改性彩色瀝青高低溫性能研究

張雷

（上海建彧企業發展有限公司，上海市 201207）

0 引 言

從20世紀80年代起，我國高速公路建設進入全面發展階段。截止至2016年底，我國高速公路里程數已經突破13萬km，居世界第一位。由于抗滑耐磨，行車較為舒適，噪聲小，便于維護等一系列優點，瀝青路面已成為我國高速公路的主要路面形式，90%以上的高速公路為瀝青路面。

傳統的瀝青路面，即黑色路面，雖然應用廣泛，但也存在以下幾個問題：

（1）缺乏人性、個性，無法滿足城市交通的多元化需求；

（2）黑色路面會給人帶來單調乏味、沉悶的心理與視覺感受；

（3）黑色路面難以與道路周圍環境相協調，無法提升城市形象；

（4）黑色瀝青路面吸收熱量多，會加劇城市“熱島效應”。

針對以上問題，彩色瀝青路面被開發出來。隨著道路與交通功能性的多樣融合，城市交通指引，高速公路出入口，公交專用道等等，彩色瀝青路面的應用愈發廣泛。色彩耐久性最強的一種方式是將彩色瀝青路面用非瀝青的彩色膠結料作為結合料而進行鋪筑。彩色瀝青是采用樹脂和有機溶劑共同調制而成，其中不含瀝青成分，具有特殊的材料特性。彩色瀝青路面不僅滿足一般路面具有的基本使用功能，還具有誘導交通，區分交通區間，對于來往車輛有警示作用，以及改善路面景觀，美化城市的功能。

但以往的研究和工程經驗表明，彩色瀝青膠結料性質的剛性可以達到很大，但彈性不足，蠕變性能也會有些缺乏，彩色瀝青往往會用于與一般改性瀝青相同的路段，因此需要對彩色瀝青進行改性。

目前國內外瀝青路面開始逐步廣泛采用各類改性瀝青，以彌補基質瀝青在高溫、低溫等條件下性能的不足。其中，以SBS改性類、橡膠粉改性類及聚乙烯PE改性類應用較多。其中，由于近年來對瀝青路面排水、降噪要求的提高，OGFC開級配抗滑磨耗層（大孔隙開級配排水式瀝青磨耗層）技術得到了大力發展。對于OGFC瀝青路面，大多采用高粘SBS改性瀝青，從而改善路面的抗剝落性。因此，SBS作為一種改性劑，其對基質瀝青各項性能的影響非常值得研究[1-5]。

從以上闡述可以看出，將彩色瀝青進行改性，并對其高溫及低溫性能進行研究，對彩色瀝青路面的車轍、開裂等損害的防治，具有重大意義。

基于以上，該項研究針對基質瀝青與道路工程常用改性瀝青，并對比幾種經過改性后的彩色瀝青，主要通過瀝青的高溫與低溫性能指標，分析基質瀝青、改性瀝青與不同彩色瀝青的高溫、低溫流變性能差異，為在道路實際工程中，對不同彩色瀝青的選用提供借鑒與指導。

1 實驗材料及方案

1.1 實驗材料

該項實驗中選取5種瀝青進行實驗對比。分別為：70#基質瀝青，2%線型SBS改性瀝青，彩色瀝青，經過2%線型SBS改性后的彩色瀝青及經過0.4%PE改性后的彩色瀝青。為方便對實驗數據進行分析及作圖，將以上5種瀝青進行編號處理，見表1所列。

表1 實驗所用瀝青及編號一覽表

1.2 實驗方案

該項研究的目的為探究不同道路彩色瀝青與彩色改性瀝青的高溫與低溫流變性能差異。對所研究的各種瀝青進行一系列流變性能測試，主要包括：以高溫車轍因子（G*/Sinδ）指標與不同低溫溫度下勁度模量和m-value值等參數。為代表的有美國公路戰略研究計劃SHRP（Strategic Highway Research Program）瀝青膠結料流變性能測試。為了更好地貼近工程實際應用，全部測試參數均采用標準測試中規定的參數。

1.2.1 動態剪切流變試驗（DynamicShear Rheometer，DSR）

該項研究采用TA公司AR1500ex型動態剪切流變儀（DSR）來描述改性瀝青的黏彈性特征。試驗采用應變控制模式，對于原樣和RTFO短期老化后的瀝青均采用2%的應變水平，試驗溫度為5℃～75℃，溫度梯度為10℃，測試頻率為0.1 Hz～30 Hz。對于5℃、15℃和25℃的瀝青采用8 mm直徑的平行板夾具，上下平行板距離為2 mm，其他溫度試驗采用25 mm直徑的平行板夾具，上下平行板距離為1 mm，通過測試得到巖瀝青改性瀝青在不同測試溫度和加載頻率下的復數剪切模量G*與相位角δ，以此來構建其黏彈性主曲線模型。

采用標準PG分級測試對瀝青老化前后的高溫指標進行測定。實驗參數如下：振蕩頻率選用10rad/s；應變值：原樣瀝青為10%，老化瀝青為12%；選用25 mm轉子，在4個溫度（58℃，64℃，70℃與76℃）下，對瀝青短期老化后的G*參數進行測試。

1.2.2 彎曲梁流變測試（Bending-BeamRheometer，BBR）

在常規的瀝青試驗中，還沒有瀝青在低溫區的溫度敏感性指標，而是采用針入度指數PI來對瀝青的感溫性進行預測。但是這種方法并不能科學準確地反映瀝青在對應溫度區間的溫度敏感性。此外，由于瀝青在低溫下較為堅硬，不能夠用DSR試驗來測試得到其性能參數，因此，SHRP研究者提出用彎曲梁流變測試[6]來精確地評價瀝青在低溫下的性能。彎曲梁流變試驗可以直接充分地反映環境溫度和時間對瀝青材料低溫流變性能的影響，常被用來評價瀝青混合料的低溫性能[7]。

該項研究采用美國CANNON公司生產的瀝青低溫彎曲梁流變儀（TE-BBR，Thermoelectric Bending-Beam Rheometer）來描述多種瀝青的在低溫下的流變指標特征。該套儀器備有SHRP計劃全套測試儀器，符合或超過相關ASTM D6648，AASHTO T313，SH/T0775標準。TE-BBR能控制溫度在0.03℃以內，遠遠超過現行瀝青膠結料彎曲梁蠕變試驗方法的要求，儀器測量試件變形精確度可達 0.155 μm，力的精確度在 0.147 mN（0.015 g）。

在BBR試驗中，在恒定溫度下，在瀝青小梁上加載一個恒定持續的應力，模擬了在氣溫下降時路面的溫度應力逐漸增加的過程。在240 s的試驗時間內測量小梁中點處的蠕變變形，計算得到蠕變勁度模量S和蠕變變形速率m-value，蠕變勁度模量表征了瀝青抵抗蠕變應力的能力，而m-value是瀝青蠕變勁度模量隨加載時間的變化量。

在樣品準備的過程中，將測試的瀝青樣品首先灌入到矩形的鋁制模具中。模具包括底板、邊板和端部，塑料條和橡膠環。在組裝模具之前需要用石油基潤滑油涂在模具的內表面，將三個塑料條放置在潤滑的表面，然后用甘油和滑石粉組成的隔離劑涂在塑料條的內表面，最后用橡膠環組裝固定起來。瀝青樣本加熱到呈流動狀態（大約135℃，不超過163℃），然后從一端到另一端來回傾倒入模具中。冷卻45～60 min后，用熱刮刀刮去表面多余的瀝青。模具連同試樣在室溫下放置不超過2 h。在此過程中，調整好水浴槽及校正好BBR儀器參數。然后將試樣連同模具一起放入-5℃的水浴槽中進行5～10 min的脫模。脫模必須十分小心，防止試樣在實驗前出現損壞。最后是恒溫階段，需要把試樣放入恒溫水槽中至少1 h。設備和試樣準備如圖1所示。

圖1 BBR試驗設備及試樣之實景

在1 h的恒溫過程結束后，將瀝青小梁移到支架上。開始進行一系列的加載試驗過程。首先是35 mN的預加載過程，以確保小梁與支架緊密接觸，然后自動加載1 s大小為980 mN的力，逐漸卸載20 s。在20 s加載過程結束后，開始進行測試。在小梁上加載250 s大小為980 mN的力，通過位移傳感器測得小梁中間位置的變形量。在測試過程中，計算機屏幕上顯示了力和位移隨時間變化的曲線。在240 s之后，測試加載停止，軟件自動計算出蠕變勁度模量，以及蠕變勁度模量的變化率。

小梁理論蠕變勁度模量的計算公式如式（1）所示：

式中：S（t）為蠕變勁度模量，MPa；P 為加載的恒定應力，N；L為小梁支架的距離，為102 mm；b為小梁的寬度，為12.5 mm；h為小梁的厚度，為6.25 mm；δ（t）為變形量，mm。

蠕變勁度模量的期望值需要滿足瀝青在最低路面設計溫度下加載2 h的要求。SHRP研究者們證實通過將該溫度提高10℃，就能夠僅加載60 s得到等效的蠕變勁度模量。AASHTO M320要求蠕變勁度模量在特定的溫度等級下，在60 s時，必須≤300 MPa。如果蠕變勁度模量在300～600 MPa之間，并且蠕變變形百分比≥0.3，則要進行直接拉伸試驗，通過失效應變來代替蠕變勁度模量。m-value表征了蠕變勁度模量隨時間的變化率。為了得到m-value，在系統加載時間內，計算了連續的蠕變勁度模量。m-value是蠕變勁度模量的對數和時間對數關系的斜率。Superpave規程要求m-value值在60 s時必須≥0.3.

2 瀝青D SR高溫性能指標測試

該項測試采用標準PG分級測試對各類瀝青的高溫指標進行測定。選用25 mm轉子，在4個溫度（58℃，64℃，70℃與 76℃）下，對各類瀝青的車轍因子G*參數進行測試。G*和δ的兩種組合形式被用來描述瀝青性能。試驗溫度下的車轍因子G*/Sinδ可以描述瀝青路面抵抗永久變形的能力，在最高路面設計溫度下，其值越大，表示瀝青的流動變形越小，其抗車轍性能越優異。該試驗為以動態正弦波的動態加載方式加載，加載頻率為10 rad/s，相當于80 km/h的行駛車速。

其實驗數據如表2所列。

表2 不同溫度下各種瀝青車轍因子實驗結果一覽表 kPa

為求更加全面與直觀的對比，圖2展示了5種瀝青在4種不同高溫下的車轍因子指標比較。

圖2 各種瀝青在不同高溫下的車轍因子指標比較柱狀圖

由圖2的數據可以看出，隨著溫度由58℃升至76℃，各類瀝青的車轍因子都有所降低，但各瀝青之間的差異逐漸減小。這說明，隨著溫度的升高，瀝青的粘彈性特性發生了變化，主要表現為材料抵抗變形能力和變形恢復能力的減弱，即：瀝青整體復數模量的減小和瀝青中彈性部分所占比例的減小。此外，通過對比4種溫度下的試驗結果，發現在4種高溫下，各類瀝青的車轍因子變化規律基本一致。

通過對比可以發現，彩色瀝青與基質瀝青的高溫抗車轍性能接近，由原樣基質瀝青改性的2%SBS改性瀝青高溫性能最優。只有在較高溫度下（＞64℃），彩色瀝青的才會表現出較差的高溫抗車轍性能。

在彩色瀝青中，加入SBS與PE改性劑，均能顯著提高原彩色瀝青的高溫抗車轍性能，兩者相比，0.4%PE的改性提高效果更為顯著，甚至基本達到2%SBS改性瀝青的高溫性能水平。并且，從經濟角度考慮，PE改性劑的價格低于SBS改性劑，因此，在工程應用中，應優先選用0.4%摻量的PE改性劑對彩色瀝青進行改性。

3 瀝青BBR低溫性能指標測試

通過對5種不同瀝青在各溫度（-6℃、-12℃、-18℃）下進行BBR試驗測試，得到勁度模量和m-value值，將其實驗結果進行比較分析。實驗數據如表3所列。

將5種瀝青的勁度模量與m-value值進行對比，對比結果見圖3與圖4所示。

圖4 各種瀝青在不同低溫下的m-value指標比較柱狀圖

由圖3可知，隨著測試溫度的降低，所有瀝青的勁度模量都發生顯著提升。對比不同瀝青，可以看出，五種瀝青中，在不同低溫下，2%線型SBS改性瀝青的低溫性能都是最優的。相對于70#基質瀝青，未經改性的彩色瀝青的勁度模量略高，但向彩色瀝青中加入改性劑后，其勁度模量有了明顯下降。2%SBS與0.4%PE兩種改性方案相比，經過2%SBS改性的彩色瀝青的勁度模量較低，低溫性能較好，說明該種改性方案更勝一籌。值得一提的是，在三種低溫情況下，-6℃和-12℃下改性劑對彩色瀝青低溫性能的改善效果并不明顯，在極端低溫條件下（-18℃），2%SBS與0.4%PE改性彩色瀝青的低溫性能的優異性非常顯著，甚至好于2%SBS改性瀝青。

在BBR實驗中，m-value值越大，說明瀝青的低溫性能越好。從圖4中關于BBR實驗中的另一指標m-value值的數據分析來看，隨著實驗溫度的降低，各個瀝青的m-value值也不斷降低。這說明隨著溫度降低，瀝青硬度增加，脆性增加，更容易產生低溫裂縫。對比各種瀝青之間的m-value值差距較為不明顯。在三種不同低溫下的比較也出現了排序不同的情況，這對指導不同瀝青的選用造成了困擾。因此，在評價不同彩色瀝青的低溫性能時，不宜采用m-value值作為選用指標。

4 結 論

本文分別通過動態剪切流變試驗（Dynamic Shear Rheometer，DSR）與彎曲梁流變實驗（Bending-Beam Rheometer，BBR） 對 5種瀝青進行了高溫性能與低溫性能對比研究。主要關注彩色瀝青與兩種改性彩色瀝青的性能研究。主要有如下結論：

（1）彩色瀝青的高溫抗車轍性能與低溫抗開裂性能均略低于70#基質瀝青，2%摻量的線型SBS改性瀝青兼具較為優異的高溫性能與低溫性能。

（2）在彩色瀝青中，加入SBS與PE改性劑，均能顯著提高原彩色瀝青的高溫抗車轍性能與低溫抗開裂性能。在所選的兩種改性方案中，2%SBS改性彩色瀝青的高溫性能與低溫性能均更優，但若考慮市場成本因素，則應在需要鋪筑彩色瀝青的路段選用0.4%PE彩色瀝青，其有較為優異高溫性能，且市場價格較SBS改性類低。

（3）用m-value指標無法明顯區分出不同彩色瀝青的低溫性能差異。因此，在評價不同彩色瀝青的低溫性能時，不宜采用m-value值作為選用指標。