基于流變學的RA改性瀝青性能研究

劉黎萍，王 明

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

近年來，在重載高溫作用下，瀝青的流變特性被認為是影響瀝青路面車轍形成的主要原因之一［1］。為了防止高溫車轍，布敦巖瀝青得到了深入研究和應用。這大多是因為布敦巖瀝青中的瀝青組分屬于硬質瀝青，其本身具有柔韌性變形能力差的缺點，但同時也具有溫度敏感性小和抗車轍能力好等優點［2］。布敦巖瀝青的應用研究已經很普遍，目前的研究大多是把印度尼西亞布敦巖瀝青（簡稱為BRA）加入到混合料中，研究BRA對混合料性能的改善程度［3］；或是把BRA加入到基質瀝青中，與基質瀝青加入等量、等級配礦粉物質進行改性效果的研究。其中，杜少文［3］等人的研究證明了巖瀝青可以改善混合料的疲勞特性；劉樹堂［4］等人對瀝青組分的成分進行了研究，證實了其高瀝青質和低油分的組成特點。而有關BRA中天然瀝青組分對于基質瀝青改性流變性能效果的研究，尚未見報道。

現行用于瀝青流變性能研究的SHRP試驗，并不適合于大顆粒物質存在的改性瀝青［5］研究，因此灰分等顆粒物質的存在對瀝青組分的改性效果有很大的影響，BRA改性瀝青試驗結果往往不能正確評價BRA中瀝青組分的改性效果。作者擬排除灰分等雜質的干擾，探究BRA中瀝青組分對基質瀝青性能的改善效果，設定3個不同的摻量，為進一步研究天然巖瀝青的本質特點、SBS或硫磺等復合改性瀝青或混合料以及BRA在混合料中最佳的摻量范圍提供技術支持。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

選用殼牌A－70＃道路石油瀝青，技術指標滿足相應規范的技術要求；布敦巖瀝青為黑色顆粒產品，其技術指標見表1。其中，從BRA中抽提出來的瀝青組分RA，25℃針入度為13（0.1mm），軟化點為83℃。

表1 布敦巖瀝青性能指標Table 1 Performance index of BRA

1.2 瀝青組分RA摻量

依據《巖瀝青路面工程應用技術指南》［6］推薦的天然巖瀝青改性劑的添加量，以瀝青混合料為基數的摻量為2%～4%，最佳油石比按5%（研究［2－3］表明，巖瀝青摻量在2%～4%時，油石比在4.7%～5.2%之間）計算，BRA中瀝青組分的摻量28%，因此，可以計算得到BRA中瀝青組分和基質瀝青的比例。工程實踐中，經常采用以瀝青混合料為基數的摻量2%和3%，換算成以瀝青為基數的摻量為11.2%～16.8%。以混合料為基數換算成以瀝青為基數的換算比例結果見表2。為了簡便計算，本研究采用10%，15%及20%3個摻量進行后續研究試驗。

表2 換算比例Table 2 The proportion of BRA and RA%

2 試驗結果與分析

2.1 動態剪切流變（DSR）試驗

動態剪切流變儀是用來測試瀝青膠結料粘性和彈性特征的儀器。試驗結果中，G＊為復數剪切模量；δ為相位角；G＊／sinδ為高溫勁度系數，即抗車轍因子，該系數越大，代表瀝青變形越小，越有利于抵抗大車轍產生。采用英國Bohlin的動態剪切流變儀，試驗按AASHTOT315的要求進行。采用應變控制模式.試驗中原樣瀝青設置應變為12%，RTFOT老化后設置應變為10%。根據Superpave規范，原樣瀝青抗車轍因子G＊／sinδ≥1.0kPa，RTF OT老化后瀝青抗車轍因子G＊／sinδ≥2.2kPa。

不同摻量改性瀝青原樣和RTFOT老化后，抗車轍因子試驗結果分別見表3，4。

表3 原樣瀝青的抗車轍因子Table 3 The G＊／sinδof the original asphalt

從表3，4中可以看出：

1）隨著瀝青組分RA摻量的增加，抗車轍因子逐漸增大，瀝青抗變形能力增強，高溫流變特性顯著改善。原樣瀝青在64℃時，瀝青組分摻量為10%的改性瀝青使得基質瀝青的抗車轍因子由1.343kPa提高到2.244kPa；摻量為20%的改性瀝青使得基質瀝青的抗車轍因子由1.343kPa增加到3.334kPa，提高近2.5倍；RTFOT老化后瀝青，摻量為10%的改性瀝青使得基質瀝青的抗車轍因子提高1.13倍；摻量為20%的改性瀝青使得基質瀝青的抗車轍因子提高3.8倍。

2）由于SHRP高溫PG分級溫度區間范圍較大，因此，瀝青組分摻量為10%和15%的改性瀝青無論是原樣瀝青還是RTFOT老化后，均比基質瀝青提高了1個溫度等級，原樣瀝青由PG64變為PG70，RTFOT由PG58提升到PG64。

3）依據SHRP膠結料規范PG分級體系，摻量10%和15%巖瀝青改性瀝青的溫度等級均為64℃，比基質瀝青提高了1個溫度等級；摻量20%巖瀝青改性瀝青提高了2個溫度等級，為70℃，可以達與SBS相同的溫度等級。

表4 老化后瀝青的抗車轍因子Table 4 The G＊／sinδof RTFOT asphalt

2.2 彎曲梁流變試驗

在低溫下，如果瀝青材料的蠕變模量太大，路面容易開裂。因此，為防止路面開裂破壞，需要限制瀝青材料的蠕變模量。本研究采用Cannon公司的9728－V30型低溫彎曲梁流變儀來測量瀝青在極低溫度下的蠕變模量，在BBR試驗中有2個參數，即蠕變模量S和m。按Superpave規范要求，計算得到的t＝60s時的瀝青蠕變模量S≤300MPa，m≥0.30（其中：蠕變模量S為測量瀝青抵抗荷載的能力；m為測量加載后瀝青勁度變化的速率）。m越大越好，這意味著當溫度下降而路面出現收縮時，瀝青結合料的響應將會降低瀝青材料的勁度，減小材料中的拉應力，低溫開裂的可能性也隨之降低。為了探討改性瀝青的低溫性能，在－6℃和－12℃條件下，分別對改性瀝青原樣、RTFOT老化和PAV老化試樣進行了彎曲流變試驗。在－6℃和－12℃條件下，BBR試驗蠕變勁度S和m的測試結果分別如圖1，2所示。

從圖1，2中可以看出：

1）無論是－6℃還是－12℃試驗結果，隨著瀝青組分RA摻量的增加，改性瀝青蠕變模量S增大，m減小，瀝青膠結料變硬，松弛能力降低。

2）隨著BRA中瀝青組分（RA）的增加，改性瀝青的低溫性能有所降低。但是，依據Superpave規范，摻量為5%～15%的改性瀝青均滿足蠕變勁度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求，其溫度等級均為－22℃。

3）依據筆者的研究發現，在－6℃溫度條件下，15%RA摻量的改性瀝青相比10%RA摻量的改性瀝青，其低溫性能要好；在－12℃溫度條件下，15%RA摻量和10%RA摻量的改性瀝青低溫性能一致。可見，在RA摻量小于15%時，改性瀝青的低溫性能相對比較穩定。

4）通過適當控制RA的摻量，改性瀝青的低溫性能還是可以得到保證的。依據筆者的研究，為了保證改性瀝青低溫性能，RA的摻量不宜大于15%。

5）從彎曲梁流變試驗結果來看，RA改性瀝青的低溫性能遠不如SBS改性瀝青的。

2.3 Brookfield旋轉粘度試驗

粘度是流體抗流動的程度，較真實地反映了路面在高溫條件下的實際使用情況。粘度大的瀝青在荷載作用下產生的剪切變形小，彈性恢復能力好，殘留的永久性塑性變形小，說明抵抗車轍能力強。采用美國Brookfield DV－O型數字式粘度儀測定改性瀝青的粘度，不同摻量瀝青組分改性瀝青在不同溫度下的粘溫曲線如圖3所示。

圖3 改性瀝青的粘溫曲線Fig.3 Viscosity－temperature curve of modified asphalt

從圖3中可以看出，瀝青組分（RA）的加入可以增大基質瀝青的粘度。隨著RA摻量的增加，改性瀝青的旋轉粘度逐漸增大，并且均滿足規范不大于3Pa·s的要求。摻量為10%的改性瀝青使得基質瀝青120℃的粘度從1.228Pa·s提高到1.612Pa·s，提高了近30%；摻量為20%的巖瀝青改性瀝青使得基質瀝青135℃的粘度從0.775Pa·s提高到1.274Pa·s，提高了近64%。這是因為BRA中的瀝青組分RA含氮量高［7］，氮元素以官能團的形式存在，這種存在形式使得瀝青的粘度增大，抗氧化性增強，因此，RA在改善瀝青粘度的同時，也降低了瀝青粘度的溫度敏感特性。

由于聚合物SBS的存在，SBS改性瀝青提升粘度的效果優于天然巖瀝青的。因此，從提升基質瀝青粘度的效果來看，BRA中RA改性瀝青的改善效果不及SBS改性瀝青的。

3 結論

1）BRA中瀝青組分RA的加入使得基質瀝青的抗車轍因子顯著提高；摻量為10%和15%時，可以使得基質瀝青提高1個溫度等級；巖瀝青摻量為20%時，可以使得基質瀝青提高2個溫度等級，與SBS改性瀝青達到了相同的溫度等級。

2）隨著瀝青組分RA摻量的增加，改性瀝青的蠕變模量S增大，m減小，瀝青膠結料變硬，松弛能力降低。但是，依據Superpave規范，摻量為5%～15%的改性瀝青均滿足蠕變勁度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求，其溫度等級均為－22℃。

3）隨著瀝青組分RA摻量的增加，改性瀝青的粘度逐漸增大，均滿足規范標準不大于3Pa·s的要求。這是因為BRA中的瀝青組分RA含氮量高，氮元素以官能團的形式存在，這種存在形式使瀝青粘度增大，抗氧化性增強。

4）依據本研究的成果，實際工程應用中，為了保證BRA中瀝青組分與混合料中瀝青達到最好的融合效果和BRA混合料的低溫性能，以基質瀝青為基數，瀝青組分RA摻量不宜大于15%。

（References）：

［1］Marasteanu M O，Clyne T，McGraw J，et al.Hightemperature rheological properties of asphalt binders［J］.Journal of the Transportation Research Board，2005（1）：52－59.

［2］曲恒輝.國產天然巖瀝青微觀結構分析及性能研究［D］.濟南：山東大學，2012.（QU Heng－hui.Microscopic structure analysis and performance of domesticnatural shale asphalt［D］.Jinan：Shandong University，2012.（in Chinese））

［3］杜少文.巖瀝青SBS復合改性瀝青混合料的性能與機理［J］.建筑材料學報，2012，15（6）：871－874.（DU shao－wen.Performance and mechanism of BRA－SBS polymer composite modified asphalt mixture［J］.Journal of Building Materials，2012，15（6）：871－874.（in Chinese））

［4］劉樹堂，楊永順，房建果，等.布敦巖瀝青改性瀝青混合料試驗研究［J］.同濟大學學報：自然科學版，2007，35（3）：351－355.（LIU Shu－tang，YANG Yong－shun，FANG Jian－guo，et al.Experimental research of bituminous mixtures modified by buton rock asphalt［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2007，35（3）：351－355.（in Chinese））

［5］白琦峰，錢振東，趙延慶.基于流變學的瀝青抗疲勞性能評價方法［J］.北京工業大學學報，2012（10）：1536－1542.（BAI Qi－feng，QIAN Zhen－dong，ZHAO Yan－qing.Asphalt fatigue resistance evaluation method based on the rheology［J］.Journal of Beijing University of Technology，2012（10）：1536－1542.（in Chinese））

［6］曹東偉，劉清泉，路軍，等.巖瀝青路面工程應用技術指南［M］.北京：交通部公路科學研究院，2008.（CAO Dong－wei，LIU Qing－quan，LU Jun，et al.Technology guide for natural rock asphalt application in pavement engineering［M］.Beijing：Research Institute of Highway Ministry，2008.（in Chinese））

［7］黃文通，徐國元.布敦巖瀝青混合料路用性能的試驗研究［J］.華南理工大學學報：自然科學版，2012，40（2）：87－91.（HUANG Wen－tong，XU Guo－yuan.Experimental investigation into pavement performance of Buton［J］.Journal of South China University of Technology：Natural Science Edition，2012，40（2）：87－91.（in Chinese））