含量减少，沥青相粘度增加;而改性剂相则在老化过程中不饱和双键断裂，改性剂相的相对分子质量减小，导致高粘沥青的粘度降低。KT高粘沥青和D6302高粘沥青老化后粘度进一步提高，说明这两种高粘沥青在老化中以沥青相的氧化缩合为主，改性剂的降解较少;而YS4303和TPS高粘沥青在老化后粘度大幅度降低，说明这两种高粘沥青的老化以改性剂的降解为主。

与短期老化前相比，四种高粘沥青在经历长期老化后60 ℃粘度有些许上升，说明高粘沥青在长期老化以沥青相的氧化缩合为主。PAV老化温度为100 ℃，在此温度下，改性剂的降解并不显著，而沥青相有略微的老化。

5 结论

（1）压力老化后四种高粘沥青抵抗永久变形的能力均较短期老化后有一定程度的提高，四种高粘沥青的排序依次为D高粘沥青、KT高粘沥青、YS高粘沥青和TPS高粘沥青，这一排序与短期老化后的完全一致，说明PAV老化中四种聚合物改性剂对高粘沥青抵抗永久变形的影响较小。

（2）四种高粘沥青中KT高粘沥青和D高粘沥青的低温抗裂性能最好，且两者的蠕变变形速率和劲度模量值接近;而YS高粘沥青和TPS高粘沥青的低温抗裂性能较差。根据SHRP对沥青低温PG等级的规定，YS高粘沥青、KT高粘沥青和D高粘沥青满足PG-28技术标准，而TPS高粘沥青则满足PG-22技术标准。

（3）不同来源的改性剂对沥青粘度的提高程度存在显著的差异，其中以KT高粘沥青的60 ℃粘度最大，而D6302高粘沥青60 ℃粘度最小;老化后TPS高粘沥青和YS高粘沥青老化后的粘度值较老化前有大幅度的降低，KT高粘沥青老化后60 ℃粘度较老化前略有升高，而D高粘沥青的60 ℃粘度则大幅度增长，增长率达50%。

参考文献

[1]常逢奇. 超薄磨耗层用高粘沥青性能研究[D]. 西安：长安大学， 2020.

[2]张金生， 马丽莉， 陈奕辛. 高粘沥青与沥青混合料性能对比研究[J]. 四川水泥， 2020（2）： 313-314.