黄志义，胡晓宇，王金昌，章俊屾

（浙江大学 交通工程研究所，浙江 杭州310058）

高黏度改性沥青（high-viscosity modified asphalt）是一种新型特种改性沥青，主要应用于开级配沥青碎石（open-graded friction courses，OGFC）排水路面、高性能钢桥面铺装以及湿热地区对高温稳定性要求较高的沥青路面等特殊路段.根据改性方式的不同，高黏沥青可分为直投式改性沥青和成品改性沥青2类［1］.直投式高黏改性剂可直接加入矿料中与基质沥青一起拌合，通过快速改性产出高黏沥青混合料，省去了改性沥青加工、储存及运输等繁琐过程，节约资金及能源成本.目前，对高黏沥青的研究主要集中于沥青及混合料的路用性能特别是高温稳定性方面［2-5］，感温性的研究则更重视施工温度区间，以评价高黏沥青的施工工艺特性［4-5］，缺乏对高黏沥青在整个使用温度区间内感温性能的全面评价.沥青在施工和使用过程中要经历相当宽广的温度区间，不同温度区间内的感温性能将直接影响沥青路面的使用性能和施工工艺，因此沥青的感温性能是使用性能的核心［6］.目前普遍采用的沥青感温性评价指标主要有：针入度指数（penetration index，PI）、针 入 度 黏 度 指 数（penetration viscosity numbers，PVN）以及黏温指数（viscosity temperature susceptibility，VTS）.此3 项指标所反映的温度区间各不相同，在适用性方面也存在一定的局限性［7-10］，难以全面描述沥青在使用温度区间内的感温性能.

作为一种黏弹性材料，沥青的力学特性与温度相关，随温度的变化会经历玻璃态、黏弹态和黏流态3种不同的变形形态［11］.这种变形形态的改变，便是沥青感温特性的体现.沥青中各组分在不同温度下呈现不同的固、液相态.各组分的固、液相聚集态会随温度变化而发生改变.反映到宏观上便是沥青变形形态的改变，直接影响沥青的感温性能.对沥青进行DSC试验［12］，沥青组分聚集态改变会反映在DSC曲线上［13］.因此，可通过DSC 试验，用热分析的手段评价沥青的感温性能.在美国公路战略研究计划（strategic highway research program，SHRP）中，Harrison等［14］对SHRP的8种核心道路沥青进行了DSC 试验.Gandhi［15］利用DSC 试验分析了温拌沥青改性剂Sasobit®加入后对沥青感温性能的影响.在普通道路石油沥青［16］、聚合物改性沥青［17］和纳米改性沥青［18-19］的研究中均通过DSC 对感温性能进行了研究.DSC 试验提供了一种评价沥青感温性能的新手段.

本文利用一种新型直投式高黏改性剂制备高黏度改性沥青，在采用PI、PVN、VTS 这3 项常规指标的基础上，通过DSC试验对高黏沥青的感温性和高温稳定性进行研究，并对各感温性评价指标的适用性进行讨论，为这种新型直投式高黏改性剂在实际工程中的应用提供依据.

1 试验部分

1.1 试验材料

1.1.1 高黏沥青改性剂 直投式高黏改性剂是以热塑性橡胶为主要原料，并配以稳定剂、高黏性树脂及增塑抗氧化等成分，充分混熔塑化而成的淡黄色球状颗粒，与道路石油沥青具有很好的相容性，由江苏宝利沥青公司提供.主要性能指标见表1，表中w（Ash）为灰分质量分数，w（H2O）为水的质量分数，σ（300%）为300%定伸应力，δ 为伸长率，qm为熔体流动速率，ρ为密度.

表1 高黏沥青改性剂主要性能指标Tab.1 Properties of high viscosity modifier

1.1.2 沥青 采用70＃道路石油沥青作为基质沥青制备高黏沥青，同时用于对比研究.SBS改性沥青为I-C型，其采用的基质沥青与高黏沥青相同，均为中石化东海牌沥青，主要技术指标见表2和3，均满足规范［20］要求，表中，P 为针入度，D 为延度，R＆B为软化点，η 为动力黏度，wt为旋转薄膜老化后质量变化分数，P′为针入度比，ν为运动黏度.

表2 70＃基质沥青技术指标Tab.2 Technical indexes of 70＃asphalt

表3 SBS改性沥青技术指标Tab.3 Technical indexes of SBS modified asphalt

1.1.3 高黏改性沥青制备 采用高速剪切法［21］制备高黏改性沥青，设备为室内小型高速剪切乳化仪.具体制备流程为：基质沥青加热到150 ℃，保持恒温，将干燥后的高黏改性剂按17%掺量（前期路用性能研究表明，高黏改性剂的最佳掺量为沥青混合料质量的1%，换算成与基质沥青的质量比为17%，可保证良好路用性能同时兼顾经济效益）缓慢、分批加入到基质沥青中，并以500r／min 的速率剪切15min，使高黏改性剂均匀分散于基质沥青中；将温度升至180 ℃，以4 000r／min 的速率高速剪切60min；之后以500r／min 的速率低速发育30min并排除高速剪切时产生的气泡.为评价改性剂掺量对沥青感温性能的影响，同时制备了掺量为12%和22%的高黏改性沥青作为对比研究.

1.2 试验方法

1.2.1 针入度试验 采用自动针入度仪对70＃基质沥青、SBS 改性沥青和17%高黏度改性沥青在15、25、30 ℃这3个温度下进行针入度试验.

1.2.2 旋转黏度试验 采用美国Brookfield公司生产的DV-II＋Pro型旋转黏度计对70＃基质沥青、SBS改性沥青和17%高黏度改性沥青在60、135、150℃和175℃这4个温度下进行旋转黏度试验.

1.2.3 DSC试验 采用美国TA 公司的Q100DSC分析仪对70＃基质沥青、SBS 改性沥青和12%、17%、22%高黏改性沥青进行DSC 试验.试验温度为-40～100 ℃，氮气气氛，升温速率为10 ℃／min.

1.2.4 4组分试验 采用日本雅特隆公司制造的IATROSCAN MK-6s棒状薄层色谱-氢火焰离子探测仪（TLC-FID）对70＃基质沥青和17%高黏沥青进行4组分分析，扩展槽中第一展开溶剂为正庚烷，第二展开溶剂为甲苯／正庚烷混合液（体积比为4∶1），第三展开溶剂为甲苯／无水乙醇混合液（体积比为11∶9）.

1.2.5 车辙试验 采用上海路达公司生产的自动车辙仪对SBS改性沥青和高黏度改性沥青SMA-13混合料进行车辙试验.试验温度为60℃，轮压0.7MPa.

2 结果与讨论

2.1 常规指标评价高黏沥青感温性能

2.1.1 PI指标 自Pfeiffer等［22］提出针入度指数PI概念以来，PI便成为应用最为广泛的沥青感温性能评价指标.我国规范［19］目前也采用PI评价道路石油沥青和聚合物改性沥青的温度敏感性.将针入度试验结果按式（1）进行回归计算，得到回归系数AlgPen.AlgPen为针入度温度线性关系的斜率，也称为针入度温度指数，表示沥青的温度敏感性，AlgPen越大，沥青对温度越敏感，R2为相关系数.由AlgPen按式（2）计算3种沥青的PI值，结果见表4和图1.

式中：θ为温度（℃），K 为回归系数.

PI试验结果表明，加入高黏改性剂改性后，沥青的针入度温度指数AlgPen变小，PI值变大，温度敏感性降低.在15～30 ℃温度区间内，70＃基质沥青对温度最为敏感，SBS 次之，高黏沥青的感温性最弱.PI是由15～30 ℃温度范围内的针入度变化决定的，只涵盖了沥青路面工作温度范围内的中温区间，评价范围较窄.

表4 针入度指数PI结果Tab.4 Results of penetration index

图1 不同温度下的针入度Fig.1 Penetration at different temperatures

2.1.2 VTS指标 沥青黏度随温度变化而改变的程度是沥青感温性能的直接体现，通过沥青的黏温关系可有效评价沥青的感温性能.而合理地描述沥青的黏温关系是评价沥青黏温特性的关键.目前公认最好的黏温关系表达式是被ASTM D2493所采用的Saal公式［6］，如下：

式中：η为不同温度下的动力黏度（Pa·s），n、m 为回归系数.

在夏季高温环境下，沥青路面温度可达50～70℃，此温度区间沥青路面易发生车辙等高温永久变形，因此60℃黏度是反映沥青高温路用性能的重要指标.60 ℃黏度大，在荷载反复作用下产生的剪切流动变形小，残留的永久变形累积少，抗车辙能力强，高温稳定性好.而135℃以上的高温黏度主要用于评估沥青的高温工作特性，保证沥青在施工时有良好的施工和易性.SHRP推荐采用的布洛克菲尔德（Brookfield）旋转黏度计（ASTM D4402）便主要于评价这一温度区间内沥青的黏温特性.

将旋转黏度试验结果按式（3）进行线性回归计算，结果见表5和图2.

表5 Brookfield旋转黏度试验结果Tab.5 Results of Brookfield viscosity tests

图2 沥青黏温关系曲线Fig.2 Viscosity-temperature relationships of three asphalt

黏度试验结果表明，高黏改性剂改性后沥青的黏度显著提高，60 ℃黏度是基质沥青的276.9倍，是SBS改性沥青的11倍，说明经过改性后，高黏沥青的高温稳定性得以改善.而135 ℃黏度是基质沥青的5.6倍，是SBS改性沥青的2.2 倍，提高幅度随温度的升高逐渐降低，这与高黏沥青的温度敏感性有关.Saal公式中回归系数m 为沥青黏温关系曲线的斜率，m 越大，黏度随温度变化越显著，沥青的温度敏感性越高.可进一步采用式（4）计算VTS，VTS的绝对值越小，沥青的感温性越小.

式中：η1、η2 为60和135℃时的黏度（Pa·s）

从3种沥青m 值及VTS计算结果来看，在60～175 ℃区间内，高黏沥青的感温性最强，SBS改性沥青次之，70＃基质沥青感温性最弱.高黏沥青的这种黏温特性使其在60 ℃有足够的黏度抵抗剪切流动变形，同时在135℃以上的施工温度范围内，黏度下降较快，保证了施工和易性及压实特性.

2.1.3 PVN 指标 McLeod［23］提出由25 ℃针入度和60 ℃黏度按式（5）计算PVN 评价感温性能.利用前述3种沥青的25℃针入度和60℃黏度计算PVN 值，结果见表6.

式中：60℃黏度η60℃以0.1Pa·s为单位.

表6 PVN 计算结果Tab.6 Calculation results of PVN

PVN 值越小，感温性越强，以PVN 为评价指标，在25～60 ℃，3种沥青的感温性排序为70＃沥青高于SBS改性沥青高于高黏沥青.

2.1.4 3种指标的适用性讨论 由PI和旋转黏度试验所得的3种沥青的感温性能排序完全相反，这是因为沥青的感温性能与温度范围密切相关.PI由15～30 ℃的针入度决定，而旋转黏度仪测定的黏温关系是由60～135 ℃以上的黏度变化决定的，这2种指标只适用于表征其适用温度范围内的感温性能.35～60 ℃的高温区间是沥青由黏弹态向黏流态转变的温度区间，若温度敏感性强，则沥青的黏度降低幅度大，抵抗剪切流动变形能力差，易于产生车辙等高温永久变形，故35～60℃的高温区间的温度敏感性直接影响着沥青混合料的高温路用性能，但PI及VTS指标并不适于评价这一温度区间沥青的感温性能.PVN 指标的温度区间较大，虽包括35～60 ℃的高温区间，但这一方法试验数据点太少，仅由2个数据点来反映如此大温度区间内沥青的感温特性可能会存在误差.

2.2 DSC试验分析

2.2.1 高黏沥青感温性和高温稳定性 不同沥青DSC试验结果见图3（a）.可以看出，各沥青的DSC曲线上均存在2个明显的吸热峰，表明随着温度升高沥青相继发生了3种变形形态的转变.第1个吸热峰主要位于5～25 ℃的中低温区间，沥青发生了由玻璃态到黏弹态的转变，第2个吸热峰主要位于35～60 ℃的高温区间，沥青发生了由黏弹态到黏流态的转变.吸热峰温度区间及吸热量见表7，表中θI为第1吸热峰温度区间，θII为第2吸热峰温度区间，HII为第2吸热峰平均系热量.

图3 沥青DSC曲线Fig.3 DSC curves of asphalt

表7 沥青DSC曲线吸热峰的温度区间与吸热量Tab.7 Temperature range and heat absorption of DSC endothermic peak for five asphalt

吸热峰的温度区间反映了沥青组分聚集态发生改变的温度范围，在5～25℃的中低温区间，高黏改性剂改性后，沥青吸热峰的起始温度提高，温度区间变窄，表明沥青组分发生聚集态转变的温度范围变窄，聚集态转变受温度的影响范围缩小，沥青多相体系达到稳定状态的温度区间变小，沥青的温度敏感性降低.在3种沥青中，基质沥青的吸热峰温度区间最宽，SBS改性沥青次之，17%高黏沥青最窄，则温度敏感性排序为基质沥青高于SBS 改性沥青高于高黏沥青，这一结果与前述PI试验结果一致.同理，对于35～60 ℃的高温区间，3种沥青仍具有相同的感温性能排序.由此可知，高黏改性剂不仅提高了沥青的高温黏度，而且使沥青感温性降低，黏度随温度升高而降低的幅度变小，对于高温抗车辙性能有利.吸热量的大小反映了沥青中发生聚集态转变程度的大小.在35～60 ℃的高温区间，70＃基质沥青的平均吸热量最大，SBS改性沥青次之，17%高黏沥青最小.吸热量大表明沥青组分中发生聚集态转变的程度大，固液相转变的数量多.说明加入高黏改性剂后，在此高温区间内，沥青中易发生聚集态转变的组分含量减少，沥青的多相体系较基质沥青更加稳定，高温稳定性能得到了提高.

2.2.2 高黏沥青中高温感温性改善机理 不同高黏改性剂掺量下沥青DSC 曲线如图3（b）所示.随着改性剂用量的增加，在中高温区间内，沥青吸热峰的温度区间变窄，吸热量逐渐减小，沥青温度敏感性降低，高温稳定性逐渐增强，沥青改性程度愈显著.

图4 沥青4组分试验结果Fig.4 Results of asphalt four components tests

高黏改性剂改性前后沥青4 组分测试结果如图4所示，高黏改性剂使青的4组分比例发生了改变，饱和分（w1）与芳香分（w2）减少，沥青质（w4）微增，胶质（w3）较大幅度增加，沥青的胶体结构向凝胶结构转变，这种转变直接影响沥青的感温特性.对沥青的4 组分分别进行DSC 分析可知［24］，在沥青使用温度的中高温区间内，发生相态转变的主要是芳香分与饱和分，而胶质与沥青质性能稳定，在此温度范围内并未随温度变化发生相态的转变.由此可知，高黏改性剂加入后，沥青发生聚集态转变的温度范围变窄，是因为经过改性后，使对温度较为敏感的芳香分与饱和分减少，沥青质与胶质含量增多，沥青的微观胶体结构向有利于改善感温性能的方向发展，且随改性剂用量增加，这种改变越充分，宏观性能上即表现为沥青中高温区间的感温性能得到改善.

2.3 车辙试验分析

前述DSC试验结果表明高黏改性剂提高了沥青的高温稳定性，降低了温度敏感性，高温性能得到改善，这一结果与沥青60 ℃黏度试验结果一致.在此基础上，通过常规车辙试验评价高黏沥青的高温稳定性，对DSC试验结果进行进一步验证.高黏沥青与SBS 改性沥青混合料均采用相同级配SMA-13，油石比均为5.9，纤维采用0.4%玄武岩短切纤维.车辙试验结果见表8，车辙变形曲线见图5，其中DS为动稳定度，d 为总变形量，t为时间.

表8 车辙试验结果Tab.8 Results of rutting tests

与SBS改性沥青混合料相比，高黏沥青混合料的动稳定度高，车辙总变形小，高温抗车辙能力优于SBS改性沥青混合料.改性后沥青的高温性能优于SBS改性沥青，与DSC试验结果一致.

图5 车辙变形曲线Fig.5 Rutting deformation curves

2.4 DSC试验适用性讨论

传统的PI及PVN 指标均需测定沥青的针入度，针入度是一个经验性指标，与实际沥青路面使用性质并不相关，且试验受人的因素影响大，易产生误差，同时PI及PVN 的适用温度区间较窄，难于全面、准确评价沥青的感温性能.通过DSC 试验评价沥青感温性能的适用温度区间广，涵盖了5～60 ℃沥青路面正常使用的中高温区间，同时还可评价沥青的高温稳定性.试验精度高，物理意义明确，且与PI、60 ℃黏度和车辙试验等常规路用性能试验具有较好的一致性.因此，可以通过DSC 试验与PI、PVN 指标相互验证，更准确的分析沥青在中高温使用温度范围内的感温特性.对于施工温度范围内的感温特性，由于沥青已成为黏性流体，可由Brookfield旋转黏度计通过黏温关系评价.由于低温范围内沥青并无明显的相态转变，因此对于低温感温性能，DSC 试验的吸热峰温度区间这一指标并不适用.

3 结 论

（1）PI、PVN、VTS 和DSC 试验结果表明，5～60 ℃，高黏沥青的感温性最弱，60～175 ℃，高黏沥青的感温性最强.这种感温特性使高黏沥青在使用温度范围内的高温区间有稳定的剪切流动变形抵抗能力，同时在施工温度区域又可保证混合料的施工和易性与压实性.

（2）高黏改性剂降低了沥青中对温度较为敏感的轻质组分比例，使沥青在使用温度的中高温范围内的感温性得以改善，且随着改性剂掺量增多，感温性改善效果越显著.

（3）DSC、60 ℃黏度及车辙试验结果表明，改性后高黏沥青DSC 曲线上高温吸热峰的平均吸热量减小、60 ℃黏度增大，动稳定度大，车辙变形小，高温稳定性得到改善且优于SBS改性沥青.

（4）高黏沥青使用温度范围内中高温区间的感温性能可由DSC、PI和PVN 综合评价，低温区间内的感温性能仍需进一步研究.

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