高模量沥青性能及其界定标准研究

张争奇，卢 川，王素青，2，李乃强，李宏伟

(1. 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安710064； 2. 山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032；3. 承唐高速公路唐山管理处，河北 唐山 063000)

0 引 言

高模量沥青混凝土常用于高温、重载路段，具有较高的模量和结构强度，能有效提高路面的高温抗车辙能力，而高模量沥青是高模量沥青混凝土强度形成和性能保证的关键。目前，制备高模量沥青的方法主要有3种[1]：硬质沥青混配、天然沥青改性和高模量剂改性。3种高模量沥青的实现方式中，硬质沥青混配高模量在欧洲已得到广泛应用[2]，硬质沥青多采用氧化工艺、溶剂脱工艺制备，具有较高的硬度和抗变形能力，但往往低温抗裂性能差、耐疲劳性能明显不足；天然沥青改性多采用湖沥青、岩沥青等配制，存在着天然沥青掺量大、改性效果较差等缺陷。目前，由于具有更好的技术性能，高模量剂改性沥青得到了越来越多的重视。因为高模量剂改性沥青与硬质沥青混配高模量沥青成分上存在本质区别，欧洲的硬质沥青评价标准不适用于高模量剂改性沥青；同时，由于沥青品种及流变特性的显著不同，现行的针入度评价体系无法准确界定和评价高模量沥青；SHRP评价指标从流变学角度出发，以车辙因子G*/sinδ以及PG分级指标评价沥青结合料的高温性能，与路用性能相关性较高，但缺乏针对于高模量改性沥青的SHRP技术规范。

目前，国内外对高模量沥青材料的研究多集中于高模量外加剂的开发、高模量沥青混凝土的性能评价等方面，较少涉及高模量沥青的评价方法以及指标要求。2005年，辽宁省交科院在国内首次提出高模量沥青混凝土的定义：在45 ℃、10 Hz的试验条件下，复数剪切模量不小于2 000 MPa[3]；在45 ℃、0.1 Hz的试验条件下，复数剪切模量不小于500 MPa；龚涌峰[4]对高模量沥青的DSR指标进行分析，并提出高模量沥青的PG等级需要达到PG82-28，且 60 ℃复数剪切模量指标大于 10 kPa；李秋平等[5]采用重复蠕变恢复试验探究高模量的标准，提出高模量沥青 64 ℃下的累积变形不大于 0.1，76 ℃下的累积变形不大于 0.5的要求。

可见，现有关于高模量沥青性能评价方法和评价技术指标的研究较少，且有关界定指标和标准看法不一，其确定过程缺乏合理依据，同时，现有评价体系和指标是否适用于高模量沥青没有得到论证。高模量沥青的界定指标、标准的欠缺为高模量沥青的材料和配比设计、生产和推广应用带来了困难。

鉴于高模量沥青缺乏合理的界定标准，笔者选取3种高模量剂制备高模量沥青，并对其进行常规性能试验和流变性能试验，同时，对相应的沥青混凝土进行动态模量试验和车辙试验；最后，以灰色关联度为参数，对高模量沥青与高模量混凝土的指标关联性进行评价，以满足高模量沥青混凝土动态模量标准值为原则，推荐了高模量剂改性沥青的界定指标和标准。高模量沥青界定标准的提出对优化高模量沥青组配方案，提高高模量沥青混凝土质量，促进高模量沥青混凝土的推广应用具有一定的现实意义，同时对高模量沥青规范标准的建立具有一定的参考价值。

1 高模量沥青制备与试验设计

1.1 原材料

试验中基质沥青采用A级70#道路石油沥青，在混凝土试验中选用石灰岩作为集料，石灰岩矿粉作为填料，经测试原材料均符合规范要求。

试验选取的3种高模量改性剂分别为PR INDUSTRIE研发生产的PR Module高模量外加剂和国内某公司研发生产的XT-2、XT-3两种抗车辙高模量改性剂，其基础技术指标如表1。

1.2 高模量改性沥青制备工艺及掺量确定

对于选取的3种高模量剂，均有“干法”和“湿法”两种制备工艺，在生产过程中考虑到制备简便一般采用“干法”工艺，即直接将改性剂与集料拌合均匀。以高模量沥青结合料的性能指标为主要研究对象，故采用“湿法”制备工艺，具体工艺如下：

1)将基质沥青加热升温至160 ℃；

2)缓慢加入1/2高模量剂，边搅拌边升温；

3)当温度升至170～180 ℃时加入剩余改性剂搅拌均匀后再剪切1 h。

根据表1中的厂家推荐掺量和高模量沥青应用现状，试验所制备高模量改性沥青的改性剂掺量占沥青质量的百分比，如表2。

表2 高模量添加剂掺量Table 2 High modulus additive content %

1.3 试验设计

首先，根据我国道路实际交通气候条件，在总结归纳已有研究[6-9]的基础上，提出高模量沥青界定标准初步建议值，如表3。 然后按照图1试验及分析流程，对初步建议值进行验证和修正。

表3 高模量沥青界定标准初步建议值Table 3 Preliminary recommended value of definition standard forhigh modulus asphalt

图1 试验设计流程Fig. 1 Test design flowchart

2 高模量沥青性能指标评价

2.1 高模量沥青常规性能指标试验结果与分析

本节对所配制高模量改性沥青的针入度、软化点、延度和135 ℃旋转黏度等常规性能指标进行测试，分析高模量剂种类和掺量的影响，并为高模量沥青常规性能指标与混凝土相关指标的关联性分析和高模量沥青界定标准的确立提供依据，试验结果如图2～图5。

针入度可以间接反映沥青材料的等温黏度特性，由图2高模量改性沥青针入度试验结果可知，针入度随改性剂掺量的增加呈规律性减小，说明改性剂加入使沥青材料的黏度增加。在规律性满足要求的前提下，能否将其作为高模量改性沥青的界定标准需进一步考虑区分度的要求。参考厂家推荐的高模量剂最低掺量，7.5%PRM改性沥青针入度是46.2，5%XT-2和5%XT-3改性沥青的针入度分别为54.2和56.1，老化前后的针入度比范围为56%～98%。故根据区分度要求，将高模量改性沥青的针入度指标建议值确定为20～50(0.1 mm)是合理的，同时针入度比应当大于55%。

图2 高模量改性沥青RTFOT前后的针入度指标Fig. 2 Penetration index of high modulus modified asphalt beforeand after RTFOT

软化点常用来评价沥青的高温性能，如图3，随高模量剂掺量的增加，3种改性沥青RTFOT前后的软化点均逐渐升高，虽升高幅度略有差异，但基本满足规律性的要求。在推荐最低掺量时，7.5%PRM、5%XT-2和5%XT-3这3种改性沥青原样的软化点分别为53.3、51.5、51.5 ℃，均无法达到软化点建议值70 ℃的要求。改性剂掺量较小时，RTFOT后软化点增大；但是随着改性剂掺量的增加，在原样改性沥青的软化点达到70 ℃之后，改性沥青老化之后软化点反而会降低，70 ℃成为高模量沥青的性能异变点。究其原因[10]，可能是由于在老化过程中，聚合物类改性沥青材料同时发生基质沥青的老化和聚合物的降解两个反应过程。随着改性剂掺量的增加，原样沥青的软化点升高，但在老化过程中聚合物的降解作用加强，使改性作用减弱。因此，考虑区分度的要求，将高模量剂改性沥青原样的软化点指标的建议值暂定为不小于70 ℃。有研究表明[11]，对于聚合物类改性沥青材料，RTFOT后的软化点指标与车辙试验结果相关性很差，故不对其做出具体要求。

图3 高模量改性沥青RTFOT前后的软化点指标Fig. 3 Softening point index of high modulus modified asphalt beforeand after RTFOT

由图4、图5可知，3种高模量剂改性沥青的5 ℃延度均随掺量增加而下降，其135 ℃旋转黏度随掺量的增加而增大，这说明高模量改性剂对沥青结合料的低温性能和施工和易性有不利影响。考虑到界定高模量沥青的主要标准是高模量沥青混凝土的动态模量满足要求，高模量改性应以提高高温性能为主要目标，故延度和135 ℃旋转黏度不宜作为评价高模量沥青特性的控制性指标。但高模量改性沥青仍应满足施工和易性的基本要求，我国JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》规定PE、EVE类改性沥青的135 ℃旋转黏度不能超过3.0 Pa·s；《广东省公路路面典型结构应用技术指南(试用)》中考虑到高模量改性沥青的特殊性能要求，降低了其对于135 ℃旋转黏度的要求，要求小于4.0 Pa·s。考虑到高模量改性沥青的黏度较大、高温性能突出、施工温度高等特点，推荐高模量改性沥青的135 ℃旋转黏度小于4.0 Pa·s。

图4 高模量改性沥青5 ℃延度指标Fig. 4 5 ℃ ductility index of high modulus modified asphalt

2.2 高模量沥青流变性能指标试验结果与分析

本节以分析高模量剂种类和掺量对高模量改性沥青复数剪切模量、车辙因子、PG分级指标等流变学指标的影响为目的，在多种实验条件下对高模量改性沥青的复数剪切模量、车辙因子以及PG分级指标进行测试，为高模量沥青界定标准准备相关数据，试验结果如图6～图7、表4。

表4 高模量改性沥青PG试验结果Table 4 PG test results of high modulus modified asphalt ℃

图6 高模量改性沥青复数剪切模量试验结果Fig. 6 Test results of complex shear modulus of high modulus modified asphalt

图7 高模量改性沥青车辙因子试验结果Fig. 7 Test results of rutting factors of high modulus modifiedasphalt

有关文献[12]表明，沥青结合料的复数剪切模量与混凝土动态模量具有良好的相关性。由图6可知，在两种试验温度60、76 ℃，两种试验频率10、5 Hz，以及60 ℃(10 rad/s，12%)共5种不同试验条件下复数剪切模量随高模量改性剂掺量的增加均有不同幅度的提高，其变化趋势大致相同，复数剪切模量指标满足规律性的基本要求。同时表明，高模量改性剂的掺入使沥青结合料的性质更接近于弹性体，提高了沥青结合料的高温性能。但具体何种试验条件下的复数剪切模量与高模量沥青混凝土的动态模量相关性更好，需要将复数剪切模量的试验结果与混凝土动态模量的试验结果结合对比并进行相关性分析得出结论。

沥青结合料的车辙因子可以在一定程度上反映沥青路面的抗车辙性能，根据图7所示的试验结果，在应变水平均为0.1%的条件下，测得模拟正常情形的10 Hz试验频率和模拟重载情形的5 Hz试验频率下的车辙因子变化趋势大致相同，两种试验条件下车辙因子均随高模量改性剂掺量的增加而提高，因此从规律性角度考虑，车辙因子指标能够满足要求。不同试验条件下高模量改性剂对车辙因子的改善幅度有所不同，模拟重载情形的试验条件下改善幅度略高于模拟正常情形下的试验条件下改善幅度，这表明高模量沥青可以在重载路段更好地发挥其优良性能。从区分度角度考虑，在76 ℃、10 Hz试验条件下，当掺量为最低推荐值时，PRM、XT-2和XT-3改性沥青的车辙因子分别为10.295 0、8.693 4、8.351 4 kPa，高模量沥青车辙因子指标试验结果在8～10 kPa范围内波动；在76 ℃、5 Hz试验条件时，3种高模量剂改性沥青的车辙因子指标在5 kPa附近波动。对于高模量剂改性沥青，其车辙因子指标建议值可暂定为：G*/sinδ(76 ℃, 10 Hz)≥10 kPa，G*/sinδ(76 ℃, 5 Hz)≥5 kPa。

PG分级试验结果表明，随高模量改性剂掺量的增加，PG等级逐渐提升，但PG分级试验结果每6 ℃一档，导致指标变化不明显，PG等级每提高一级需要大幅提高高模量剂掺量。由于PG指标不能精确反映高模量改性沥青的性能变化，区分度欠佳，因此其不能作为高模量沥青界定标准的关键性指标。

3 高模量沥青混凝土性能评价

3.1 级配及沥青用量的确定

高模量沥青材料常用于道路的中下面层，以起到抵抗车辙的作用。因此，笔者选用了一种中粒式级配进行试验，级配的各筛孔通过率如表5。

表5 试验中选用级配Table 5 Gradation selected in the test

根据马歇尔试验的各项试验结果，对于固定级配HMAC-20，基质沥青所对应的最佳油石比为4.2%。按照材料要求和厂家推荐的油石比，当级配一定时，高模量沥青的油石比仅需在基质沥青的基础上微调即可。

对于选用的3种高模量添加剂PRM、XT-2、XT-3，厂家推荐用量分别为0.5%～0.8%、0.3%～0.5%、0.3%～0.5%(以沥青混合料质量为基数)。当PRM掺量超过0.5%后，掺量每增加0.2%，油石比增加0.1%。XT改性沥青混凝土的油石比一般在基质沥青的基础上增加0%～0.1%。综上所述，选定7种高模量沥青混凝土，其最佳油石比如表6。

表6 沥青混合料的最佳油石比Table 6 The best asphalt aggregate ratio of asphalt mixture

在确定油石比的基础上，按照材料性能特点和相关规范要求，先将石料加热至170～180 ℃，高模量沥青加热至160～170 ℃，按照混合料试验规程拌和均匀，在165±3 ℃的条件下，按照试验规程成型混合料试件。

3.2 高模量沥青混凝土试验结果与分析

高模量沥青混凝土的动态模量可以反映高模量沥青材料的抗变形能力，其标准值是确定高模量沥青界定标准的依据。本节通过动态单轴压缩试验，在两种试验温度20、15 ℃，两种试验频率10、5 Hz试验条件下测得高模量沥青混凝土的动态模量，采用车辙试验仪测得高模量沥青混合料的动稳定度。在此基础上，分析高模量剂种类及掺量对高模量沥青混凝土动态模量和高温抗车辙性能的影响，探讨高模量沥青混凝土动态模量与高模量改性沥青性能指标的相关关系。高模量混凝土试验所用沥青混凝土种类如表6，试验结果如图8、图9。

图8 混凝土动态模量试验结果Fig. 8 Test results of dynamic modulus of concrete

图9 车辙试验试验结果Fig. 9 Rut test results

由混凝土动态模量试验结果可知，不同种类高模量沥青制备的高模量混凝土动态模量对温度较为敏感，试验温度升高，模量值减小。以20 ℃、10 Hz的动态模量标准值1 300 MPa对高模量沥青进行优选，则只有7.5%XT-3不满足要求，其余6种混凝土均满足动态模量标准值。在第4节中，将以混凝土动态模量试验结果为依据，详细分析高模量沥青各项指标与动态模量的关系，并进一步以动态模量标准值为依据对各项指标进行反算。

由图9可知，高模量沥青混凝土的动稳定度较普通的沥青混凝土有了大幅度提高。同时可以发现，沥青混凝土的动稳定度与动态模量值在一定程度上具有相关性，基本呈正相关趋势，动态模量指标越大，动稳定度一般也越大，这说明高模量沥青混凝土具有优良的高温抗车辙性能。

4 高模量沥青性能指标体系确立

4.1 常规性能指标关联性评价

基于灰色关联分析方法，以灰色关联度为参数对高模量沥青的各项性能指标与混合料动态模量及动稳定度之间变化态势的一致性进行分析。分别以混凝土的动态模量和动稳定度为参考数列，以高模量改性沥青的各项常规性能指标为对比数列，进行灰色关联度计算，计算结果如图10。

图10 常规性能指标关联度Fig. 10 Correlation of general performance indexes

由图10可知：

1)由图10知，高模量沥青的常规性能指标与不同试验条件下的动态模量和动稳定度的关联度排序具有一致性，其关联度排序均为：软化点>135 ℃旋转黏度>针入度。

2)针入度指标与混凝土动态模量和动稳定度指标的灰色关联度最小，与动稳定度指标的关联度为0.567 6，与动态模量指标的关联度在0.5左右。因此，以针入度指标来表征高模量沥青的高温性能不十分合理，针入度指标应当作为参考性指标来评价高模量沥青。

3)软化点指标与高模量沥青混凝土高温指标的相关性较好，与20 ℃，10 Hz的动态模量、60 ℃动稳定度指标的相关系数分别达到了0.796 7和0.730 2。但是，软化点60 ℃建议值的区分度较差，应结合其他评价指标来综合评价界定高模量沥青。

4)135 ℃旋转黏度用以表征沥青的高温和易性，从图10计算结果来看，与动稳定度的相关性较好。因此，要求高模量沥青135 ℃旋转黏度不大于4.0 Pa·s。

4.2 流变性能指标关联性评价

流变性能指标可以有效区分基质沥青和普通改性沥青的各种性能，且与路用性能相关性较高，为明确流变性能指标作为界定高模量沥青的关键性指标的合理性，本节对高模量改性沥青的DSR指标与混凝土的动态模量及动稳定度进行灰色关联分析，分别以混凝土的动态模量和动稳定度为参考数列，以高模量改性沥青的各项流变学性能指标为对比数列，进行灰色关联度计算，结果如图11。

图11 流变性能指标关联度Fig. 11 Correlation degree of rheological performance index

由图11可知：

1)高模量沥青各个DSR试验指标与混凝土20 ℃动态模量的相关性整体优于15 ℃动态模量指标。

2)复数剪切模量与车辙因子在评价高模量沥青高温抗车辙性能时具有很好的区分度和一致性。从60 ℃车辙试验的结果来看，与混凝土路用性能相关性最好的指标是车辙因子(76 ℃，5 Hz，0.1%)。因此，将其作为高模量沥青在高温重载条件下高温抗车辙变形性能的评价指标。

3)高模量沥青要对其复数剪切模量做出相应的要求。从与动态模量和动稳定度的相关性来看，相关性最好的指标是为复数剪切模量G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)和G*(60 ℃，10 rad/s，12%)。但G*(60 ℃，10 rad/s，12%)与混凝土性能的相关系数比G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)小，该现象可归结于在12%应变条件下，某些沥青已超过其线性黏弹性区域[12]。

4)PG等级与混凝土性能的相关系数较高，但其区分度欠佳。

4.3 高模量沥青界定标准推荐

通过4.1节、4.2节对高模量改性沥青各项性能指标与混凝土动态模量及动稳定度之间的相关性分析，笔者认为高模量沥青界定标准应以高模量沥青的复数剪切模量为关键性指标，以针入度指标体系为辅助性指标，在确保沥青高温和易性满足要求的基础上建立。同时，以动态模量标准值13 000 MPa(20 ℃，10 Hz)为标准，反算高模量沥青性能指标值的建议值，具体结果见表7。

表7 高模量沥青界定标准Table 7 Definition standard of high modulus asphalt

由表7可知，反算得到的高模量沥青性能指标与初步建议值接近，对于G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)和软化点两个指标来说，反算得到的建议值与初步建议值两者差异在10%以内，说明初步建议值较为合理。

以混凝土的动态模量标准值为依据，来推算论证高模量沥青的界定指标。考虑到混凝土动态模量指标的要求，G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)和与混凝土的动稳定度和动态模量指标均具有良好的相关性，G*(60 ℃，10 Hz,12%)次之。且复数剪切模量能够表征沥青材料的剪切力学特性。因此，将G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)作为评价界定高模量沥青的关键性指标。两个复数剪切模量指标能够通过振幅扫描试验快速简便地得到，也符合试验操作简便的要求。

针入度指标体系作为我国传统的评价方式，综合了长期的实践使用经验，具有试验操作简便的优越性。但是在评价高模量沥青性能时有许多不足，为与我国现行规范更好的对应，将其作为辅助性指标来评价高模量沥青的性能。以135 ℃旋转黏度指标来控制高模量沥青材料的高温施工和易性。

5 结 论

以确定高模量改性沥青界定标准为目的，通过对高模量剂改性沥青及混凝土的相关试验与分析，得出以下结论：

1)仅使用基础性能指标界定高模量沥青具有明显的不足。针入度指标虽符合规律性和区分度的要求，但其与动态模量、动稳定度的相关性较差；软化点指标虽符合规律性、区分度和关联性的要求，但其区分度较差；135 ℃旋转黏度与延度也均不能作为界定高模量沥青的关键性指标。

2)流变学指标中，复数剪切模量与车辙因子在评价高模量沥青高温抗车辙性能时具有良好的区分度和一致性，且与动态模量、动稳定度的关联度较好。综合分析，选取G*(60 ℃，10 Hz，0.1%)作为评价界定高模量沥青的关键性指标。

3)推荐高模量沥青界定标准参考表7。