颜可珍宋小金

(1.中国路桥工程责任公司，北京 100011； 2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 3.绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082； 4.湖南中大检测技术集团有限公司，湖南 长沙 410082)

0 前言

TLA是产自特立尼达湖的天然沥青，用其生产的TLA改性沥青具有良好的高温性能、抗老化性能、抗疲劳性能以及储存稳定性[1-2]。此外，TLA改性沥青制作的工艺简易，生产成本较低[3]，因此被广泛应用在道路建设中。但TLA改性沥青的缺点也很明显：Charles F.R.等[4-5]发现TLA中的灰分使TLA改性沥青具有很小的低温延度。石越峰等[6]通过DSR试验发现随TLA掺量和胶粉比的增大，TLA改性沥青的劲度模量增大和蠕变速率减小。梁星敏等[7]发现随TLA掺量增大，TLA改性沥青的低温延度降低。代勇和石立万[8]发现TLA改性沥青的劲度模量随TLA掺量呈指数增加的趋势，蠕变速率随TLA掺量呈线性递减的趋势。以上研究说明TLA改性沥青的低温抗裂性能较差，这限制了其在寒冷地区的进一步应用，应采用其他外加剂以提升其低温性能。SBR是由丁二烯与苯乙烯的单体聚合后再接枝苯乙烯构成的橡胶类聚合物[9-10]。研究表明，SBR改性剂可以有效提升沥青的低温性能，不但SBR改性沥青被广泛用于严寒地区，SBR还常被用作改性剂来改善其他改性沥青的低温性能[11-13]。但目前鲜有用SBR来改性TLA改性沥青的研究。

为了改善TLA改性沥青的低温性能，本文用SBR对其进行改性，以期综合2种改性沥青的优点。对不同掺量的TLA(5%、10%、20%、30%)和SBR(0%、2%、3%和4%)的复合改性沥青进行了常规试验、DSR试验与BBR试验，并测量了短期、长期老化后的残留针入度比，研究TLA与SBR掺量对TLA/SBR复合改性沥青的高温性能、低温性能、流变性能与老化性能的影响规律。

1 试验

1.1 试验材料

采用的70#基质沥青的基本指标(见表1)均满足规范JTG F40-2004[14]要求，采用40目的白色SBR(型号1502)，采用的TLA的基本性能见表2。SBR/TLA复合改性沥青制备程序如图1所示。

表1 70#沥青基本性能Table1 Thebasicpropertiesofbaseasphalt指标25℃针入度/0.1mm软化点/℃5℃延度/cm135℃旋转粘度/(Pa·s)测试值69.750.2>1500.54技术要求60～80≥47≥100≥0.18

表2 TLA基本性能Table2 ThebasicpropertiesofTLA〛指标25℃针入度/0.1mm软化点/℃灰分/%密度/(g·cm-3)测试值409336.71.3072

图1 TLA/SBR复合改性沥青制备流程Figure 1 The preparation process of TLA and SBR composite modified asphalt

1.2 试验方法

通过15 ℃，25 ℃，30 ℃针入度试验、5 ℃延度试验以及135 ℃旋转黏度试验，并根据针入度试验结果计算出针入度指数与当量脆点，来评价TLA/SBR复合改性沥青的常规性能。通过DSR试验来测试复合改性沥青的中高温流变性能，采用应变控制模式，温度扫描区间为30 ℃～90 ℃，扫描频率为10 rad/s；通过BBR试验来测试低温流变性能。采用薄膜烘箱试验(TFOT)来模拟沥青的短期老化，再将经过TFOT后的沥青试样进行压力老化试验(PAV)来模拟沥青的长期老化过程。以上试验均根据试验规程JTG E20-2011[15]进行。

2 试验结果

2.1 常规性能

2.1.1针入度P、针入度指数PI与当量脆点T1.2

针入度(25 ℃)试验结果见图2。由图2(a)可见，随着SBR掺量增大，TLA/SBR复合改性沥青的针入度逐渐减小且幅度逐渐增大，对下降趋势进行回归拟合发现其符合用二次多项式y=A·x2+B·x+C(见表3)。这说明掺入SBR可以改善沥青的高温性能，这是由于SBR会吸引沥青中的沥青质形成更紧凑密实的平衡体系，沥青分子在高温下移动时会受到更大的阻力[9]，因此沥青的针入度会有明显的下降。

图2 TLA/SBR复合改性沥青的25℃针入度Figure 2 The results of 25°C penetration

由图2(b)可见，随着TLA掺量增大，针入度也是逐渐减小但下降趋势逐渐变缓，对下降趋势进行回归拟合发现其符合用指数方程y=D·eEx(见表4)。这说明掺入TLA可以改善沥青的高温性能，这是由于TLA中的灰分与沥青质的含量高，灰分可以与基质沥青发生交联作用形成了结构沥青，此外添加TLA提高了改性沥青中沥青质的比例，从而提高了沥青胶体的刚度，以上两方面的共同作用提高了沥青的高温性能，导致了针入度的减小[6-7]。由表4可见，随SBR掺量增加，系数D逐渐减小而系数E的绝对值逐渐增大，D的减小说明了不掺TLA时，SBR单独改性也能改善沥青的高温性能；而E的绝对值增大则说明了随SBR掺量的增大，TLA对沥青的高温性能改善效果会更显著，证明SBR与TLA复合改性对高温性能的提升要好于SBR或TLA单一改性，这是由于两者复合改性在沥青内部构成更稳定的网状构造，对高温性能的提升更有效。

对比图2(a)与(b)，当SBR掺量为0%时，由5%增到30%的TLA，针入度降低了48.1%；而当TLA掺量为5%时，由0%增至4%的SBR，针入度降低了16.4%。相比于SBR，TLA对复合改性沥青的高温性能的改善效果更显著。

表3 针入度随SBR掺量变化的二次多项式方程回归拟合Table3 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofSBRcontent沥青种类ABCR25%TLA -0.640.0561.491.00010%TLA-0.53-0.6152.620.97620%TLA-1.031.2141.701.00030%TLA-0.32-1.5831.920.989

表4 针入度随TLA掺量变化的指数方程回归拟合Table4 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofTLAcontent沥青种类DER20%SBR69.18-0.0260.9982%SBR69.12-0.0300.9863%SBR64.08-0.0310.9884%SBR61.56-0.0370.999

根据规范JTG E20-2011[15]，针入度的对数lgP与测得该针入度时的温度呈线性关系式(1)，用线性回归方程的系数A和常数项K可以计算出针入度指数PI式(2)和当量脆点T1.2式(3)。通过15、25、30 ℃针入度计算出的PI与T1.2分别见图3、图4。

lgP=AT+K

(1)

PI=30/(1+50A)-10

(2)

T1.2=(lg1.2-K)/A

(3)

图3 TLA/SBR复合改性沥青的PI指数Figure 3 PI index of TLA and SBR composite modified asphalt

图4 TLA/SBR复合改性沥青的当量脆点Figure 4 Equivalent brittle point of TLA and SBR composite modified asphalt

PI是评价沥青感温性的指标，PI越大，温度敏感性越小。由图3可见，在SBR掺量相同时，随TLA掺量的增大，PI均逐渐增大。说明掺入TLA降低了沥青的温度敏感性。此外，0%SBR的PI折线在最下方，2%SBR与3%SBR的PI折线相交在中部，4%SBR的PI折线在最上方。说明随着SBR掺量的增大，PI也基本是随之增大的，掺入SBR可以降低TLA/SBR复合改性沥青的感温性。当TLA掺量为30%时，不同SBR掺量的复合改性沥青的PI非常接近，说明当TLA掺量高时，SBR对感温性的改善效果不明显。

T1.2是评价沥青低温性能的指标，T1.2越大，对应沥青的低温性能越差。由图4可见，在SBR掺量相同时，随TLA掺量的增大，T1.2均逐渐增大；在TLA掺量相同时，随TLA掺量的增大，T1.2均逐渐减小。说明掺入TLA对TLA/SBR复合改性沥青的低温性能不利，掺入SBR则可以有效改善复合改性沥青的低温性能。

2.1.2软化点

从图5可以发现，随着TLA和SBR的增大，软化点均逐渐增大，意味着TLA和SBR均可以改善沥青的高温性能，这是由于TLA增加了沥青质比例，TLA中的灰分发生交联作用形成结构沥青，而SBR吸附TLA与基质沥青中的沥青质形成了更稳定的结构[6，7，10]。当SBR掺量为0%时，由5%增到30%的TLA，软化点增大了48.4%；而当TLA掺量为5%时，由0%增至4%的SBR，软化点仅增大了8%。相对于SBR，TLA能更好地改善沥青的高温性能，这与根据针入度得出的结论相吻合。

图5 软化点结果Figure 5 The results of softening point

2.1.3延度

延度试验(5 ℃)结果见图6。由图6(a)可见，随着SBR掺量增大，复合改性沥青的延度逐渐增大但趋势逐渐放缓，当SBR掺量达到3%后，延度增加十分缓慢。对上升趋势进行回归拟合发现其符合用二次多项式y=A·x2+B·x+C(见表5)。说明掺入SBR可以改善沥青的低温抗裂性，从改善低温性能与节约成本两方面综合考虑，建议SBR掺量为3%。在低温环境和荷载作用下，沥青最初会出现银纹，随着荷载的增大，银纹逐渐发展、延伸形成破坏性的裂纹，导致沥青开裂。而SBR在复合改性沥青中的形成的网状结构能抑制银纹继续发展，使其不能发展成裂纹，只要网状结构并未完全破坏，就能保证沥青在低温下的继续延展，从而改善了沥青的低温抗裂性能[11-12]。由表5可见，常数C随TLA掺量增加而减小，这说明TLA单一改性会使沥青延度降低。

图6 TLA/SBR复合改性沥青的5℃延度Figure 6 The results of 5 ℃ ductility tests

表5 延度随SBR掺量变化的二次多项式方程回归拟合Table5 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofSBRcontent沥青种类ABCR25%TLA-0.112.4919.470.99610%TLA-0.333.0715.440.99320%TLA-0.503.9510.191.00030%TLA-0.282.975.750.993

由图6(b)可见，随着TLA掺量增大，延度逐渐减小且减小趋势逐渐变缓，说明掺入TLA对复合改性沥青低温性能不利，这是由于TLA的掺入增大了复合改性沥青中沥青质的比例，使沥青的刚度增大、柔韧性降低。对减小趋势进行回归拟合发现其符合用指数方程y=D·eEx(见表6)，由表6可见，随SBR掺量的增大，系数D逐渐增大，而系数E的绝对值先减小到3%的SBR时又缓慢增加。这说明掺入SBR能改善沥青的低温性能，且能减弱TLA对沥青低温性能的负面影响的显著程度，但SBR掺量最好不要超过3%。

表6 针入度随TLA掺量变化的指数方程回归拟合Table6 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofTLAcontent沥青种类DER20%SBR25.11-0.0480.9952%SBR28.67-0.0330.9823%SBR29.61-0.0280.9844%SBR31.24-0.0290.992

2.1.4布氏旋转黏度

沥青的黏度代表着沥青抵抗流动剪切的能力，旋转黏度越大代表着沥青的在高温条件下抵抗车辙变形能力越好。TLA/SBR复合改性沥青的135 ℃旋转黏度如图7所示，随着TLA和SBR增加，旋转黏度值均有所提高，这表示两者均能改善沥青的高温性能。当SBR掺量为0%时，由5%增到30%的TLA，旋转粘度增大了322.4%；而当TLA掺量为5%时，由0%增至4%的SBR，旋转粘度仅增大了77.6%。相对于SBR，TLA能更好地改善沥青的高温性能。黏度值过大不利于沥青混合料的施工，因此规范JTG F40-2004[14]要求135 ℃的旋转黏度不得超过3.0 Pa·s。由图可见，SBR/TLA沥青的135 ℃黏度值均满足规范要求。

图7 135 ℃布氏黏度结果Figure 7 135 ℃ viscosity test results

2.2 流变性能

2.2.1中高温流变性能

DSR试验得到指标为：复合模量G*和相位角δ。G*表征沥青在相应的温度和频率下抵抗剪切变形的能力，G*越高表示沥青的抗流变性能越强；δ表征沥青从受到应力(应变)到自身产生应变(应力)的时间差，δ越小表示沥青越接近弹性固体，反之则更接近粘性流体[6]。美国SHRP以车辙因子G*/sinδ作为评价沥青高温抗车辙能力的指标，G*/sinδ与沥青的高温性能呈正相关。DSR试验得到的G*和δ见图8，根据70 ℃G*和δ计算的车辙因子见图9。

由图8可见，在相同的温度和SBR掺量下，随着TLA增加，TLA/SBR复合改性沥青的G*增大而δ减小。所有G*随温度变化曲线(G*-T曲线)几乎分为两部分，5%TLA与10%TLA的G*-T曲线接近，10%TLA与20%TLA的G*-T曲线相差较远，20%TLA与30%TLA的G*-T曲线接近。以上说明TLA可以提高沥青的高温抗变形能力，5%～20%的TLA对G*的提升迅速，当TLA掺量超过20%后，TLA对G*的提高不明显。对比各分图可见，在相同的温度和TLA掺量时，随着SBR增加，TLA/SBR复合改性沥青的G*增大而δ减小，这说明SBR对改善沥青的高温抗变形能力也有积极作用。

由图9可见，在相同的SBR掺量下，随着TLA掺量的增加，改性沥青的车辙因子均逐渐增大，但幅度在20%TLA时开始变缓，说明掺入TLA可以改善沥青的高温性能，从改善高温性能与节约成本两方面综合考虑，建议TLA掺量为20%。在相同的TLA掺量下，随着SBR掺量的增加，车辙因子也是逐渐增大，说明SBR同样能能改善沥青的高温性能。当TLA掺量为5%时，4%的SBR与2%的SBR的车辙因子相差4.1 kPa；当TLA掺量为30%时，4%的SBR与2%的SBR的车辙因子仅相差0.5 kPa，说明随着TLA掺量的增加，SBR掺量对含SBR复合改性沥青的车辙因子的影响逐渐减小。

图8 复合模量及相位角Figure 8 Complex modulus and phase angle

图9 70 ℃时TLA/SBR复合改性沥青的车辙因子Figure 9 Rutting factor of TLA / SBR composite modified asphalt

2.2.2低温流变性能

BBR试验能得到沥青在低温环境下的劲度模量S和蠕变速率m。S表示沥青的硬度，S越大代表沥青越硬脆、越容易开裂；m值是S随时间变化的速率，m值越大，S随时间变化越快，在荷载作用下应力更容易分散，低温性能越好[6]。BBR试验结果见图10。

图10 低温弯曲梁蠕变试验结果Figure 10 Low-temperature bending beam rheological test results

由图10(a)可见：在固定的TLA与SBR掺量下，随温度的下降，S逐渐增大，验证了沥青随温度降低会变硬。在固定的TLA掺量及温度下，S随SBR掺量的增大而逐渐减小；在固定的SBR掺量及温度下，S随TLA掺量的增大而增大。由图10(b)可见：在固定的TLA与SBR掺量下，随温度的下降，m逐渐减小，这说明沥青在低温情况下不容易分散应力，而容易开裂。在固定的TLA掺量及温度下，m随SBR掺量的增大而逐渐增大；在固定的SBR掺量及温度下，m随TLA掺量的增大而减小。说明掺入TLA对TLA/SBR复合改性沥青的低温性能不利，而掺加SBR能增加沥青的柔韧性，提高沥青的低温抗裂性。

由图10可见，即使当SBR掺量达到3%，20%TLA在低于-12 ℃、30%TLA在低于-18 ℃时的S与m仍然不能满足Superpave的规定[16](加载60 s时，S≤300 MPa，m≥0.3)，因此处于低温性能方面的考虑，建议TLA的掺量不超过20%。

2.3 抗老化性能

用短期老化、长期老化后25 ℃的残留针入度比残留针入度比(见图11)来评价TLA/SBR复合改性沥青的抗老化性能。残留针入度比是指老化后沥青的针入度占未老化沥青的针入度的百分比，残留针入度比越大，沥青的抗老化性能越好[3]。

图11 残留针入度比Figure 11 Residual penetration ratio

由图11可见，随TLA掺量的增大，2%SBR短期、长期老化后的残留针入度比与3%SBR短期老化后的残留针入度比均逐渐增大，当TLA掺量超过20%后，残留针入度比的增大趋势很缓慢；随TLA掺量的增大，3%SBR长期老化后的残留针入度比先增大后减小，拐点在20%TLA。在5%～20%的TLA，随SBR掺量的增大，短期、长期老化后的残留针入度比均有所增大；在30%的TLA，随SBR掺量的增大，短期老化后的残留针入度比增加幅度很微弱，而长期老化后的残留针入度比却有所下降。对比SBR，TLA对沥青抗老化性能的改善效果更显著。以上描述说明：掺加5%～20%的TLA能有效改善TLA/SBR复合改性沥青的抗老化性能，但当掺量超过20%，TLA对抗老化性能有改善已不明显甚至有负面效果。在5%～20%的TLA，增大SBR掺量能改善沥青的抗老化性能；在30%TLA，增大SBR掺量会损害沥青的抗老化性能。从抗老化性能改善效果来看，推荐TLA掺量为20%。

3 结论

a.随TLA掺量的增大，软化点、旋转粘度、针入度指数均增大，针入度呈指数下降；随SBR掺量的增大，软化点、旋转粘度、针入度指数均增大，针入度减小。SBR与TLA都能改善TLA/SBR复合改性沥青的高温性能和感温性。对比TLA，SBR对沥青高温性能的改善效果更显著。

b.随TLA掺量增大，当量脆点增大，5℃延度呈指数下降；随SBR掺量增大，5℃延度增大，当量脆点减小。TLA对沥青低温性能不利，掺加SBR能改善沥青的低温性能。从改善低温性能与节约成本两方面综合考虑，建议SBR掺量为3%。

c.随着SBR与TLA掺量增加，G*和车辙因子都逐渐增大，δ逐渐减小，说明SBR和TLA都能改善沥青的高温抗变形能力。当TLA掺量超过20%后，TLA对的G*和车辙因子的改善效果减弱，从改善高温性能与节约成本两方面综合考虑，建议TLA掺量为20%。

d.掺入TLA会使TLA/SBR复合改性沥青的S值增大、m值减小，对沥青的低温性能不利；掺入SBR会使S值减小、m值增大，改善沥青的低温抗裂性。为满足Superpave对低温性能的规定，建议TLA的掺量不超过20%。

e.掺加TLA能改善TLA/SBR复合改性沥青的抗老化性能，但TLA的掺量不宜超过20%。在5%～20%的TLA，SBR能改善沥青的抗老化性能；在30%的TLA，增大SBR掺量会损害沥青的抗老化性能。