程金梁，熊子佳，黄冲，洪锦祥

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

0 引言

排水沥青路面是指压实后空隙率在18%～25%，能够在沥青混凝土内部形成排水通道的路面结构，具有排水、防滑、降噪等使用优点，在当今城市内涝严重、国家大力发展“海绵城市”的大背景下具有重要推广价值。由于排水沥青路面特殊的大空隙结构，因此需要高粘度的改性沥青提供优异的胶结作用[1]，进一步实现其路面使用功能。高粘度改性沥青的粘弹性、粘度等信息对排水沥青路面的抗车辙、抗飞散、高低温等使用性能至关重要，研究不同沥青的粘弹性很有必要。流变仪是一种精密、操作简便的测试仪器，通过对改性沥青进行稳态试验可以获得沥青粘度等参数；通过动态试验（DSR），可进一步获取温度、频率等对改性沥青粘弹性的影响结果[2－3]。刘聪慧[4]通过对不同掺量的高粘度改性沥青进行流变性能研究，得到了改性剂最佳掺量等信息。骆建平等[5]通过对高模量沥青和基质沥青进行温度、频率和应变扫描等流变学研究，验证了温度、荷载等对改性沥青抗车辙和抗疲劳能力的影响结果。目前关于不同种类沥青制备的高粘度改性沥青及其路面服役条件对流变性能的影响研究较少，通过流变性能对比研究，可以简洁快速获得大量的高粘度改性沥青粘弹性信息，有助于深入理解改性沥青性能变化，并指导排水沥青路面用改性沥青的对比和选择。

本文以基质沥青和SBS改性沥青为基体胶结料，采用自主研发的高粘度改性剂（TPS－1）和国外某对比产品（TPS－2）为改性剂分别制备高粘度改性沥青。用流变仪通过剪切速率扫描、温度扫描、频率扫描和应变扫描等实验，考察改性沥青的粘弹性等流变参数变化，探究了高粘度改性沥青的高低温性能，为高粘度改性沥青的选择和应用提供参考。

1 实验

1.1 试验材料

沥青：分别为韩国SK70#基质沥青和中石化泰州石化SBS改性沥青，基本性能见表1。自制高粘度沥青改性剂（TPS－1）：由弹性体加以增粘、增容、增塑等组分，通过双螺杆挤出机共混造粒加工制备而成；对比高粘度沥青改性剂（TPS－2）：日本某公司产品。

表1 沥青的基本性能

1.2 改性沥青制备方法

将70#基质沥青加入盛样器中并保持温度在180℃，分别加入沥青质量12%的2种不同高粘度改性剂。采用剪切机以4500 r/min高速剪切0.5 h，并放入180℃烘箱中发育0.5 h，完成后立即浇模进行相关实验；用SBS改性沥青制备高粘度改性沥青的方法与以上制备方法相同，只是2种改性剂掺量均为沥青质量的10%。4种改性沥青分别命名为：12%TPS－1、12%TPS－2、10%TPS－1（SBS）、10%TPS－1（SBS）。

1.3 流变试验方法

采用Anton Paar MCR102流变仪对4种改性沥青分别进行稳态流变试验和动态流变试验。

（1）稳态试验：采用PP25转子，剪切速率扫描范围为10－4～102s－1，温度为 60 ℃。

（2）动态试验：①温度扫描分别采用 PP08（－30～30℃）和PP25（25～80℃）转子，应变分别为0.1%和1%，升温速率为1℃/min，频率为10 Hz；②频率扫描采用PP25转子，应变为1%，角频率为1～100 rad/s，温度为60℃；③应变扫描采用PP25转子，应变为1%～50%，频率为10 Hz，温度为60℃。

2 结果与分析

2.1 剪切速率对改性沥青粘度的影响

高粘度沥青的60℃粘度是一个很重要的指标参数，对排水沥青路面大空隙结构的粘结性、抗飞散能力等路用能力至关重要。目前高粘度沥青粘度测试方法有动力粘度、布氏粘度等，但是动力粘度测试存在剪切速率不确定的问题，而布氏粘度60℃测量方法繁琐且粘度值采用间接外推的方法得到，以上2种粘度测试方法均会影响测试结果的准确性。零剪切粘度[6－7]采用流变仪进行剪切速率扫描测试，定义粘度平台区域为零剪切粘度，测试结果具有简单快速、准确性较高、合理性强的特点。图1为4种改性沥青的剪切速率扫描曲线。

图1 不同改性沥青的流变曲线

从图1可见，在低剪切速率下改性沥青粘度基本不变，之后随剪切速率增大粘度逐渐降低，符合改性沥青粘度的剪切变稀特性。其中在 10－3～10－2s－1剪切范围内，粘度基本为平台区，将此范围粘度平均值定义为零剪切粘度[6]。通过数据可以计算出12%TPS－1样品的零剪切粘度为51 406 Pa·s，远大于国外对比样12%TPS－2的23 894 Pa·s。同等掺量下，自主研发高粘度改性剂制备的改性沥青零剪切粘度为国外某对比样品的2倍多。用SBS改性沥青替换基质沥青对高粘度改性剂改性后，10%TPS－1（SBS）样品的零剪切粘度为 93 288 Pa·s，仍远大于 10%TPS－2（SBS）的 53 375 Pa·s。此外，以 TPS－1样品为例，可以发现用SBS改性沥青替换基质沥青制备高粘度改性沥青，在降低改性剂掺量的前提下，零剪切粘度从51 406 Pa·s大幅度增加至93 288 Pa·s。总之，通过剪切速率扫描实验，可以发现同等掺量条件下自主研发的高粘度改性剂在粘度方面有明显优势；通过SBS改性沥青替换基质沥青制备改性沥青，在保证零剪切粘度的前提下可以降低改性剂掺量，从而达到节省成本的目的。

2.2 温度对改性沥青高低温性能的影响

沥青是一种温度敏感材料，使用性能受环境高低温影响较大，因此研究温度对改性沥青性能的影响很有必要。图2为在低温条件下，4种改性沥青的温度扫描曲线。其中，通过耗能模量G″曲线的转折点可以得到改性沥青的玻璃化转变温度（Tg）[8]。Tg是表征沥青胶体从玻璃态到高弹态转变的温度，一般Tg越低，改性沥青低温性能越好[9]。

从图2可以得出，12%TPS－1样品的Tg为－21.5℃，低于12%TPS－2样品的－17.0℃，说明12%TPS－1样品的低温性能较好。同理，用SBS改性沥青制备改性沥青10%TPS－1（SBS）样品（Tg为－22.7℃）的低温性能仍好于 10%TPS－2（SBS）（Tg为－19.0℃）。此外对于同一种改性剂，用SBS改性沥青替换基质沥青后，Tg降低，低温性能有相应的提高。不同改性沥青的玻璃化转变温度Tg见表2。

图2 不同改性沥青的低温扫描曲线

表2 不同改性沥青的玻璃化转变温度Tg

图3和图4分别为基质沥青和SBS沥青制备的高粘度改性沥青在高温范围内的温度扫描曲线。

图3 基质沥青制备的高粘度改性沥青高温扫描曲线

图4 SBS沥青制备的高粘度改性沥青高温扫描曲线

由图3、图4可见：

（1）随温度升高，4种改性沥青的车辙因子均逐渐减小，符合改性沥青高温软化的特性。对于12%TPS-1和12%TPS-2样品，可以发现在测试温度范围内，12%TPS-1的车辙因子大于12%TPS-2，说明自主研发高粘度沥青改性剂制备的改性沥青高温性能较优。对于10%TPS-1（SBS）和10%TPS-2（SBS）样品，同样可以得出10%TPS-1（SBS）的车辙因子大于10%TPS-2（SBS），但两者相差不大。

（2）TPS-1样品制备的改性沥青的相位角均小于TPS-2样品。而相位角反映沥青材料的粘弹性比例，相位角越小，材料弹性占比越强，在高温条件下更不容易变形，与TPS-1抗车辙能力较强相符。

以TPS-1样品为例，由SBS改性沥青替换基质沥青制备高粘度改性沥青后可以发现，在40～70℃范围内，12%TPS-1样品的车辙因子大于10%TPS-1（SBS），可能是在此温度范围内改性剂掺量发挥主导作用；在70～80℃范围内12%TPS-1样品的车辙因子小于10%TPS-1（SBS）样品，可能是因为12%TPS-1样品在高温条件下受温度影响相对更大，抗车辙性能没有 10%TPS-1（SBS）样品稳定。

总之，在高温扫描范围内TPS-1改性剂的车辙因子均大于TPS-2，因而自主研发产品抗车辙能力较强。此外，可以根据路面实际环境温度选择是否用SBS改性沥青替换基质沥青制备改性沥青；当路面温度大于70℃时，用SBS改性沥青制备的高粘度改性沥青其抗车辙性能更好。

2.3 频率对改性沥青高温性能的影响

路面在实际服役情况下，会受到行车速度的影响。特别是排水沥青路面，一般建设在城市快速路、高速公路等路面，但不可避免的会出现低速行车、急刹车的情况，此时可能对排水沥青路面的损害更大。路面实际行车速度与角频率有关，行车速度越慢，角频率越小[5]。研究改性沥青车辙因子随角频率的影响变化，有助于深入理解行车速度对沥青路面服役性能的影响。图5为在60℃条件下，4种改性沥青的频率扫描曲线。

图5 不同改性沥青的频率扫描曲线

由图5可见，随着角频率降低，车辙因子逐渐降低，也从一定程度说明在低速行车时路面更容易产生车辙和破坏。不管是用基质沥青还是SBS改性沥青制备的改性沥青，TPS-1的车辙因子总大于TPS-2。说明在急刹车、陡坡或低速行驶时，用TPS-1制备的改性沥青抗路面车辙的能力更强，更不容易产生路面破坏。此外，随着角频率增加，两种改性剂制备改性沥青的车辙因子差距逐渐降低。以TPS-1为例，比较基质沥青和SBS改性沥青制备高粘度改性沥青的区别，可以发现在低中频区用SBS改性沥青制备的改性沥青抗车辙能力更强，而在高频区基质沥青制备的改性沥青抗车辙能力稍强。总之，在60℃温度下用TPS-1改性剂制备的改性沥青抗车辙能力大于TPS-2，且用SBS改性沥青替换基质沥青制备的改性沥青在低频区抗车辙能力更强。

2.4 应变对改性沥青高温性能的影响

应变与路面承受的荷载有关，应变越大，路面受到的荷载越强[5]。通过研究应变与车辙因子的相互关系，可以进一步分析荷载对路面使用功能的影响。图6为4种改性沥青在60℃温度条件下的应变扫描曲线。

图6 不同改性沥青的应变扫描曲线

由图6可见，4种改性沥青随应变增加，车辙因子先保持不变然后有下降的趋势。其中，在应变测试范围内，TPS-1制备的改性沥青其车辙因子均大于TPS-2样品，说明其抗车辙能力较强。以TPS-1样品为例，随荷载从1%增加至50%，12%TPS-1的车辙因子从44.8 kPa降低至39.3 kPa，降低了12.3%；而 10%TPS-1（SBS）的车辙因子从 39.0 kPa降低至37.1 kPa，只降低了4.9%。TPS-2样品与TPS-1样品存在同样的变化趋势。总体而言，4种改性沥青在测试条件下的车辙因子均达到30 kPa以上，抗车辙能力均较强；其中用SBS沥青替代基质沥青制备的改性沥青，其抗车辙能力受路面的荷载变化的影响相对较小，一定条件下可以适应路面行车荷载较大的情况。针对路面服役的荷载情况，可以有针对性的选择合适的改性沥青。

3 结语

（1）同等掺量下，自主研发高粘度改性剂比国外某对比产品在零剪切粘度上有明显优势。通过SBS改性沥青替换基质沥青制备高粘度改性沥青，在保证性能的前提下可降低至少2个百分点的改性剂掺量。

（2）TPS-1在低温性能、高温性能均优于国外某对比产品。同一种改性剂，用SBS改性沥青替换基质沥青制备改性剂，其低温性能更好；改性沥青的高温性能与工作温度相关，可以根据路面温度的不同选择是否用SBS改性沥青替代基质沥青制备改性沥青。

（3）通过60℃条件下频率扫描和应变扫描，可以得出路面的抗车辙能力与频率和应变等条件密切相关。根据路面行车速度和荷载等实际服役路况，通过车辙因子与频率、应变等关系，可以有针对性的对比和选择合适的改性沥青。