荔玉高速公路瀝青路面結(jié)合料SHRP試驗研究

劉宏昌

摘要：為選擇能適應和滿足高速公路瀝青路面技術(shù)要求的瀝青結(jié)合料，文章結(jié)合工程實際，通過對兩種基質(zhì)瀝青和兩種改性瀝青進行SHRP試驗對比研究，采用PG分級標準和旋轉(zhuǎn)黏度試驗相結(jié)合的方法來優(yōu)化和選擇瀝青結(jié)合料種類，用于指導現(xiàn)場施工，并為后續(xù)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;PG分級;車轍因子;相位角;旋轉(zhuǎn)黏度試驗

0 引言

廣西荔浦至玉林高速公路采用瀝青路面結(jié)構(gòu)，70 #瀝青均采用殼牌，選取兩個供應商：中遠海運國際貿(mào)易有限公司和廣西國創(chuàng)道路材料有限公司;改性劑為同一種線型SBS改性劑，生產(chǎn)廠家為中國石化集團資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司巴陵石化分公司。本文對兩家供應商所提供的70 #瀝青以及以這兩種70 #瀝青為基質(zhì)瀝青所生產(chǎn)的SBS改性瀝青開展了SHRP試驗和旋轉(zhuǎn)黏度試驗，并通過試驗提出一些指導后續(xù)施工的建議。

1 試驗準備

1.1 SHRP試驗簡介

美國運輸部聯(lián)邦公路總署于1982年委托國家研究中心所屬的交通運輸部開展戰(zhàn)略公路研究計劃（Strategic Highway Research Programe，SHRP），以推進道路工程的研究工作，改善其國家道路的使用性能和耐久性。主要的研究內(nèi)容包括公路運營、混凝土與結(jié)構(gòu)、瀝青、路面長期性能。其中，瀝青專項研究花費了大約5 000萬美元的經(jīng)費，最終形成了按性能分級（Performance Graded）的道路瀝青技術(shù)規(guī)范，PG分級的簡稱也由此而來。PG分級的核心為將瀝青材料的粘彈性能用流變學指標進行量化，并選用與路面實際溫度匹配的高溫、中溫、低溫分別測試瀝青流變性能，以評價瀝青是否具有合適的高溫性能、疲勞性能和低溫性能。

美國SHRP規(guī)范采用動態(tài)剪切流變試驗獲取瀝青的高溫分級和中溫分級，以低溫彎曲蠕變試驗獲得瀝青的低溫分級。瀝青高溫分級要求所分級溫度下原樣瀝青的G·sinδ≥1.0 kPa，短期老化后的瀝青G·sinδ≥2.2 kPa;瀝青中溫分級要求所分級溫度下G·sinδ≤5 000 kPa;瀝青低溫分級要求所分級溫度下瀝青S值≤300 MPa，m值≥0.3。

PG性能分級可以將瀝青分為7個等級以及21個亞級，其中7個等級分別是PG46、PG52、PG58、PG64、PG70、PG76以及PG82，亞級從-10°～-46°，每6°一檔。

1.2 試驗條件

測試瀝青高溫分級溫度時，采用溫度掃描試驗，基質(zhì)瀝青從52 ℃到82 ℃，改性瀝青從52 ℃到88 ℃，角速度為10 rad/s，短期老化采用RTFOT，短期老化時間為85 min，老化溫度為163 ℃。測試瀝青中溫分級溫度時，試樣狀態(tài)為經(jīng)過短期老化以及PAV老化的瀝青，PAV溫度為100 ℃，PAV老化時長為20 h。中溫分級采用溫度掃描試驗，掃描區(qū)間為19 ℃～33 ℃。測試瀝青低溫分級溫度時，測試溫度為-12 ℃和-18 ℃，在相應的測試溫度下保溫1 h后開始試驗。

1.3 取樣編號

廣西荔浦至玉林高速公路采用瀝青路面結(jié)構(gòu)，70 #瀝青均采用殼牌并選取兩個供應商，分別為中遠海運國際貿(mào)易有限公司（以下簡稱中遠）和廣西國創(chuàng)道路材料有限公司（以下簡稱國創(chuàng)），改性劑為線型SBS改性劑，生產(chǎn)廠家為中國石化集團資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司巴陵石化分公司。對中遠和國創(chuàng)所提供的基質(zhì)瀝青分別編號為ZY-70 #和GC-70 #，以上述兩個供應商所提供的70 #瀝青為基質(zhì)瀝青生產(chǎn)的SBS改性瀝青分別編號為ZY-SBS、GC-SBS。以ZY-70 #為例，原樣狀態(tài)編號為ZY-70 #-O，短期老化狀態(tài)編號為ZY-70 #-R，長期老化狀態(tài)編號為ZY-70 #-P。

2 PG分級試驗及結(jié)果分析

2.1 高溫PG分級試驗及結(jié)果分析

高溫PG分級以車轍因子G*·sinδ為評價指標，要求分級溫度下原樣瀝青G*·sinδ≥1.0 kPa，短期老化瀝青G*·sinδ≥2.2 kPa。但是，相位角δ對區(qū)分瀝青黏性成分和彈性成分有一定參考意義，同樣是一個值得討論的指標，因此本文將車轍因子G*·sinδ和相位角δ試驗結(jié)果列于表1和表2，相關(guān)分析見后文。

相位角結(jié)果列于表2，由于變化規(guī)律較為模糊，將其繪制于圖1中。

從表1可以看出，國創(chuàng)70 #瀝青高溫PG分級比中遠70 #瀝青高一個等級，以國創(chuàng)70 #瀝青為基質(zhì)瀝青所生產(chǎn)的SBS改性瀝青也比以中遠70 #瀝青為基質(zhì)瀝青生產(chǎn)的SBS改性瀝青高一個等級。因此，從高溫PG分級的角度來看，國創(chuàng)70 #基質(zhì)瀝青優(yōu)于中遠70 #基質(zhì)瀝青。

從表2和圖1可以得出結(jié)論：無論原樣狀態(tài)還是短期老化狀態(tài)，基質(zhì)瀝青的相位角均大于SBS改性瀝青，這表明改性劑的加入使得瀝青結(jié)合料黏性狀態(tài)往彈性狀態(tài)變化，其彈性性能得到改善，更加有利于瀝青適應高溫重載車輛的作用。

同時，基質(zhì)瀝青的相位角變化規(guī)律十分明顯，均為隨著溫度增加而不斷增加，證明高溫容易導致基質(zhì)瀝青彈性性能下降，基質(zhì)瀝青在高溫作用下其抗剪切性能依靠瀝青的黏性性能。由于高溫下基質(zhì)瀝青黏度較小，由基質(zhì)瀝青所膠結(jié)的混合料在車輛荷載下易于發(fā)生剪切破壞。此外，SBS改性瀝青相位角隨溫度變化幾乎很小，原樣狀態(tài)中遠SBS改性瀝青和國創(chuàng)SBS改性瀝青相位角隨溫度增加反而有下降趨勢，短期老化之后，該現(xiàn)象便消失了。原因在于原樣狀態(tài)的SBS改性瀝青隨溫度變化，其粘彈性能變化規(guī)律復雜;而經(jīng)過短期老化之后，SBS改性瀝青性能更加穩(wěn)定，其黏性成分和彈性成分趨于固定，隨溫度變化，相位角也因此而沒有太大變化。

2.2 中溫PG分級試驗及結(jié)果分析

中溫PG分級結(jié)果見表3。從表3可以得出結(jié)論：四種瀝青的中溫PG分級均為22 ℃，以19 ℃和22 ℃下的疲勞因子G*·sinδ來看，基質(zhì)瀝青略優(yōu)于改性瀝青。至于國創(chuàng)和中遠基質(zhì)瀝青孰優(yōu)孰劣并不能有明確結(jié)論?？紤]到疲勞因子評價瀝青的疲勞性能尚有較大爭議，本文僅將結(jié)果列于此處，若需要進一步研究國創(chuàng)和中遠基質(zhì)瀝青的疲勞性能，需要引入其他瀝青疲勞性能指標，或以混合料疲勞性能結(jié)果為準。

2.3 低溫PG分級試驗及結(jié)果分析

PG分級的低溫等級每6 ℃設1檔，處于同一檔的兩種瀝青的低溫性能可能會存在一定差異。因此，參照ASTM D 7643-10，使用PG連續(xù)分級溫度Tc來評價基質(zhì)瀝青和改性瀝青的低溫抗裂性能。ASTMD 7643-10通過測試不同溫度下瀝青膠結(jié)料的特定性能指標值，再通過插值來確定連續(xù)分級溫度Tc。對于S值，其插值公式見式（1）～（2）：

從表4可以得出結(jié)論：中遠基質(zhì)瀝青的低溫性能略好于國創(chuàng)基質(zhì)瀝青，而國創(chuàng)SBS改性瀝青低溫性能略優(yōu)于中遠SBS改性瀝青。由于差距較小，在5%

范圍內(nèi)，考慮到試驗誤差，上述的結(jié)論并不能證明國創(chuàng)與中遠基質(zhì)瀝青的低溫性能孰優(yōu)孰劣。建議對其開展進一步研究，以混合料的低溫性能試驗為準。

3 布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗及結(jié)果分析

對基質(zhì)瀝青開展135 ℃和175 ℃旋轉(zhuǎn)黏度試驗，試驗結(jié)果見表5。本試驗選取S21號轉(zhuǎn)子，135 ℃時轉(zhuǎn)子速率為20 r/min，175 ℃時轉(zhuǎn)子速率為100 r/min。

對黏度取對數(shù)，以溫度為自變量，黏度的對數(shù)值為因變量，求得國創(chuàng)基質(zhì)瀝青的黏溫曲線關(guān)系為lgη=-0.018 1 t+2.194 1，中遠為lgη=-0.017 0 t+2.016 1。經(jīng)計算可得中遠70 #基質(zhì)瀝青的拌和溫度為160.6 ℃～166.7 ℃，碾壓溫度為149.0 ℃～152.6 ℃;國創(chuàng)70 #基質(zhì)瀝青拌和溫度為161.4 ℃～167.1 ℃，碾壓溫度為150.4 ℃～153.9 ℃。雖同為殼牌70 #-A級基質(zhì)瀝青，但國創(chuàng)拌和、碾壓溫度略高于中遠。

開展SBS改性瀝青135 ℃和175 ℃溫度條件下的旋轉(zhuǎn)黏度試驗，試驗結(jié)果見后頁表6。本試驗選取S27號轉(zhuǎn)子，135 ℃時轉(zhuǎn)子速率為20 r/min，175 ℃時轉(zhuǎn)子速率為100 r/min。

根據(jù)黏溫曲線的關(guān)系，對黏度（單位Pa·s）取對數(shù)，求兩種改性瀝青回歸方程?；|(zhì)瀝青為國創(chuàng)時，改性瀝青黏溫曲線關(guān)系如下：lgη=-0.019 1 t+3.072 5;基質(zhì)瀝青為中遠時，改性瀝青黏溫曲線關(guān)系如下：lgη=-0.020 35 t+3.211 25。

由表6可知：（1）由國創(chuàng)基質(zhì)瀝青生產(chǎn)的SBS改性瀝青135 ℃動力黏度>3 Pa·s，大于規(guī)范要求;（2）采用布洛克菲爾德黏度計旋轉(zhuǎn)法測定45 ℃以上的表觀黏度，反映瀝青不同溫度下的黏度，試驗結(jié)果表明同等溫度條件下由國創(chuàng)基質(zhì)瀝青生產(chǎn)的SBS改性瀝青黏度大于中遠生產(chǎn)的改性瀝青;（3）由于國內(nèi)外對于采用本方法確定改性瀝青拌和和壓實溫度存在不同看法，且通過黏溫曲線計算所的拌和、碾壓溫度范圍明顯高于施工規(guī)范的推薦值，建議按施工規(guī)范推薦溫度施工，在相同生產(chǎn)和碾壓機械配置條件下，可適當降低中遠生產(chǎn)的改性瀝青的拌和、碾壓溫度。

4 結(jié)語

本文對國創(chuàng)和中遠所提供的70 #瀝青以及基于這兩種瀝青為基質(zhì)瀝青所生產(chǎn)的SBS改性瀝青開展了SHRP試驗，包括高溫、中溫、低溫PG分級試驗以及布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗，最終得出結(jié)論：

（1）從高溫PG分級的角度來看，國創(chuàng)70 #基質(zhì)瀝青優(yōu)于中遠70 #基質(zhì)瀝青，以其為基質(zhì)瀝青所生產(chǎn)的SBS改性瀝青有同樣規(guī)律。

（2）中溫分級和低溫分級，國創(chuàng)70 #瀝青與中遠70 #瀝青無明顯差別，國創(chuàng)SBS改性瀝青與中遠SBS改性瀝青同樣差距較小。

（3）國創(chuàng)70 #瀝青拌和、碾壓溫度略高于中遠70 #瀝青。同樣溫度條件，國創(chuàng)SBS改性瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度高于中遠SBS改性瀝青。因此，從施工角度看，國創(chuàng)SBS改性瀝青更加不易壓實，建議加強碾壓控制，以保證路面壓實度。

參考文獻：

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