兩種試驗方法中不同改性瀝青低溫性能比較研究

余致力 趙旭菁

摘要：節能環保材料在道路建設中受到國內外學者青睞，新材料的應用有益于我國的可持續發展。本研究通過小梁彎曲蠕變試驗（BBR）和新型低溫瀝青混合料裂縫測量試驗（ABCD）對使用了Sasobit、再生瀝青瓦（RAS）、再生瀝青（RAP）、生物油這四種改性劑的路面材料低溫性能進行了測試評價，對比分析含有不同摻量改性劑的瀝青低溫性能，同時并對比分析了兩種試驗評價方法的差異。試驗結果表明：溫拌劑摻量超過一定的比例會導致瀝青低溫性能降低，生物瀝青有效提高了瀝青的低溫性能，ABCD試驗可作為BBR試驗評價瀝青低溫性能的驗證試驗。

關鍵詞：道路工程;改性瀝青;低溫性能;BBR;ABCD

1、 前言

目前我國高速公路主要以瀝青路面為主，瀝青路面有高溫開裂、低溫開裂、永久變形和疲勞開裂等病害。瀝青路面性能主要取決于瀝青混合料的性能，因此瀝青混合料除了滿足交通荷載作用之外，還應具有良好的路面性能。隨著交通荷載的急劇增加，天氣條件變得苛刻，學者們正傾向于通過新型改性劑來提高瀝青混合料性能。

常見的瀝青改性劑有抗車轍劑、木質纖維、聚酯纖維、溫拌劑等。學者們已開發出Sasobit、Aspha-Min和沸石溫拌劑，在瀝青混合料中摻入改性劑能夠大大提高瀝青路面性能。孫吉書研究發現Sasobit改性劑可以提高瀝青混合料高溫性能與動穩定性[1]。Shaffie等人研究了納米聚丙烯酸酯聚合物改性劑（NPA）對熱拌瀝青混合料的車轍性能[2]。徐世法發現RAP摻量的增加，對瀝青混合料的高溫性能、低溫性能以及疲勞性能都有影響[3]。郭娟發現當RAP摻量為50%時，瀝青混合料的高溫性能和低溫性能都較好[4];Baaj Hassan研究了RAS和RAP改性瀝青混合料的熱力學特征[5]。夏慧蕓認為RAS摻量是影響瀝青混合料的剛度的重要因素[6]。曹雪娟對生物質重油和生物瀝青的制備進行研究[7]。周宇認為生物瀝青具有經濟性、環保性與可再生性等特點，動物糞便是提取生物油的重要來源[8]。各種改性劑對瀝青混合料的抗車轍性、高溫性、動穩定性能都有所提高，鮮有關于改性劑對瀝青低溫性能的研究。

目前國內外對改性瀝青低溫性能沒有統一的評價標準，張肖寧認為臨界開裂溫度與瀝青混合料低溫性能關聯度最大，其次是SHRP低溫分級、粘溫系數和低溫損失模量[9]。美國SHRP計劃中BBR試驗用蠕變勁度和蠕變速率評價瀝青低溫性能，但通過假設條件計算出的低溫開裂溫度與實際經驗相關性不夠理想。

因此，為了研究改性劑對瀝青的低溫性能，本文選擇Sasobit、RAS、RAP和生物油四種改性劑制備改性瀝青。在現有的BBR試驗基礎上，采用ABCD試驗方法直接測量瀝青的低溫開裂溫度，比較分析四種改性瀝青低溫性能。

2、 試驗簡介

2.1 原材料

（1）基質瀝青：采用中海油70號基質瀝青，針入度6.7mm，軟化點49.3℃，延度>150cm，密度1.01g/cm3，閃點289℃。

（2）Sasobit：改良劑Sasobit由德國Sasol-Wax公司生產的，該溫拌劑為乳白色的固體小顆粒，凝固點98℃，閃電284℃，密度0.94g/cm3。Sasobit摻量選用為0.5%、1.5%、3.5%。

（3）RAP：針入度3.3mm，軟化點63℃，延度3.1cmRAP。摻量為50%和100%。

（4）RAS：來自緬因的廠制瓦，采用高速剪切的方式，其中轉子的剪切速率為9600轉/min。本研究選用RAS摻量分別為5%和10%。

（5）生物油：廢舊油脂，密度0.956g/cm3，粘度11.4%，含水率2.82%，液限指數21%，塑性指數2.5。摻量分別為2%、5%、10%。

2.2 BBR試驗

選用的瀝青樣品經過旋轉薄膜烘箱加熱老化（RTFO）及壓力老化容器長期老化（PAV）。通過鋁扁平坯料成型瀝青小梁試件，尺寸長為127-2.0mm、寬為12.70-0.05mm、厚為6.35-0.05mm，向控溫液體浴中的試件施加240s期間的恒定負載，試驗荷載為980±50mN。BBR測試記錄的參數為蠕變勁度S和蠕變速率m。

2.3 ABCD試驗

設備包括一組帶有應變儀的四個模環，一個帶軟件的數據采集單元和一個冷卻室。將瀝青膠結料在烘箱中（溫度為150℃）加熱，直到瀝青膠結料具有流動性以便于澆注。將瀝青膠結料倒入四個ABCD模具環中，冷卻30分鐘。使用刮刀從模具表面修剪多余瀝青膠結料，使其高度與模具的頂層相同，將樣品放入ABCD設備的冷卻室。ABCD試驗在25℃、0℃、-60℃和25℃分別進行0小時、0.5小時、3.5小時和4.5小時。確保ABCD室和數據收集計算機之間連通，實時記錄在此過程中的應變和溫度值并生成應變-溫度曲線。當瀝青開裂時，應變曲線突然發生轉折，此時的溫度值即為實際開裂溫度。

3、 試驗結果分析

按照上述方法進行BBR和ABCD試驗，試驗結果如表1。

3.1 BBR和ABCD試驗結果比較分析

3.1.1 Sasobit改性瀝青

摻量為3.5%Sasobit改性瀝青的蠕變勁度高于未改性基質瀝青瀝的蠕變勁度。摻入Sasobit導致應變水平降低，蠕變勁度增大。隨著Sasobit摻量的增加，蠕變速率降低，勁度模量增大。因此，Sasobit改性劑對瀝青的低溫性能產生不利影響。從0.5%至1.5%Sasobit摻量的改性瀝青混合料，其開裂溫度降低3.2℃;摻加3.5%Sasobit，其開裂溫度降低5.6℃。Sasobit摻量越多，在較低溫度下開裂的可能性就越大。

對于BBR試驗中，改性瀝青的蠕變勁度增加，蠕變速率減小，改性瀝青開裂溫度增加。由于在零下溫度下，Sasobit產生硬化效應，當溫度以20℃/h的速率下降時，它更容易受到早期開裂的影響。

3.1.2 RAS

RAS摻量為10%瀝青的蠕變勁度高于摻量為5%熱拌瀝青混合料。回收再生瀝青瓦含量越高，老化行為和蠕變勁度越高。在-34℃條件下，5%、10%摻量RAS的熱拌瀝青混合料將不會發生低溫開裂。RAS摻量為5%、10%熱拌瀝青混合料開裂溫度分別為-47.8℃、-41.0℃。RAS摻量越大，開裂溫度越低。

兩個結果均表明當RAS百分比增加時，蠕變勁度增加、蠕變速率減小，并且瀝青更早地發生開裂，這對不同RAS摻量瀝青的低溫開裂性能研究奠定基礎。

3.1.3 RAP

RAP摻量為50%瀝青的蠕變勁度超過規范要求的最大值300 MPa，這表明其已經老化并發生了低溫開裂。100%摻量RAP瀝青的蠕變勁度達到367.2MPa，其低溫抗裂性極差。RAP摻量為100%瀝青比摻量為50%瀝青更早開裂，100%摻量的瀝青比50%摻量具有更高的剛度特性。

RAP摻量從50%增加到100%時，蠕變勁度增加、蠕變速率減小。隨著RAP摻量增加，瀝青開裂溫度升高。表明瀝青蠕變勁度增加，開裂溫度也將增加。

3.1.4 生物瀝青

兩種方法表明隨著生物油含量百分比的增加，開裂溫度降低，蠕變勁度逐漸減小，蠕變速率逐漸增大，低溫性能開裂性越好。因此，生物油有利于提高瀝青的低溫抗裂性能，向基質瀝青中摻加生物油可以提高瀝青的低溫開裂性能。

4、 結語

本研究采用BBR試驗和ABCD試驗對四種瀝青的低溫性能進行比較，得出以下主要結論：

（1）與常采用的BBR試驗相比，ABCD試驗可以確定瀝青混合料開裂溫度，評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。

（2）從BBR試驗結果和ABCD試驗結果來看，Sasobit、RAS、RAP對于瀝青的低溫抗裂性能均產生了不利影響，而生物油的摻入有利于提高瀝青的低溫抗裂性能，生物油摻量越多，瀝青低溫性能越好。

（3）本研究采用兩種試驗方法對比分析了四種改性瀝青低溫性能，為道路工程建設路面材料的選擇應用奠定了基礎。

參考文獻：

[1]孫吉書，肖田，楊春風，靳燦章，溫拌再生瀝青混合料的路用性能研究，重慶交通大學學報30（2） （2011） 250-253.

[2] E. Shaffie， J. Ahmad， D.J.A.M. Kamarun， Materials， Rutting Performance of Hot Mix Asphalt Mixture Using Nanopolyacrylate Polymer Modifier， 752-753 （2015） 194-198.

[3]徐世法，郭虹良，何志敏，黃玉穎，李思童，溫拌改性再生劑對AC-13廢舊普通瀝青混合料的性能影響評價，新型建筑材料45（06） （2018） 33-36.

[4]郭娟，王立輝，高RAP摻量熱再生瀝青混合料動態流變性能研究，公路63（09）（2018）242-248.

[5] Baaj， Hassan， Mohsen， Tapsoba， Sauzeat， B.J.M. Di， Structures， Thermomechanical characterization of asphalt mixtures modified with high;contents of asphalt shingle modifier （ASM（A （R））） and reclaimed asphalt;pavement （RAP）， 46（10） （2013） 1747-1763.

[6]夏慧蕓，劉冠宇，宋莉芳，張曉，陳華鑫， Y. He， M.Z. Alavi， D. Jones，無溶劑法評價高RAP和RAS摻量的瀝青混合料性能，中外公路 38（03） （2018） 248-253.

[7]曹雪娟，劉譽貴，曹芯芯，劉攀，苗成成，馮云霞，生物質重油與生物瀝青制備及性能，長安大學學報（自然科學版） 39（03） （2019） 27-35.

[8]周宇， 陳良銳， 生物瀝青的研究性綜述， 住宅與房地產（03） （2018） 127.

[9]詹小麗，張肖寧，譚憶秋，盧亮，改性瀝青低溫性能評價指標研究，公路交通科技（應用技術版）24（9）（2007）42-45.