高模量改性沥青胶结料和混合料的高温性能研究

关志娟，刘新海，李善强，吴传海，许新权，成尚锋

(1.广东交通实业投资有限公司，广州 510623；2.广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

沥青路面在高温重载服役状态下容易发生车辙病害，轻则影响行车舒适性，重则甚至会影响行车安全。由于高模量改性沥青(high modulus modified asphalt，HMMA)具有突出的高温性能[1-3]，采用高模量沥青混合料(high modular asphalt mixture，HM)铺筑沥青路面，能够有效解决或缓解车辙问题[4-6]。赵立东、李纯[1-2]研究HMMA的流变性能发现具有硬质沥青的特性，复数模量、G*/sinδ等高温流变性能指标明显大于SBS改性沥青。韩冰等[3]阐述了国内HM结合料的研究进展，为指导HM结合料的选用及性能检验提供了参考，但未对HM的性能检验及要求展开论述。董海军、黄新颜、李彩霞[3-6]等人针对高模量剂种类、掺量以及胶结料种类等影响因素，研究了HM路用性能以及其适用场合，发现HM具有优良的高温稳定性能。

众多学者分别单独从HMMA和HM两方面研究了高模量改性沥青的高温性能，但鲜有研究对HMMA和HM的高温性能评价结果一致性进行探讨。本文以70#沥青和SBS改性沥青作为参照对象，采用动态剪切流变仪对自制的RK300-HMMA高温流变特性进行对比研究，并通过混合料的高温稳定性试验对胶结料的高温流变试验评价结果进行验证，最后分析了高温状态下HMMA和HM各性能指标评价结果之间的一致性，为后续建立高模量改性沥青胶结料与混合料高温性能各评价指标之间的换算关系提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 高模量改性剂

高模量改性剂采用东莞某公司生产的RK300。RK300为橡胶组分和塑料组分按一定比例熔融混合并添加少量助剂形成的橡塑合金，其基本指标见表1，满足GB/T 3682-2000的使用要求。

1.1.2 沥青

1.1.2.1 70#沥青与SBS改性沥青

70#沥青和SBS(I-D)改性沥青的高温PG等级分别为64 ℃、76 ℃。两者的主要性能指标见表2，满足规范JTG F40-2004的使用要求。

1.1.2.2 RK300-HMMA

前期研究表明RK300在沥青混合料中的外掺量为0.4%(质量百分比，后文掺量如无特殊说明均为质量百分比)时改性效果较好[7]。沥青混合料油石比为4.5%时，RK300在沥青中的掺量为9.0%。

表1 RK300高模量改性剂技术指标

表2 沥青的主要性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 RK300-HMMA制备方法

RK300-HMMA室内使用布鲁克高速剪切乳化机制备。基本步骤：(1)70#沥青于140 ℃烘箱加热至熔融状态。(2)用不锈钢杯称取400 g基质沥青作为母体沥青，再称取36 g RK300高模量剂，然后将RK300分批缓慢加入沥青中，设置2 000 r/min搅拌直至RK300完全溶解。(3)调整为5 000 r/min继续快速搅拌45 min，再移至170 ℃烘箱中保温静置发育2.5 h后，得到RK300-HMMA。

1.2.2 胶结料流变特性试验方法

沥青是一种粘弹性材料，其流变特性随温度变化而发生改变，业内学者常用动态力学分析方法研究沥青材料的流变性能[8-10]。胶结料试验采用的Kinexus超级旋转流变仪如图1所示。为与混合料试验保持一致，胶结料流变试验均采用未老化的原样沥青制样。

图1 Kinexus超级旋转流变仪

1.2.2.1 温度扫描试验

试验采用直径25 mm的平行板，板间间隔1 mm，采用12%恒定应变控制动态加载模式，加载频率为10 rad/s。试验温度间隔为6 ℃，RK300-HMMA和SBS改性沥青的试验起始温度为64 ℃，70#沥青的试验起始温度为58 ℃，当车辙因子(G*/sinδ)<1时停止试验。流变性能评价指标为复数模量(G*)、相位角(δ)和G*/sinδ。

1.2.2.2 多应力蠕变恢复试验

多应力蠕变恢复(Multi-stress creep recovery,MSCR)试验方法参照AASHTO T 350-14[11]，试验温度设置为60 ℃，先后分别施加0.1 kPa和3.2 kPa两个应力，每级应力水平均采用加载1 s，卸载9 s的工作模式作用10个循环，试验时间为200 s。流变性能评价指标为剪切应变(S)、蠕变恢复率(R)和不可恢复蠕变柔量(Jnr)。

1.2.3 混合料高温性能验证试验方法

混合料试验使用的级配见表3，油石比为4.5%，内掺1%水泥。分别参照规范JTG E 20-2019 、JTG D 50-2017进行车辙试验和单轴贯入试验。

表3 GAC-20C型沥青混凝土级配

2 沥青胶结料的高温流变特性

2.1 车辙因子

G*/sinδ随温度的变化曲线如图2所示。

图2 车辙因子随温度的变化曲线

由图2可知，G*/sinδ随温度的升高而减小，相同温度下G*/sinδ排序：RK300-HMMA>SBS改性沥青>70#沥青。在单对数坐标轴下，lg(G*/sinδ)与温度之间的关系可用lg(G*/sinδ)=aT+b来表示，T代表温度，a,b是拟合参数，线性回归关系式如表4所示。

表4 lg(G*/sinδ)与T的线性回归关系式

a的绝对值大小可以用来表示沥青的温度敏感性，其值越大表明沥青胶结料的性能对温度变化越为敏感[6，9]。70#沥青a的绝对值最大，其性能对温度变化最为敏感。RK300-HMMA与SBS改性沥青回归曲线的斜率基本一致，表明两者的温度敏感性相当。Sam.等人[12]将未老化沥青G*/sinδ等于1.1 kPa时的温度定义为等车辙因子临界温度Tc，Tc越高，沥青的高温性能越好。Tc排序：RK300高模量改性沥青(107.5 ℃)>SBS改性沥青(90.4 ℃)>70#沥青(65.3 ℃)。外掺0.9%RK300高模量剂使得70#沥青的Tc增加42.2 ℃，高温PG分级提高六个等级，同时降低了70#沥青的温度敏感性。G*/sinδ反映了RK300-HMMA的高温性能优于SBS改性沥青。

2.2 相位角

相位角δ是反映沥青胶结料弹性性能和粘性性能比例的指标，δ越大，表示粘性性能越强，弹性性能越弱[6，9]。δ随温度的变化曲线如图3所示。

图3 相位角随温度的变化曲线

由图3可知，相同温度下，70#沥青δ最大，且远大于RK300-HMMA和SBS改性沥青。64 ℃和70 ℃温度下，RK300-HMMA的δ比70#沥青减小了约25°，表明掺加RK300高模量剂显著增强了70#沥青的高温弹性变形性能。RK300颗粒经剪切、发育后，吸收了沥青中的部分轻质组分。新形成的改性剂-沥青界面层与聚合物链段-沥青空间网络结构[7，13]，限制了沥青分子的移动，使得沥青的高温抗变形能力增强。64 ℃～94 ℃时，RK300-HMMA的δ大于SBS改性沥青，表明RK300-HMMA的高温弹性变形性能不如SBS改性沥青。

2.3 剪切应变

剪切应变S与时间的变化曲线如图4所示。

图4 60 ℃剪切应变与时间的变化曲线

由图4a可知，RK300-HMMA在单个加载周期内产生的剪切应变与200 s累积残留剪切应变均为最小。70#沥青单个加载周期产生的剪切应变最大，且在加载应力卸载后基本未恢复导致随加载次数逐渐累积，200 s累积残留剪切应变最大。RK300-HMMA单个加载周期产生的剪切应变大大减小。这是因为RK300加入70#沥青后，新形成的改性剂-沥青界面层与聚合物链段-沥青空间网络结构提高了70#沥青的高温抗变形能力。

由图4b可知，RK300-HMMA与SBS改性沥青在0.1 kPa加载应力下剪切应变的增长幅度基本一致，在3.2 kPa加载应力卸载后的剪切应变恢复能力弱于SBS改性沥青，但200 s累积残留剪切应变比SBS改性沥青小。这是因为RK300-HMMA的劲度模量较大，单个加载周期内产生的剪切应变更小。200 s内RK300-HMMA产生的累积残留剪切应变比SBS改性沥青小100%，表明前者的高温性能更突出。

2.4 蠕变恢复性能参数

胶结料60 ℃的蠕变恢复性能参数汇总如表5所示。

表5 蠕变恢复性能参数

由表5可知，0.1 kPa加载应力水平下，R0.1kPa排序RK300-HMMA>SBS改性沥青>70#沥青；而在3.2 kPa加载应力水平下，R3.2kPa排序SBS改性沥青>RK300-HMMA>70#沥青。虽然不同应力水平下RK300-HMMA与SBS改性沥青的R排序有所区别，但RK300-HMMA的蠕变恢复率远大于70#沥青，说明经RK300改性后70#沥青的蠕变过程弹性变形恢复能力有显著地提高。0.1 kPa与3.2 kPa加载应力水平下，三种沥青胶结料Jnr排序均为RK300-HMMA

3 沥青混合料的高温稳定性能

采用车辙试验和单轴贯入试验结果进行验证，探究混合料高温稳定性试验评价结果与胶结料高温流变试验评价结果的一致性。

3.1 动稳定度

动稳定度(DS)是评价沥青混合料高温性能的常用指标。规范JTG F40-2004指出，夏季炎热且重载交通较大的地区可适当提高试验温度或加大试验荷载，以合理地对设计的沥青混合料高温稳定性能进行验证。基于广东省沥青路面路表最高温度接近70 ℃和重载货车占比高的实际情况[14-15]，本文将试验温度由60 ℃提高至70 ℃，轮压由0.7 MPa增加至0.9 MPa进行车辙试验，不同试验条件下的DS如图5所示。

图5 车辙试验结果

由图5可知，三种沥青混合料DS排序RK300-HMMA>SBS改性沥青>70#沥青。60 ℃温度+轮压0.7 MPa条件下，RK300-HMMA的DS分别是70#沥青混合料和SBS改性沥青混合料的6.79倍和1.29倍。70 ℃温度+0.9 MPa轮压条件下，RK300-HMMA的DS分别是70#沥青混合料和SBS改性沥青混合料的12.39倍和1.37倍。试验温度由60 ℃提高至70 ℃，轮压由0.7 MPa增加至0.9 MPa时，RK300-HMMA的DS从1 2670次/mm降到2 886次/mm，仍满足JTG F40-2004表5.3.4-1中1-4气候分区改性沥青混合料动稳定度不小于2 800次/mm的要求，表明其在重载条件下仍具有优良的高温稳定性能。

3.2 单轴贯入强度

单轴贯入试验的应力加载模式与实际荷载作用下的受力模式相一致，可用来评价混合料的高温抗剪切性能[16]。本文单轴贯入试验温度采用60 ℃，试验结果见表6。

表6 单轴贯入试验结果

3.3 高温性能评价结果一致性分析

4 结论

(1)与70#沥青相比，RK300-HMMA的Tc增加42.2 ℃，高温PG分级提高六个等级。外掺质量分数0.9%的RK300可显著增大70#沥青的G*/sinδ、Tc与R，减小δ、S与Jnr，改善70#沥青的高温性能。

(2)0.9%RK300-HMMA的温度敏感性与SBS改性沥青基本相当。G*/sinδ、Tc、S与Jnr等指标表明RK300-HMMA的综合高温性能优于SBS改性沥青，而δ和R3.2kPa表明RK300-HMMA的高温弹性变形能力不如SBS改性沥青。