董元帥，曹東偉，劉清泉，張艷君，侯 蕓

（1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097；4.中國交建公路路面養(yǎng)護技術(shù)研發(fā)中心，北京 100083）

傳統(tǒng)的瀝青路面維修方法，維修時間長，需要多種施工機械相互協(xié)作，這嚴重干擾了道路交通，加重了道路的堵塞程度，影響了人們的出行及安全.對于城市道路的修復(fù)，為了避免道路維修對交通產(chǎn)生不利影響，一般多采用夜晚施工，施工時間從封閉交通開始至解除交通封閉只有6h左右，這雖然可以緩解道路維修對交通產(chǎn)生的壓力，但仍然會對施工人員和周圍居民產(chǎn)生一定的不利影響，同時使施工質(zhì)量變異性增大.

針對這一問題，荷蘭公共設(shè)施和水利工程管理局在一項持續(xù)至今的“Roads to the Future”研究計劃中提供了一種全新的技術(shù)路線，即在工廠內(nèi)預(yù)制可卷曲瀝青路面（Rollpave）鋪裝層，施工時則在現(xiàn)場如鋪地毯一樣鋪設(shè)安裝瀝青路面（見圖1），從而快速完成路面維修作業(yè)并迅速開放交通［1－2］.

圖1 Rollpave施工圖Fig.1 Rollpave construction

從2001年起，Dura Vermeer－Intron 公司和代爾夫特大學(xué)先后在荷蘭De Brink附近的A50公路、Hengelo附近的A35 公路鋪筑了多條Rollpave試驗段.但由于預(yù)制瀝青路面的瀝青膠結(jié)料力學(xué)性能較差，該技術(shù)在荷蘭基本停留在研發(fā)階段，沒有大面積應(yīng)用［3－4］.除荷蘭外，未見其他國家有相關(guān)報道.本文借鑒了Rollpave研發(fā)思路，開發(fā)了Rollpave專用改性瀝青（以下簡稱為專用改性瀝青），測試了其路用性能，并與其他瀝青路用性能相對比，以為預(yù)制瀝青路面的發(fā)展提供技術(shù)支持.

1 試驗材料與試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

基質(zhì)瀝青：SK－70瀝青；高分子改性劑：自行研發(fā)的Rollpave專用粒子GTA（乙烯－醋酸乙烯酯共聚物）和SBS顆粒；軟化劑：糠醛抽出油、環(huán)烷復(fù)合油；助劑：增塑劑A（碳五石油樹脂）和相容穩(wěn)定劑B（硫）.

1.2 改性瀝青研發(fā)思路

常溫或較低溫度（0～30℃）條件下，為確保瀝青混合料在卷曲的過程中不開裂，其瀝青膠結(jié)料需具備足夠的柔韌性.常規(guī)改性瀝青設(shè)計思想為將高分子改性劑添加到瀝青中并加入相容穩(wěn)定劑，使高分子材料成為均勻、穩(wěn)定的分散相［5－6］.在溫度較低時，基質(zhì)瀝青呈脆性，既不柔韌也無強度，作為分散相的高分子材料（如硫化橡膠和乙烯類塑料等）無法充分發(fā)揮自身良好的柔順性和韌性.因此這種改性瀝青體系不適用于對瀝青柔韌性有更高要求的可卷曲瀝青路面.

為充分發(fā)揮高分子改性劑的作用，可增加高分子改性劑的摻量，使得高分子材料形成連續(xù)相，而瀝青則以充油和／或分散狀態(tài)參與其中.這樣制備的改性瀝青才能保證瀝青混合料具有足夠柔韌性，能夠類似于地毯一樣的卷鋪，同時又能具有良好的力學(xué)性能.

1.3 專用改性瀝青制備工藝

在專用改性瀝青制備過程中采取了加熱瀝青、添加軟化劑和強力剪切攪拌等步驟，以解決自行研發(fā)的專用粒子GTA 和SBS顆粒在瀝青中的分散問題.專用改性瀝青制備步驟如下：

（1）將一定劑量的SBS 顆粒、環(huán)烷復(fù)合油與加熱至軟化流動狀態(tài)的500g基質(zhì)瀝青拌和攪勻，然后在170～180℃下用高速剪切機剪切10min，剪切速率為5 000r／min；

（2）將一定劑量的專用粒子GTA、糠醛抽出油與步驟（1）制備的改性瀝青拌和攪勻，然后在170～180℃下用高速剪切機以5 000r／min 速度剪切20min，使專用粒子GTA 充分溶脹；

（3）依次加入一定劑量的增塑劑A 和相容穩(wěn)定劑B，然后在180 ℃下再剪切30 min，剪切速率為5 000r／min；

（4）將步驟（3）制備的改性瀝青置于165℃的烘箱中發(fā)育30min，便得到專用改性瀝青.

1.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

使用蔡司Axio Vert光學(xué)顯微鏡觀察不同高分子改性劑摻量（質(zhì)量分數(shù)）的改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖2（a）～（c）.

由圖2（a）可以看出，當(dāng)SBS和GTA 復(fù)配改性劑總摻量為8%時，瀝青（深色）呈連續(xù)相，高分子改性劑（淺色）分散在瀝青當(dāng)中，且部分開始聚集，形成半連續(xù)相.由圖2（b）可以看出，當(dāng)SBS和GTA 復(fù)配改性劑總摻量增至10%時，高分子改性劑已經(jīng)完全呈連續(xù)相，而瀝青作為分散相存在.由圖2（c）可以看出，隨著SBS和GTA 復(fù)配改性劑總摻量進一步增加，高分子改性劑連續(xù)相面積增大，瀝青分散相面積減小.

本文選擇5%SBS＋7%GTA 復(fù)配改性劑制備專用改性瀝青.

圖2 不同高分子改性劑摻量的改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microscopic morphologies of modified asphalts with different polymer modifier's contents（by mass）

1.5 路用性能評價

本文依照有關(guān)規(guī)程［7］進行了瀝青的三大性能指標試驗，測得了瀝青的針入度（15，25，30 ℃）、延度（5℃）及軟化點.以瀝青針入度（15，25，30℃）作為其感溫性的評價指標，以瀝青延度（5 ℃）作為其低溫性能的評價指標，以瀝青軟化點作為其高溫性能的評價指標.依據(jù)有關(guān)規(guī)程［7］測試了瀝青的135，175℃布氏黏度并以此來評價瀝青的黏溫流變特性［6］.

根據(jù)有關(guān)規(guī)程［7］的要求，利用DSR 試驗（動態(tài)剪切流變試驗）測試原樣瀝青和經(jīng)瀝青薄膜烘箱（RTFOT）老化瀝青的動態(tài)剪切模量G＊和相位角δ，以原樣瀝青的抗車轍因子G＊／sinδ＞1.0kPa，老化瀝青的抗車轍因子G＊／sinδ＞2.2kPa來表征瀝青的高溫性能；利用BBR 試驗（低溫彎曲蠕變試驗）測試原樣瀝青和經(jīng)壓力老化（PAV）瀝青的蠕變勁度S 和蠕變速率m，以60s時的S＜300MPa，m＞0.3s－1來表征瀝青的低溫性能［6－8］.

按照1.3節(jié)步驟制備專用改性瀝青（復(fù)配改性劑為5%SBS＋7%GTA），然后進行各種路用性能試驗測試，比較專用改性瀝青與基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的路用性能差異.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 瀝青三大性能指標試驗結(jié)果

3種瀝青的三大性能指標試驗結(jié)果見表1.由表1可以看出，相比基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青由于SBS的摻入使得其軟化點和延度（5℃）均有提高，針入度（25℃）降低.專用改性瀝青中含有5%SBS，其三大性能指標變化規(guī)律理應(yīng)和SBS改性瀝青一樣，然而7%GTA 的摻入使得其針入度（25℃）與基質(zhì)瀝青基本相同，軟化點和延度（5℃）卻遠遠高于基質(zhì)瀝青.專用改性瀝青的軟化點（表征高溫性能）較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別提高了2.21 倍和1.86倍.由于當(dāng)延度（5℃）測試到61.8cm 時，專用改性瀝青與端模脫離而非在試模中間發(fā)生斷裂（見圖3），故專用改性瀝青延度（5℃，表征低溫性能）分別較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青至少提高了14.71倍和2.59倍.專用改性瀝青的針入度（25℃）并沒有因為改性劑的添加而升高，表明其勁度模量水平與基質(zhì)瀝青相同.

表1 瀝青三大性能指標試驗結(jié)果Table 1 Experiment results of three performance indicators of asphalts

圖3 專用改性瀝青脫模示意圖Fig.3 Schematic drawing of dedicated modified asphalt demolding

2.2 布氏黏度試驗結(jié)果

采用Brookfield V6.3型黏度計測試瀝青于135，155，175℃時的布氏黏度（η），建立了瀝青布氏黏度（η）－溫度（t）關(guān)系方程，結(jié)果見表2.由表2可見，溫度每提高20℃，3種瀝青的布氏黏度平均降幅在50%左右，專用改性瀝青布氏黏度對溫度的敏感性介于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青之間.根據(jù)專用改性瀝青布氏黏度－溫度關(guān)系方程，按照（0.17±0.02）Pa·s布氏黏度確定專用改性瀝青的拌和溫度范圍為230～235℃，按照（0.28±0.03）Pa·s布氏黏度確定專用改性瀝青的壓實溫度范圍為217～222℃.由于專用改性瀝青具有明顯的非牛頓流體性質(zhì)，利用上述方法確定專用改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度明顯偏高.本文參考高黏瀝青的軟化點、布氏黏度等技術(shù)指標，并結(jié)合工程經(jīng)驗，最終確定專用改性瀝青拌和溫度范圍為180～185℃、壓實溫度范圍為165～170℃.

表2 瀝青布氏黏度－溫度關(guān)系方程Table 2 Brookfield viscosity－temperature relationship equation of asphalt

2.3 DSR 試驗

在恒定角速度（10rad／s）條件下進行瀝青DSR試驗.瀝青抗車轍因子測試結(jié)果如表3所示.

由表3可以看出：（1）在RTFOT 老化前，基質(zhì)瀝青的高溫等級為64，而SBS改性瀝青的高溫等級為82，比基質(zhì)瀝青提高了3 個溫度等級.（2）RTFOT 老化前后專用改性瀝青在88℃下的抗車轍因子分別為7.88kPa和8.51kPa.從抗車轍因子隨溫度升高的變化規(guī)律來看，專用改性瀝青破壞失效時的溫度至少在100℃以上，表明專用改性瀝青的高溫性能較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青有顯著提高.

表3 瀝青抗車轍因子測試結(jié)果Table 3 Experiment results of anti－rutting factors of asphalts

2.4 BBR試驗

本研究采用ATS公司生產(chǎn)的BBR 試驗儀進行瀝青BBR 試驗，從－12℃開始以每6℃為1級，測試3種瀝青的蠕變勁度S 和蠕變速率m.當(dāng)試驗溫度為－12℃時，專用改性瀝青在荷載作用下的形變大于4mm，根據(jù)有關(guān)規(guī)程［7］該試驗結(jié)果無效.

不同試驗溫度（t）下瀝青的S 和m 值見表4.

從表4可以看出：（1）－18℃和－24℃時，壓力老化前基質(zhì)瀝青與SBS 改性瀝青的低溫彎曲蠕變特性比較接近，而專用改性瀝青的蠕變勁度S 遠遠小于其他2 種瀝青.（2）壓力老化后的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別在－18℃和－24℃時無法滿足S＜300MPa或m＞0.3s－1的要求，而專用改性瀝青在－30℃時能滿足S＜300 MPa或m＞0.3s－1的要求，至－36℃時才會出現(xiàn)S＞300MPa的情況.說明壓力老化前后專用改性瀝青的低溫性能均十分優(yōu)異，較SBS改性瀝青提高了2個低溫等級.

表4 不同試驗溫度下瀝青的蠕變勁度和蠕變速率Table 4 Creep stiffness and creep rates of asphalts at different test temperatures

對比SBS 改性瀝青和專用改性瀝青的低溫蠕變特性可以看出，以高分子改性劑作為分散相的改性瀝青受基質(zhì)瀝青低溫脆性的影響較大，無法充分發(fā)揮高分子改性劑的柔韌性，而以高分子改性劑作為連續(xù)相的專用改性瀝青幾乎不受基質(zhì)瀝青低溫脆性的影響.BBR 試驗結(jié)果也間接地驗證了本文改性瀝青研發(fā)思路的正確性.

由于專用改性瀝青呈現(xiàn)較小的S 值和較大的m值，因此專用改性瀝青混合料在低溫下承受彎拉時不易產(chǎn)生裂縫，這意味著Rollpave能夠在低溫下施工、鋪裝，解決了瀝青路面無法在冬季修補的難題.

2.5 感溫性指標

瀝青的感溫性是瀝青的重要性能之一，目前常用的評價方法有針入度指數(shù)（PI）法、針入度黏度指數(shù)（PVN）法、復(fù)數(shù)模量指數(shù)（GTS）法等.有關(guān)研究［8－9］表明不宜采用PVN 法評價含蠟量較多的瀝青的感溫性，故本文采用PI法和GTS法評價專用瀝青的感溫性.

在15，25，30℃下進行不同瀝青針入度測試，計算不同瀝青的PI值，結(jié)果見表5.

表5 瀝青針入度指數(shù)Table 5 Penetration indexes of asphalts

PI值越大，表示瀝青的感溫性越低.常見瀝青的PI值在－1～1之間，如基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青（見表5）.專用改性瀝青的PI值高達3.86（見表5），其感溫性遠遠優(yōu)于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青.

有研究［8］表明，PI只能在較窄的溫度區(qū)間內(nèi)表征瀝青的感溫性，其外延性較差；受人為因素的影響PI測試誤差有可能會加大，因而本文利用測試溫度區(qū)間更為寬泛、測試數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定的GTS法來進一步評價專用改性瀝青的感溫性.

有關(guān)研究［9］認為瀝青復(fù)數(shù)模量雙對數(shù)與溫度對數(shù)呈以下線性關(guān)系：

由lg lg G＊－lgt直線斜率，可求出GTS.GTS反映了測試溫度區(qū)域內(nèi)瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化情況.GTS絕對值越大，表明瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化越大.

本文通過DSR 試驗測試3種瀝青在不同溫度下的復(fù)數(shù)模量，試驗中采用正弦波方式加載，剪切頻率為10rad／s，應(yīng)力水平為100Pa，測試溫度為30～80℃.

瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化如圖4所示.瀝青GTS的計算結(jié)果見表6.

圖4 瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化Fig.4 Change of complex modulus of asphalt with temperature

表6 GTS計算結(jié)果Table 6 Calculation results for GTS

由圖4 可知，在更寬泛的測試溫度區(qū)域（30～80℃）內(nèi)，專用改性瀝青G＊受溫度的影響較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青要小，表明專用改性瀝青感溫性較好.

由表6可見，在30～80℃溫度區(qū)域中GTS數(shù)據(jù)的變異系數(shù)較小，表明GTS 法的測試數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、外延性較好.

3 結(jié)論

（1）開發(fā)了Rollpave專用改性瀝青.該專用改性瀝青由基質(zhì)瀝青、專用粒子GTA 和SBS顆粒、軟化劑及助劑組成.

（2）專用改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)與常規(guī)改性瀝青不同.專用改性瀝青中的高分子改性劑是以連續(xù)相的形式存在.

（3）專用改性瀝青的軟化點和延度（5 ℃）遠遠高于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，而針入度（25℃）則與基質(zhì)瀝青接近.

（4）依據(jù)布氏黏度－溫度關(guān)系方程計算得到的專用改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度偏高，參考高黏瀝青的各項技術(shù)指標，初步確定專用改性瀝青的拌和溫度范圍為180～185℃、壓實溫度范圍為165～170℃.

（5）與基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青相比，專用改性瀝青的高、低溫等級大大提高.

（6）在15～80℃溫度區(qū)間，專用改性瀝青的感溫性優(yōu)于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青.

［1］INGRAM L S，HERBOLD K D，BAKER T E，et al.Superior materials，advanced test methods and specifications in Europe［R］.Washington D.C.：Federal Highway Administration U.S.，2004.

［2］HOUBEN L J M，van der KOOIJ J，NAUS R W M，et al.APT testing of modular pavement structure‘Rollpave’and comparison with conventional asphalt motorway structures［C］∥2nd International Conference on Accelerated Pavement Testing.Minneapolis：APT，2004：1－24.

［3］MOLENAAR J M M，MONTFORT J.Super stille deklaagrubber Rollpave［R］.Delft：Road and Hydraulic Engineering Institute，2011.

［4］DOMMELEN A E，van der KOOIJ J，HOUBEN L J M，et al.LINTRACK APT research supports accelerated implementation of innovative pavement concepts in the Netherlands［C／OL］∥Paper Submitted for 2nd International Conference on Accelerated Pavement Testing.Minneapolis.［2004－09－21］.http：∥www.mrr.dot.state.mn.us／research／MnROAD＿Project／index＿files／pdfs／VanDommelen.

［5］張寶昌.彈性體及其復(fù)合材料改性瀝青的性能研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2008.ZHANG Baochang.Study on compound mineral fillers modified asphalt and its mixtures paving performance［D］.Shenyang：Northeastern University，2008.（in Chinese）

［6］張金升，張銀燕，夏小裕，等.瀝青材料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：242－246.ZHANG Jinsheng，ZHANG Yinyan，XIA Xiaoyu，et al.Asphalt materials［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2009：242－246.（in Chinese）

［7］JTG E 20—2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.JTG E 20—2011 Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering［S］.（in Chinese）

［8］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2005：125－165.SHEN Jinan.Road property of bitumen and bituminous mixtures［M］.Beijing：Chinese Communications Press，2005：125－165.（in Chinese）

［9］于新，孫文浩，羅怡琳，等.橡膠瀝青溫度敏感性評價方法研究［J］.建筑材料學(xué)報，2013，16（2）：266－270.YU Xin，SUN Wenhao，LUO Yilin，et al.Research on the evaluation index of temperature sensitivity of CRMA［J］.Journal of Building Materials，2013，16（2）：266－270.（in Chinese）