张跃宏韦金城曾国东李梦月李浩

(1.佛山市公路桥梁工程监测有限公司，广东 佛山528000；2.山东省交通科学研究院，山东 济南250102；3.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南250101 4.佛山市交通科技有限公司，广东 佛山528300)

0 引言

交通量的快速增长，车辆轴载的不断增加，致使沥青路面出现破坏的时间大大提前，这对沥青路面提出了新的挑战。 在当今复杂的交通环境下，沥青路面材料和结构如何应变才能适应新的交通形式是道路建设中一个亟需解决的问题[1-2]。 在沥青路面使用过程中，因车辙和开裂所引起的路面损坏所占比例愈来愈大。 近年来，我国高等级公路沥青路面产生的永久车辙变形日趋严重，是当前高等级公路病害最受关注的问题之一，其产生的主要原因为面层沥青混合料高温稳定性较差，在夏季高温、超载重载现象极其严重的交通环境下，面层沥青混合料在车轮边缘处发生剪切破坏，从而导致车轮下方的路面结构出现变形，其累积形成车辙。 为了解决沥青路面的车辙变形问题，许多专家、道路工作者提出了许多解决方法，其中通过提高沥青模量进而提高混合料模量已成为解决车辙难题的有效手段之一[3-6]。

针对上述问题，国内外已开展了大量的研究，法国等欧洲国家最早开始低标号沥青的应用研究，并将其成功运用到道路工程建设中，设计了基于低标号沥青的高模量沥青混合料[7-8]；我国也开展了低标号沥青的研究，并取得阶段性成果[9]。 此外，韩冰等[10]通过对不同工艺制备高模量沥青的研究发现，中国制备高模量沥青常用的低标号沥青为30＃、50＃，可以表现出优异的抗车辙性能，但低温性能表现欠佳；叶恒鑫等[11]利用50＃沥青设计了应用于沥青路面下面层的新型沥青混合料，其施工检测结果表明，该混合料具有良好的均匀性和密实性；李文娟[12]研究发现沥青标号是影响沥青低温性能的重要因素之一，沥青标号越低，高温抗车辙性越好，低温性能越差。 虽然国内开展了大量改善低标号沥青的低温性能的研究，但在改善低温性能的同时，进一步提升其高温性能的研究较少，因此文章从复合改性手段着手，开展苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer，SBS)改性剂和岩沥青对低标号沥青复合改性的研究，尝试充分发挥两者的性能优势，提高低标号沥青的高温性能和低温抗裂性，不仅对我国低标号沥青的道路工程应用具有重要意义，也为采用SBS 改性剂加岩沥青复合改性方式制备低标号高性能沥青提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料选择

沥青选用50＃基质沥青、改性剂选用SBS 改性剂和岩沥青(北美岩沥青)，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13]对选用材料进行检测，试验结果均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[14]的技术要求，3 种材料的具体试验结果见表1、2。

表1 50＃基质沥青性能指标表

表2 选用改性剂性能指标表

1.2 试验方案

参照JTG E20—2011[13]试验规程，对制备的复合改性沥青的针入度、软化点、10 ℃延度、135 ℃布式黏度及离析等常规性能指标分析评价；采用动态剪切流变仪进行温度扫描试验(试验温度为25 ～85 ℃，温度间隔为5 ℃)，分析复合改性沥青的复数模量G*和相位角δ，并计算车辙因子G*/sinδ；通过沥青弯曲蠕变劲度试验(试验温度为-12、-18 ℃)评价了RTFOT 短期老化后沥青的流变性能，分析沥青样品的蠕变劲度S和蠕变速率m；采用沥青质量快速检测设备LTI-210，在25 ℃条件下进行沥青气动流变回弹试验，评价复合改性沥青的最大蠕变变形、蠕变恢复率和PG 分级。

2 沥青常规性能试验结果与分析

2.1 SBS 改性沥青制备及性能分析

将基质沥青预先在163 ℃烘箱中加热至熔化，分别将掺量为2%、4%、6%的SBS 加入到基质沥青中，采用高速剪切机以4 000 r/min 的速率，在175 ℃温度下剪切40 min，再用搅拌机以500 r/min的速率，在180 ℃温度下搅拌2 h，搅拌完成后分别进行性能试验。 试验结果如图1 所示。

图1 显示了不同掺量SBS 改性剂对50＃基质沥青常规性能影响的变化趋势。 随着SBS 改性剂掺量的增加，制备的改性沥青软化点升高，针入度降低，沥青延度和布式黏度增大，表明改性剂的掺入改善了50＃基质沥青的高、低温性能，这是由于加入SBS 改性剂后，改性剂以微小粒子形式存在改性沥青中，吸收了基质沥青中的软组织成分，从而导致沥青软化点升高，针入度降低，提升了沥青的高温性能；SBS 在沥青中产生交联作用，形成网状结构，使沥青获得弹性，致使沥青延度增强，改善了其低温性能。

图1 不同掺量的SBS 改性沥青常规指标变化图

2.2 复合改性沥青制备及性能分析

将基质沥青预先放在烘箱中加热至熔化后，将4%、6%、8%的岩沥青分别加入到不同掺量的SBS改性沥青中，采用高速剪切机以4 000 r/min 的速率，在175 ℃温度下剪切40 min，剪切过程中将岩沥青分3 次加入，再以2 000 r/min 的速率，在175 ℃温度下剪切15 min，再用搅拌机以500 r/min 的速率搅拌，在180 ℃条件下搅拌2 h，制备完成后分别试验，结果如图2 所示。

根据图2 分析可知，在相同SBS 改性剂掺量条件下，随着岩沥青掺量增加，复合改性沥青的软化点升高、针入度降低、低温延度减小、黏度增大，表明岩沥青的加入进一步改善提升了复合改性沥青的高温性能，但对低温延性的损失影响也较明显。 究其原因在于，岩沥青的掺入使沥青中的沥青质和胶质所占比例增大，软组织成分和饱和分大量减少，随着岩沥青的增加，复合改性沥青的胶体结构也发生了变化，逐渐从凝胶型沥青向溶-凝胶型沥青转变，从而导致改性沥青高、低温性能发生明显改变。

图2 不同掺量的复合改性沥青常规指标变化图

2.3 离析结果分析

为了能够更好地面向工程应用，复合改性沥青的热储存稳定性至关重要。 通过对SBS 改性沥青、复合改性沥青进行离析试验，分析复合改性沥青的热稳定性。 软化点差值结果如图3 所示，其中ΔT为软化点差。

图3 软化点差值变化图

由图3 可知，50＃基质沥青软化点差为0.1 ℃，基本不存在离析现象；当只掺加SBS 改性剂时，随着SBS 改性剂掺量的增加，改性沥青软化点差逐渐变大，当SBS 改性剂掺量为4%、6%时，软化点差超过了规范值2.5 ℃，出现了离析现象；当加入岩沥青后，离析现象有所改善，在SBS 改性剂掺量不变的情况下，岩沥青掺量增加，软化点差逐渐减小。 表明复合改性沥青的热储存稳定性要比单一的SBS 改性剂改善效果好。

3 流变性能试验结果与分析

3.1 高温流变性能分析

中、高温下的沥青流变特征是利用不同温度和荷载条件下的沥青复数模量G*和相位角δ来表征的，美国公路战略研究计划(Strategic H-ighway Research Program，SHRP)将车辙因子G*/sinδ作为评价和控制沥青的高温抗车辙性能指标。 文章利用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer，DSR)来测试沥青在中、高温条件下的黏弹性特征。 试验选用50＃基质沥青、不同掺量SBS 改性沥青和不同配比复合改性沥青进行温度扫描，结果如图4 所示。

由图4 可知，7 种沥青的车辙因子G*/sinδ随温度变化的整体变化趋势一致，均随着温度升高而不断减小，在25 ～35 ℃时下降最快，然后随温度的升高逐渐趋于平缓；掺入SBS 改性剂后，改性沥青的车辙因子明显增大，且SBS 改性剂掺量越高，车辙因子越大；当加入岩沥青后，复合改性沥青的车辙因子进一步增大，而沥青的抗车辙能力:复合改性沥青＞SBS 改性沥青＞基质沥青。 因为沥青车辙因子越小，则沥青的损失柔性剪切柔量越大，沥青中所含的弹性成分越少，沥青的抗车辙能力越差，所以通过SBS 改性剂和岩沥青复合改性方式可以更好地改善提升沥青的高温性能。

图4 复合改性沥青车辙因子变化图

3.2 低温流变性能分析

为了评价沥青结合料的低温性能，美国研究开发了弯曲梁流变仪(Bending Beam Rheometer，BBR)，如图5 所示。 BBR 试件如图6 所示。 在现实的路面环境中，沥青路面要经过很长一段时间才会产生低温开裂，所以研究沥青低温性能结合PAV 长期老化后的低温性能，但鉴于我国路面的低温开裂大多数都发生在早期，因此采用RTFOT 短期老化后的沥青进行低温流变分析。 试验温度选用-12、-18 ℃，测定不同掺量的SBS 改性沥青和复合改性沥青的弯曲蠕变劲度模量S和蠕变速率m值，评价沥青的低温抗裂性能，试验结果如图7 所示。

图5 BBR 试验仪器图

图6 BBR 试件图

图7 不同温度下复合改性沥青BBR 试验结果规律图

在-12、-18 ℃两种试验温度下，随着SBS 改性剂掺量的增加，改性沥青的劲度模量逐渐减小，蠕变速率不断增大；在SBS 改性剂掺量一定的情况下，随着岩沥青的掺入，沥青劲度模量值明显增大，蠕变速率随之减小，沥青的抗低温开裂能力为:SBS 改性沥青＞复合改性沥青＞基质沥青。 因为沥青材料劲度模量S值越大，沥青呈现的脆性越明显，路面越易开裂破坏，m为表征沥青劲度模量随时间的变化速率，其值越小，则随温度降低路面材料的劲度增强，材料中的拉力增大，低温开裂的可能性也随之增大，所以SBS 改性剂的掺入，使沥青在低温环境下所受的拉力变小，有效地改善了沥青的低温开裂性能；岩沥青中含有大量的沥青质，加入后使复合改性沥青的脆性增大，松弛应力下降，从而导致当温度发生剧烈变化时沥青容易发生开裂。 岩沥青的掺入虽然弱化了复合改性沥青的低温抗裂性，但与50＃基质沥青相比仍不失其优势。

4 沥青气动流变回弹性能分析

4.1 沥青气动流变回弹试验原理

气动沥青流变回弹试验采用LTI-210 沥青质量快速检测设备，测量沥青在单一应力或多应力条件下产生的蠕变以及蠕变恢复能力，从而可以快速得出沥青胶结料的PG 分级、最大蠕变变形和弹性恢复率等数据。 该设备的优点是方便轻巧便于携带，可以在5 min 内得到全面表征沥青力学和路用性能的PG 分级。 加载原理示意图如图8 所示。 试验原理[15]如下:

图8 气动回弹试验加载原理图

(1) 沥青气动流变回弹系统利用氮气进行加载，一般试验温度为常温(25 ℃)。 在沥青试件圆形加载区域中加载20 s 氮气，通过测量系统的激光测量系统测量并记录加载时的变形。

(2) 加载结束后，沥青变形开始恢复，恢复时间为10 s；激光测量系统不仅测量加载时的变形，还检测和记录材料卸载后的恢复变形，以便在一定时间内获得材料的变形恢复能力。

(3) 材料加载时的最大蠕变变形和卸载时的变形恢复能力是每种热塑性材料的独特性能，因此可用于快速评估一定温度下沥青材料的力学响应和路用性能。

4.2 流变回弹分析

选取50＃基质沥青、SBS 改性沥青、SBS 和岩沥青复合改性沥青，利用LTI-210 沥青质量控制系统检测设备进行检测。 试验结果见表3，改性沥青蠕变变形和蠕变变形恢复率曲线分别如图9、10 所示。

表3 沥青气动回弹试验结果表

根据表3 和图9、10 分析可知，相较于SBS 改性沥青，复合改性沥青在标准加载条件下产生的最大蠕变变形更小，蠕变恢复率更高，表明复合改性沥青的刚度和模量更大，沥青更硬，且沥青的黏弹性能更好；在SBS 改性沥青中，当改性剂掺量为6%时，改性沥青的回弹率为46.9%，待加入8%的岩沥青后，复合改性沥青的回弹率达到54.2%，其值提升了7.3%，表明复合改性沥青的变形恢复要比单一SBS改善效果更佳。

图9 改性沥青蠕变变形曲线图

图10 改性沥青蠕变变形恢复率图

由表3 得到的PG 结果分析可知，SBS 改性剂和岩沥青的加入提高了沥青的高温等级，当SBS 改性剂掺量为6%、岩沥青掺量为8%时，复合改性沥青相较于基质沥青的高温等级提高了两级；只掺加SBS 改性剂时，低温等级提升了一个等级，但随着岩沥青的加入，低温等级又下降到原先水平。 结合DSR、BBR 试验数据整体分析，岩沥青的加入并没有使沥青的低温性能彻底损失，SBS 改性剂的存在使复合改性沥青保留了一定的低温性能优势；通过沥青气动回弹试验，快速评价并验证了复合改性沥青的PG 等级，再基于最大蠕变变形及变形恢复率进一步验证了SBS 和岩沥青复合改性，从而有效地改善了沥青的高温稳定性和黏弹性能。

5 结论

文章通过沥青性能试验，对基于SBS 改性剂加岩沥青复合改性方式制备的50＃低标号复合改性沥青的性能分析，主要得出以下结论:

(1) 相比单一SBS 改性剂制备的改性沥青，基于SBS 改性剂和岩沥青复合改性的沥青高温性能表现更优，低温性能表现略差，但因SBS 改性剂在复合改性沥青中发挥了低温性能优势，弥补了因岩沥青加入造成的低温性能损失。

(2) 沥青气动回弹试验不仅可以快速获得沥青的PG 分级结果，并且可以通过分析沥青最大蠕变变形和沥青回弹数据，进一步证明SBS 改性剂和岩沥青复合改性低标号沥青可以更好地发挥两种改性剂自身优势，既提高了沥青的高温稳定性，还保留了SBS 低温抗裂性优势，形成相对优势互补。