不同外加劑對瀝青PG分級影響研究進(jìn)展

（中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100195）

PG （Performance Grade）分級是美國20 世紀(jì)90年代SHRP （Strategic Highway Research Program，戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃）計(jì)劃的研究成果，是Superpave （Superior Performing Asphalt Pavement，高性能瀝青路面）成果之一，該分級體系通過測試瀝青的流變性能，依據(jù)瀝青適用的路面最高溫度和最低溫度對瀝青材料進(jìn)行分級，完全顛覆了傳統(tǒng)的按照25 ℃針入度和60 ℃動力黏度進(jìn)行分級的方法[1]。PG 分級體系最大的區(qū)別是突破了以往經(jīng)驗(yàn)性的試驗(yàn)方法，采用全新的試驗(yàn)方法對瀝青不同溫度下的流變性能進(jìn)行測試，其中動態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)（DSR）來測試瀝青高溫和中等溫度下的性質(zhì)，彎曲梁試驗(yàn)儀試驗(yàn)（BBR）來測試瀝青低溫下的性質(zhì)，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）來模擬在生產(chǎn)熱拌瀝青混合料過程中瀝青發(fā)生的短期老化過程，PAV（Pressurized Aging Vessel）壓力老化罐試驗(yàn)來模擬瀝青路面使用后長期老化過程。

瀝青是一種粘彈性流體，研究發(fā)現(xiàn)不同材料對瀝青的PG 分級有一定程度的影響，基于此，本研究總結(jié)了目前國內(nèi)外相關(guān)研究成果，介紹了溫拌劑、橡膠粉、SBS 等不同材料對瀝青PG 分級性能的影響，為瀝青性能的提高和添加劑的選擇提供參考。

1 PG 分級流變性能參數(shù)

1.1 復(fù)數(shù)剪切模量和相位角

復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ是用來表征瀝青粘彈性能最基本的兩個(gè)參數(shù)，可以通過動態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)（DSR）測得。復(fù)數(shù)剪切模量G*越大，材料抵抗應(yīng)力的能力越強(qiáng)；相位角δ反映了瀝青結(jié)合料彈性（儲能模量G′）與粘性（損耗模量G″）成分的比例，δ值越大，瀝青中粘性成份所占比例越大，即變形不可恢復(fù)的部分越大，越容易產(chǎn)生永久變形。

1.2 車轍因子

美國Superpave 瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中，以原樣瀝青及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱后殘留瀝青的車轍因子|G*|/sinδ（其中|G*|為瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量，δ為瀝青材料相位角）作為瀝青高溫性能的評價(jià)指標(biāo)，要求原樣瀝青|G*|/sinδ不低于1.0 kPa，RTFOT 后殘留瀝青|G*|/sinδ不低于2.2 kPa，|G*|/sinδ越大，PG 分級的溫度等級越高，表明瀝青的高溫性能越好，其抗流動變形能力也越強(qiáng)。

1.3 蠕變勁度及其變化率

在Superpave 瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中，以瀝青結(jié)合料BBR 試驗(yàn)指標(biāo)彎曲蠕變勁度模量S和蠕變曲線斜率m（勁度模量對荷載作用時(shí)間的曲線斜率）作為評價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能評價(jià)指標(biāo)，要求RTFOT 和PAV 后殘留瀝青的S不大于300 kPa，m不小于0.3。蠕變勁度模量S表征瀝青膠漿的柔性，S值越小，表示其低溫抗開裂性能越好；蠕變曲線斜率m表征瀝青膠漿的松弛性能，m值越大，表明其應(yīng)力釋放速度越快，松弛能力越強(qiáng)，低溫抗裂性能越好。

式中，S（t）為時(shí)間等于60 s 時(shí)的蠕變勁度；P為荷載，取100 g；L、b、h為小梁的尺寸參數(shù)；δ（t）為時(shí)間等于60 s 時(shí)小梁的撓度。通過記錄小梁撓度和時(shí)間關(guān)系曲線，可以計(jì)算出蠕變勁度及其變化率[2]。

2 外加劑對瀝青PG 分級性能的影響

2.1 溫拌劑

溫拌瀝青是一種節(jié)能環(huán)保的新材料，與傳統(tǒng)的熱拌瀝青相比，具有拌和、壓實(shí)溫度更低，瀝青煙排放量更少等優(yōu)點(diǎn)。目前，主流瀝青溫拌技術(shù)分為三大類：有機(jī)添加劑技術(shù)、乳化瀝青技術(shù)和發(fā)泡技術(shù)，其技術(shù)關(guān)鍵在于如何降低瀝青在較低溫度下的拌和黏度而且不對其路用性能產(chǎn)生損害。

沙索蠟是合成氣經(jīng)過費(fèi)托工藝生產(chǎn)得到的長鏈脂肪族烴，它是一種高熔點(diǎn)蠟，能夠降低瀝青的高溫黏度，從而提高其路用性能，因此應(yīng)用更為廣泛。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)以沙索蠟為代表的有機(jī)降粘型溫拌劑對瀝青的PG 分級性能具有較大的影響。Zhang 等[3]采用沙索蠟為溫拌劑，考察了不同沙索蠟摻量對瀝青流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)沙索蠟的加入提高了瀝青的復(fù)數(shù)模量而且降低了相位角，使得車轍因子有所增加，從而提高了瀝青的PG 高溫性能；隨著沙索蠟摻量的增加，同一溫度下的車轍因子呈線性增加的趨勢；此外，對于70 號基質(zhì)瀝青而言，需要添加至少3%的沙索蠟才能使得瀝青的PG 高溫等級提高一個(gè)級別，而90 號基質(zhì)瀝青則至少需要添加5%的沙索蠟才能達(dá)到同樣的效果。譚憶秋[4]采用SPSS 軟件對沙索蠟含量與瀝青流變性能指標(biāo)（包括復(fù)數(shù)模量、相位角以及車轍因子）進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)沙索蠟的含量與相位角之間的相關(guān)系數(shù)較大，說明沙索蠟的加入對瀝青的相位角影響顯著。剛增軍[5]考察了沙索蠟溫拌劑對橡膠瀝青的高低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入溫拌劑后，橡膠瀝青的車轍因子增大，蠕變勁度增加，蠕變速率降低，說明其抗高溫車轍能力增強(qiáng)，抗低溫開裂能力減弱，綜合考慮推薦溫拌劑摻量為2.5%～3%。

Aspha-min 是一種合成沸石，其主要成分為鋁硅酸鈉，含水率高達(dá)21%[6]。Aspha-min 摻入瀝青后形成的水蒸氣誘發(fā)瀝青發(fā)泡，從而降低其黏度，使得瀝青混合料生產(chǎn)施工溫度降低25 ～30 ℃[7，8]。Biro[9]指出發(fā)泡型溫拌劑對瀝青結(jié)合料流變性能的影響可以忽略。劉克非[10]對比了Aspha-min 與沙索蠟這兩種溫拌劑對瀝青PG 分級性能的影響，發(fā)現(xiàn)沙索蠟的加入對瀝青的PG 分級產(chǎn)生強(qiáng)化作用，且在正常范圍內(nèi)摻量越高影響越大，而Aspha-min 的加入則影響不大，說明溫拌劑對瀝青PG 分級的影響與其種類、含量等均有關(guān)。

2.2 橡膠粉

橡膠瀝青是伴隨著道路行業(yè)的發(fā)展與輪胎的再生利用而開發(fā)的一類改性瀝青產(chǎn)品。利用廢橡膠粉作為瀝青改性劑，既可以將廢舊輪胎變廢為寶，又可以改善瀝青及其混合料的路用性能，具有較好的發(fā)展前景。

米寧[11]通過向70 號基質(zhì)瀝青中摻入不同含量（0%，5%，10%，15%）的橡膠粉來制備橡膠改性瀝青，并采用頻率掃描的方式來研究橡膠瀝青的動態(tài)剪切流變性能，發(fā)現(xiàn)同一溫度條件下，改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量隨著橡膠粉摻量的增加而逐漸增大，說明其抗變形能力不斷增強(qiáng)。張鵬[12]則通過采用溫度掃描的方式來研究橡膠瀝青的動態(tài)剪切流變性能，發(fā)現(xiàn)同一頻率條件下，隨著橡膠粉摻量（0%，5%，10%，15%，20%，25%）不斷增加，改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量逐漸增大，其相位角不斷減小，故而車轍因子不斷增大，抗車轍性能顯著提高；通過考察改性瀝青的低溫蠕變性能，發(fā)現(xiàn)橡膠粉改性瀝青的勁度模量S值和蠕變速率m值均隨著橡膠粉摻量的增加而減小，且適當(dāng)?shù)南鹉z粉摻量可以使得改性瀝青的PG 低溫等級有所改善。黃松[13]指出向70 號基質(zhì)瀝青中摻入適當(dāng)橡膠粉大幅度增加了車轍因子，從而能夠有效提高瀝青的PG 高溫等級。連真毅[14]發(fā)現(xiàn)橡膠粉對瀝青高溫流變性能的提升存在最佳摻量，當(dāng)橡膠粉摻量達(dá)到28%時(shí)，橡膠瀝青的相位角增大，復(fù)數(shù)剪切模量減小，車轍因子隨之減小，這主要是由于橡膠粉摻量過高會阻礙膠粉的溶脹反應(yīng)及膠粉間的交聯(lián)作用，使得橡膠瀝青的高溫抗剪切能力反而減弱。

此外，不少研究者探討了橡膠粉摻量對瀝青高溫流變性能影響的作用機(jī)理，認(rèn)為向基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉后，瀝青中輕質(zhì)組分被膠粉吸收，彈性組分比例升高，導(dǎo)致相位角δ減小；同時(shí)膠粉吸收瀝青以后，發(fā)生溶脹作用，從而形成了膠粉與瀝青連續(xù)或者相互交錯連續(xù)的三維空間結(jié)構(gòu)，增加了瀝青高溫抗剪切能力，導(dǎo)致復(fù)數(shù)剪切模量G*增加[15-17]。

2.3 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）

SBS 是苯乙烯類嵌段共聚物，具有良好的彈性、變形自恢復(fù)性和裂縫自愈性，能夠顯著提高瀝青的高低溫性能及抗疲勞性能，因而目前是應(yīng)用最為廣泛的一類瀝青改性劑。在SBS 改性瀝青的制備過程中，SBS 經(jīng)過高速剪切的作用交聯(lián)于瀝青內(nèi)部并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅使得瀝青的常規(guī)性能指標(biāo)（針入度、軟化點(diǎn)等）發(fā)生變化，而且對瀝青的粘彈特性具有顯著影響。

暢潤田[18]考察了不同摻量（0%，1%，3%，5%，7%）的SBS 對改性瀝青流變性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)SBS 的加入使改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量增加，相位角減小，并且摻量越大變化幅度越大，說明SBS 可以顯著提升瀝青的抗變形能力。楊國明[19]通過頻率掃描、彎曲梁流變試驗(yàn)（BBR）等方式研究了不同結(jié)構(gòu)的SBS 對改性瀝青高低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)SBS 改性劑能顯著提高瀝青的儲存模量和損失模量，提升瀝青黏彈性能；且相比于星型SBS 改性劑而言，線型SBS 改性劑更能有效提升瀝青低溫性能。劉振玉[20]采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)（DSR）分析了技術(shù)指標(biāo)對老化前后改性瀝青PG 分級的影響，發(fā)現(xiàn)與基質(zhì)瀝青相比，經(jīng)過短期老化后SBS 改性瀝青的車轍因子增加量較小，PG 高溫等級會降低。

2.4 其他外加劑

除了溫拌劑、橡膠粉及SBS 等主流外加劑外，某些新型材料的摻入也會影響瀝青PG 分級及其流變性能。冉龍飛[21]利用膨潤土特殊的“層狀結(jié)構(gòu)”，通過有機(jī)化“插層”預(yù)處理來制備納米膨潤土改性瀝青，發(fā)現(xiàn)瀝青的PG 等級由PG64-22 提高到PG70-22，說明納米膨潤土的摻入能夠提高瀝青的高溫抗變形能力，但對低溫抗開裂性能無明顯影響。馬峰[22]研究了氫化苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物（SEBS）對橡膠瀝青低溫流變性能影響，發(fā)現(xiàn)SEBS 的摻入對低溫蠕變速率無明顯影響，但能夠顯著減小瀝青蠕變勁度，降低其PG 低溫連續(xù)分級溫度（TLC），從而提高其低溫抗裂性能。

3 結(jié)論與展望

不同外加劑的摻入對瀝青的PG 分級及其性能參數(shù)具有一定的影響，沙索蠟溫拌劑能夠提高瀝青的PG 高溫性能，但會對PG 低溫性能造成一定程度的損害，而適宜摻量的橡膠粉和SBS 能夠同時(shí)改善瀝青的PG 高低溫性能，因此在制備改性瀝青時(shí)充分考慮到不同種類的外加劑對改性瀝青流變性能的影響，并根據(jù)不同的技術(shù)要求合理選擇外加劑，從而提高改性瀝青的PG 分級性能。