改性沥青的高温性能评价指标研究.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202304008开放科学（资源服务）标识码（OSID）改性沥青的高温性能评价指标研究许益东，许艳芝（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉430100）摘要：为准确评价改性沥青的高温性能，通过常规性能试验和动态剪切流变试验测试复合SBS 改性沥青、胶粉改性沥青、SBS 改性沥青的当量软化点、车辙因子、等效黏度等高温性能指标，同时分析老化对改性沥青各高温性能指标的影响。研究表明：G*/(sin)9对相位角敏感程度较高，相比于 G*/sin，其更适合评价和表征改性沥青的高温性能。G*/(sin)9的临界温度 T 明显高于 G*/sin，而 G*/sin 的 T 值不宜用来计算表征改性沥青的高温性能分级。=sin4.862 8G*/与抗车辙因子G*/(sin)9的相关性最好，相关系数均在 0.9 以上，更适合作为改性沥青的高温性能评价指标。复合SBS 改性沥青高温性能最优，胶粉和 SBS 改性剂复合改性相比于胶粉或 SBS 改性能够有效提高沥青的黏度和弹性。关键词：沥青路面；改性沥青；高温性能；评价指标；车辙因子；等效黏度中图分类号：U416.217文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)05 0105 06 0 引言截至 2022 年底，我国高速公路中沥青混凝土路面占比达 95%，高温病害是沥青路面主要破坏形式之一，沥青混合料的高温性主要有集料级配和沥青胶结料性能贡献。在我国，大多采用聚合物改性沥青作为胶结料来提高沥青混合料的高温性能，如何准确评价改性沥青的高温性能，对整体评价沥青路面的高温性能尤其重要。目前，国内外评价改性沥青高温性能的指标主要有软化点、当量软化点、60 黏度和美国公路战略研究计划（SHRP）中的车辙因子 G*/sin 等。软化点是评价沥青高温稳定性能的重要指标，但我国很多普通沥青存在软化点高、高温稳定性不好的现象，原因是沥青中的蜡影响软化点的测定，导致软化点测定出现误差，因此较难准确区分沥青之间的高温性能。黏度是沥青材料流动特性的直接体现，沥青在 60 时的动力黏度直接关系到沥青混合料的抗车辙性能，但由于真空毛细管法控制精度较低，导致改性沥青的60 动力黏度测量结果精确性较差1 2。SHRP 中的 Superpave（高性能沥青路面）规范提出采用抗车辙因子 G*/sin 评价沥青的高温稳定性。但 G*/sin 适用于评价基质沥青，不适用于评价改性沥青。Bahia H U 等3在对 12 个试验路段的研究中发现，G*/sin 在评价基质沥青的路用性能时能很好反映其高温性能，但在评价改性沥青时却不能得出准确结论。产生这种差异的主要原因是，Superpave 沥青结合料规范制定过程中使用的假设和相关流变模型不再适用于改性沥青。研究适宜于改性沥青的高温性能评价指标，已成为各国研究人员的主要任务。在“八五”研究中，我国提出用等效软化点 T800 代替实测环球软化点，以避免蜡的熔化热对沥青软化点测定结果的影响。Witczak 指出，用等效黏度 预测沥青在 60 的动力黏度，可以有效提高改性沥青的高温性能区分度，等效黏度可由 DSR 试验结果=G/计算确定。美国亚利桑那大学研究报告指出，采用预测模型=sin4.862 8G*/计算得到的等效黏度与改性沥青高温稳定性评价结果一致。Shenoy A4认为可通过永久变形直接评价沥青材料的抗车辙性能，并提出了改进抗车辙因子 G*/1(sintan)1 和G*/(sin)9。Maccarrone S 等5提出了 G*/sin 的临界温度 T 作为等效抗车辙因子，以解决改性沥青高温性能指标表征的缺陷。本文通过沥青常规试验和动态剪切流变试验（DSR），对 3 种聚合物改性沥青的高温性能进行评价，同时分析老化对聚合物改性沥青高温性能评 收稿日期：2023 05 26基金项目：江苏省交通运输科技项目（2020QD04）作者简介：许益东（1984），男，江苏阜宁人。高级工程师，主要从事道路设计及研究工作。E-mail：。许益东，等：改性沥青的高温性能评价指标研究 105 价的影响，研究适用于改性沥青的高温性能评价指标。1 试验 1.1 原材料复合 SBS 改性沥青由#70 基质沥青、橡胶粉（30 目）、SBS 改性剂制备而成，30 目胶粉掺量为基质沥青质量的 18.0%，SBS 改性剂掺量为基质沥青质量的 2.0%。橡胶改性沥青由#70 基质沥青和橡胶粉（30 目）制备而成，30 目胶粉掺量为基质沥青质量的 20.0%。SBS 改性沥青，由#70 基质沥青和 SBS 改性剂制备而成，SBS 改性剂含量为基质沥青质量的 4.0%。稳定剂，有效含量99.0%，相对密度为 1.4，添加量为基质沥青质量的 0.2%。基质沥青和改性沥青的技术指标，见表 1。表1沥青技术指标沥青针入度（25）/0.1 mm软化点/延度（5）/cm#70基质沥青76.553.827.6复合SBS改性沥青53.973.334.3胶粉改性沥青63.869.231.5SBS改性沥青74.966.733.8 从表 1 可看出：与#70 基质沥青相比，改性沥青的三大指标都有所提升，复合 SBS 改性沥青的针入度最小，软化点最高，延度相对较高，其高低温性能较好，胶粉改性沥青次之。1.2 试验仪器STJB 强劲分散机，SYD-2806E 型智能沥青软化点试验仪，MTSL-4 智能沥青针入度测定仪，LHXM-85 沥青旋转薄膜烘箱，沥青压力老化试验装置，压力室加热功率：2 500 W、压力室容量：13 L，沥青动态剪切流变仪，型号 Kinexus DSR。1.3 改性沥青制备在强劲分散机中加入所需的#70 基质沥青并不断搅拌，当达到所需温度时，分别加入规定量的橡胶粉、SBS 改性剂、稳定剂，然后开动剪切机进行剪切，最后采用搅拌方式使得改性剂充分溶胀反应形成改性沥青。反应条件：改性温度为 190，剪切转速为 3 000 r/min，改性时间为 3 小时。1.4 试验方法软化点试验。采用智能沥青软化点试验仪，按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTGE202011）进行测试。针入度试验。采用智能沥青针入度测定仪按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTGE202011）进行测试，温度范围为 5、15、25，载荷为 100 g，渗透时间为 5 秒。旋转薄膜烘箱老化试验。采用旋转薄膜烘箱按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）进行测试，模拟沥青经过高温拌和、运输和摊铺压实后的老化过程。压力老化试验。按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）进行测试，模拟沥青在各种作用下经过 57 年的老化。动态剪切流变试验。按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）进行测试，温度扫描试验的温度范围为 2080，温度步长为 10。加载频率为 10 rad/s。样品直径分别为 25 mm（原样沥青和短期老化后的沥青）、8 mm（压力老化后的沥青）。2 结果与讨论 2.1 软化点与当量软化点的分析当量软化点 T800 克服了蜡质的影响，有关学者提出当量软化点 T800 比较适合评价沥青高温时的路用性能6。测试了不同沥青在 5、15、25 下的针入度，根据 logP=AT+K 计算回归系数 A 和K，再按公式 T800=（log800A）/A 计算，即可计算出 T800。三种改性沥青的软化点和当量软化点结果，见图 1。60657075TR&B/T800/8085原样沥青RTFOTPAVTR&B（胶粉+SBS）TR&B（SBS）T800（胶粉）TR&B（胶粉）T800（胶粉+SBS）T800（SBS）图1三种改性沥青的软化点和当量软化点 由图 1 可知：随着三种改性沥青老化程度的增加，沥青的软化点 TR&B 和 T800 呈增加趋势。因为随着沥青老化程度的增加，胶质和沥青质逐渐增加，阻碍了球团的下降，并增加了软化点，其中，复合 SBS 改性沥青的软化点 TR&B 和 T800 最高，表明其具有较好的高温稳定性；不同改性沥青的T800 均比 TR&B 小，因为 T800 消除了蜡导致软化点高的因素，计算T800 所采用的针入度值是在30 及以下温度测试的，在低温时沥青中的蜡大部分会处于结晶状态，不会影响试验结果，国内沥青多为路基工程 106 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）蜡质沥青，故采用 T800 评价耐高温性能比较合理；但对于改性沥青，这种现象不能简单地认为完全受沥青中蜡的影响。虽然 TR&B 受蜡的影响其值较高，但改性沥青中的改性剂也会使 TR&B出现假相。例如 SBS 改性剂在沥青中膨胀形成连续的网络结构，球在下落时被包裹，导致软化点高。胶粉膨胀逐渐形成稠度较大的半固态连续相体系，阻碍了球的下落，也会增大软化点。说明 T800用于评价改性沥青的高温稳定性是合理的7 8。2.2 抗车辙因子及临界温度分析Shenoy 和 Plazek 利用 Burges 模型改进 Buldin提出的累积应变概念，推导出给定恒定应力 0作用下沥青胶结料不可恢复应变 unr的表达式。unr=1000G/1(sintan)1（1）式中：G*为复数剪切模量；为相位角；0为恒定应力。要使沥青材料具有良好的高温流动和变形性能，即不可恢复变形较小，即使得 G*/1(sin*tan)1 最大。因为永久变形 unr不能为 0，即 1(sintan)10，所以相位角需要满足 51.8的条件。因此，当相位角小于 51.8时，该公式不适用高温性能的评价。Shenoy 发现 G*/(sin)9与 G*/1(sintan)1 之间存在极好的相关性，G*/(sin)9的相位角范围在090之间，因此可以用G*/(sin)9代替 G*/1(sintan)1 作为优化指标，可以分析改性沥青材料在不同温度下的黏弹性行为9 10。不同温度下三种改性沥青老化前后的抗车辙因子 G*/(sin)9和 G*/sin 试验结果，见图 2图 4。(G*/sin)/10304812162020304050607080温度/（b）G*/sin复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青(G*/(sin)9)/10501224681020304050607080温度/（c）G*/(sin)9复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青30405060相位角/（）708020304050607080温度/（a）复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青图2常规条件下沥青、G*/sin、G*/(sin)9随温度变化曲线 405060307020304050607080温度/（a）复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青相位角/（）48121602020304050607080温度/（b）G*/sin复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青(G*/sin)/10312320304050607080温度/（c）G*/(sin)904复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青(G*/(sin)9)/106图3RTFOT 后沥青、G*/sin、G*/(sin)9随温度变化曲线 复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青304050602070304050607080温度/（a）相位角/（）复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青48121602020304050607080温度/（b）G*/sin(G*/sin)/103复合SBS改性沥青胶粉改性沥青SBS改性沥青24681001220304050607080温度/（c）G*/(sin)9(G*/(sin)9)/106图4PAV 后沥青、G*/sin、G*/(sin)9随的温度的变化情况许益东，等：改性沥青的高温性能评价指标研究 107 由图 2图 4 可知：老化前后改性沥青的G*/(sin)9随温度升高均呈逐渐降低趋势。这是由于温升使改性沥青的改性效果衰减，导致其模量降低；同时，随温度的升高，沥青逐渐由弹性向黏性转变，相位角 增大。在相同温度下，复合 SBS 改性沥青的抗车辙因子显著高于胶粉改性沥青和 SBS 改性沥青。表明胶粉+SBS 改性剂复合改性效果在提高黏度和弹性方面优于胶粉或 SBS 改性剂。在相同温度下，各改性沥青老化前后的G*/sin 值均远小于 G*/(sin)9，G*/sin 值的变化幅度均比 G*/(sin)9小；同时，相位角 越小，G*/sin 和 G*/(sin)9两者差异越大。表明 G*/sin对相位角 的敏感程度较低，而 G*/(sin)9对相位角 的敏感度较高，随相位角的减小，两者之间的敏感程度差异变大。用 G*/sin-T 和 G*/(sin)9-T 的半对数曲线进行指数回归，相关系数大于 90%，计算车辙因子G*/sin 和 G*/sin9的临界温度，并与指数回归曲线方程进行比较。以各温度下的车辙因子值为矩阵，估算出车辙因子的临界温度。临界温度为当车辙因子达到 Superpave 标准值时对应的温度，即原样沥青车辙因子在 1.0 kPa 时所对应的温度，旋转膜烘箱老化后沥青车辙因子在 2.2 kPa 时对应的温度。三种改性沥青的车辙因子临界温度，见图 5。125.36112.58103.7894.6883.5886.26145.47128.43108.2596.6986.1391.21708090100110120130140150原样RTFOT原样RTFOT原样RTFOT临界温度/复合SBS改性沥青SBS改性沥青胶粉改性沥青T-G*/(sin)9T-G*/sin图5三种改性沥青抗车辙因子的临界温度 短期老化前后，G*/(sin)9回归确定的临界温度 T 均高于 G*/sin。因为 G*/sin 不能区分弹性变形和永久变形，而改性沥青存在延迟弹性变形，采用 G*/sin 会导致延迟弹性变形高的改性沥青的临界温度偏低。同时，G*/(sin)9考虑了部分延迟弹性变形影响，且精度高、敏感性好。三种改性沥青的临界温度 T-G*/(sin)9均高于T-G*/sin，其中复合 SBS 改性沥青的增幅最为明显，短期老化前，T-G*/(sin)9值较 T-G*/sin 值升高 20.11，短期老化后，T-G*/(sin)9值较 T-G*/sin 值提高 15.85，T-G*/(sin)9对其 PG 分级有显著影响，而 T-G*/sin 值会降低改性沥青的高温分级。在三种改性沥青中，老化前后复合 SBS改性沥青的临界温度 G*/(sin)9最高，表明复合SBS 改性沥青的高温性能优于其他两种改性沥青11 12。2.3 等效黏度分析沥青的 60 时黏度更能反映夏季沥青路面道路的实际使用情况，60 时的动力黏度直接关系到沥青混合料的抗车辙性能。对于改性沥青，可有效预测60 时的动力黏度。三种改性沥青在60 时老化前后的等效黏度值结果，见图 6。030黏度/（kPas）2115.6816.8428.477.1114.4817.541.353.183.753.603.353.541.131.541.580.911.691.49510152025原样 RTFOT PAV原样 RTFOT PAV原样 RTFOT PAV胶粉改性沥青复合SBS改性沥青SBS改性沥青图6三种改性沥青的 60 等效黏度 随着老化程度的增加，三种改性沥青在 60 时的等效黏度逐渐增大。因为沥青在老化过程中会发生了化学键断裂，沥青中的各组分重组和聚合导致黏度变化。同时，沥青分子的氧化作用也使沥青质含量增加，增加了运动阻力和黏滞力，从而增加了沥青的黏度。不同老化程度下，复合 SBS 改性沥青的等效黏度最大，其次为胶粉改性沥青。表明橡胶粉可以有效改善改性沥青的高温性能，而SBS 对沥青的高温性能提升有限。为验证何种等效黏度能更好地评价改性沥青的高温性能，分别将=sin4.862 8G*/和=G/与车辙因子 G*/sin 和 G*/(sin)9进行相关性分析。等效黏度与车辙因子的相关系数，见表 2。表 2 中，R1 和 R2 分别为=sin4.862 8G*/和 G*/sin、G*/(sin)9的相关系数，R3 和 R4 分别为=G/和 G*/sin、G*/(sin)9的相关系数。路基工程 108 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）表2等效黏度与车辙因子的相关系数沥青R1R2R3R4复合SBS改性沥青原样0.9960.9980.9950.985RTFOT0.9950.9960.9930.965PAV0.9950.9970.9950.967胶粉改性沥青原样0.9910.9950.9880.932RTFOT0.9860.9990.9870.986PAV0.9850.9970.9810.967SBS改性沥青原样0.9940.9970.9930.966RTFOT0.9950.9990.9930.982PAV0.9920.9990.9910.987 三种改性沥青的等效黏度与车辙因子的相关性较高，均达到 0.9 以上，能较好地反映沥青的耐高温性能。但=sin4.862 8G*/与车辙因子的相关系数均大于=G/与车辙因子的相关系数，表明=sin4.862 8G*/更适合评价改性沥青的高温性能。通过对比相关系数 R1 和 R2，发现=sin4.862 8G*/与 G*/(sin)9的相关性和一致性最好，再次证明 G*/(sin)9能有效表征改性沥青的高温性能。因此，等效黏度=sin4.862 8G*/能较好地评价改性沥青的高温性能。3 结语通过沥青常规试验和动态剪切流变试验（DSR），对 3 种聚合物改性沥青的高温性能进行评价，同时分析老化对聚合物改性沥青的高温性能评价的影响。（1）G*/(sin)9比 G*/sin 对相位角的敏感程度更高，G*/(sin)9考虑了延迟弹性变形的影响，具 有 较 高 的 精 度 和 良 好 的 敏 感 性 等，表 明G*/(sin)9评价和表征改性沥青的高温性能。（2）对于复合 SBS 改性沥青，老化前后的抗车辙因子的临界温度 T-G*/sin9值较 T-G*/sin值大大提高，这对复合 SBS 改性沥青的 PG 分级具有重要影响。（3）等效黏度=sin4.862 8G*/与等效抗车辙因子 G*/(sin)9的相关性最好，相关系数达0.999，更适用于评价改性沥青的高温性能。（4）复合 SBS 改性沥青在各项优化指标中抗高温变形性能均较好，其次为胶粉改性沥青，表明胶粉+SBS 改性剂复合改性效果在提高黏度和弹性方面优于胶粉或 SBS 改性剂。参考文献(References)：1 张仕.沥青结合料高温性能评价指标的研究 D.长沙:长沙理工大学,2017.ZHANG 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dynamic shear rheological tests were conducted to test the equivalent softening point,rutfactor and equivalent viscosity of composite SBS modified asphalt,rubber powder modified asphalt and SBSmodified asphalt.Meanwhile,the influence of aging on the high temperature performance indexes of modifiedasphalt was analyzed.The research shows that G*/(sin)9 is more sensitive to phase angle,and is more suitable forevaluating and characterizing the high temperature performance of modified asphalt than G*/sin.The criticaltemperature T of G*/(sin)9 is significantly higher than that of G*/sin,and the T value of G*/sin is not suitablefor the calculation of high temperature performance classification of modified asphalt.=sin4.8628G*/hasthe best correlation with the rutting resistance factor G*/(sin)9,and the correlation coefficients are all above 0.9,which is more suitable for the evaluation index of high temperature performance of modified asphalt.The hightemperature performance of SBS modified asphalt is the best,and the viscosity and elasticity of asphalt can beeffectively improved by the combined modification of rubber powder and SBS modifier compared with themodification of rubber powder or SBS.Keywords:asphalt pavement；modified asphalt；high temperature performance；evaluation index；ruttingfactor；equivalent viscosity征订路基工程及合订本启事2024 年度路基工程正在征订，邮发代号 62-156，双月出版，每期（本）25 元，全年 6 期（本）150 元。读者可到当地邮局办理订阅，也可直接到编辑部订阅。为满足读者需要，本刊备有历年合订本，每本 150 元（含邮资、包装费）。邮政汇款：成都市金牛区通锦路 16 号路基工程编辑部邮编：610032市电：[phone]（传真）路电：（061）42963银行账号：中国建设银行股份有限公司成都金仙桥支行 51001446408050264369路基工程编辑部E-mail：路基工程 110 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）