基于流变学的RA改性沥青性能研究

刘黎萍，王 明

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

近年来，在重载高温作用下，沥青的流变特性被认为是影响沥青路面车辙形成的主要原因之一［1］。为了防止高温车辙，布敦岩沥青得到了深入研究和应用。这大多是因为布敦岩沥青中的沥青组分属于硬质沥青，其本身具有柔韧性变形能力差的缺点，但同时也具有温度敏感性小和抗车辙能力好等优点［2］。布敦岩沥青的应用研究已经很普遍，目前的研究大多是把印度尼西亚布敦岩沥青（简称为BRA）加入到混合料中，研究BRA对混合料性能的改善程度［3］；或是把BRA加入到基质沥青中，与基质沥青加入等量、等级配矿粉物质进行改性效果的研究。其中，杜少文［3］等人的研究证明了岩沥青可以改善混合料的疲劳特性；刘树堂［4］等人对沥青组分的成分进行了研究，证实了其高沥青质和低油分的组成特点。而有关BRA中天然沥青组分对于基质沥青改性流变性能效果的研究，尚未见报道。

现行用于沥青流变性能研究的SHRP试验，并不适合于大颗粒物质存在的改性沥青［5］研究，因此灰分等颗粒物质的存在对沥青组分的改性效果有很大的影响，BRA改性沥青试验结果往往不能正确评价BRA中沥青组分的改性效果。作者拟排除灰分等杂质的干扰，探究BRA中沥青组分对基质沥青性能的改善效果，设定3个不同的掺量，为进一步研究天然岩沥青的本质特点、SBS或硫磺等复合改性沥青或混合料以及BRA在混合料中最佳的掺量范围提供技术支持。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验原材料

选用壳牌A－70＃道路石油沥青，技术指标满足相应规范的技术要求；布敦岩沥青为黑色颗粒产品，其技术指标见表1。其中，从BRA中抽提出来的沥青组分RA，25℃针入度为13（0.1mm），软化点为83℃。

表1 布敦岩沥青性能指标Table 1 Performance index of BRA

1.2 沥青组分RA掺量

依据《岩沥青路面工程应用技术指南》［6］推荐的天然岩沥青改性剂的添加量，以沥青混合料为基数的掺量为2%～4%，最佳油石比按5%（研究［2－3］表明，岩沥青掺量在2%～4%时，油石比在4.7%～5.2%之间）计算，BRA中沥青组分的掺量28%，因此，可以计算得到BRA中沥青组分和基质沥青的比例。工程实践中，经常采用以沥青混合料为基数的掺量2%和3%，换算成以沥青为基数的掺量为11.2%～16.8%。以混合料为基数换算成以沥青为基数的换算比例结果见表2。为了简便计算，本研究采用10%，15%及20%3个掺量进行后续研究试验。

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

2 试验结果与分析

2.1 动态剪切流变（DSR）试验

动态剪切流变仪是用来测试沥青胶结料粘性和弹性特征的仪器。试验结果中，G＊为复数剪切模量；δ为相位角；G＊／sinδ为高温劲度系数，即抗车辙因子，该系数越大，代表沥青变形越小，越有利于抵抗大车辙产生。采用英国Bohlin的动态剪切流变仪，试验按AASHTOT315的要求进行。采用应变控制模式.试验中原样沥青设置应变为12%，RTFOT老化后设置应变为10%。根据Superpave规范，原样沥青抗车辙因子G＊／sinδ≥1.0kPa，RTF OT老化后沥青抗车辙因子G＊／sinδ≥2.2kPa。

不同掺量改性沥青原样和RTFOT老化后，抗车辙因子试验结果分别见表3，4。

表3 原样沥青的抗车辙因子Table 3 The G＊／sinδof the original asphalt

从表3，4中可以看出：

1）随着沥青组分RA掺量的增加，抗车辙因子逐渐增大，沥青抗变形能力增强，高温流变特性显著改善。原样沥青在64℃时，沥青组分掺量为10%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子由1.343kPa提高到2.244kPa；掺量为20%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子由1.343kPa增加到3.334kPa，提高近2.5倍；RTFOT老化后沥青，掺量为10%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子提高1.13倍；掺量为20%的改性沥青使得基质沥青的抗车辙因子提高3.8倍。

2）由于SHRP高温PG分级温度区间范围较大，因此，沥青组分掺量为10%和15%的改性沥青无论是原样沥青还是RTFOT老化后，均比基质沥青提高了1个温度等级，原样沥青由PG64变为PG70，RTFOT由PG58提升到PG64。

3）依据SHRP胶结料规范PG分级体系，掺量10%和15%岩沥青改性沥青的温度等级均为64℃，比基质沥青提高了1个温度等级；掺量20%岩沥青改性沥青提高了2个温度等级，为70℃，可以达与SBS相同的温度等级。

表4 老化后沥青的抗车辙因子Table 4 The G＊／sinδof RTFOT asphalt

2.2 弯曲梁流变试验

在低温下，如果沥青材料的蠕变模量太大，路面容易开裂。因此，为防止路面开裂破坏，需要限制沥青材料的蠕变模量。本研究采用Cannon公司的9728－V30型低温弯曲梁流变仪来测量沥青在极低温度下的蠕变模量，在BBR试验中有2个参数，即蠕变模量S和m。按Superpave规范要求，计算得到的t＝60s时的沥青蠕变模量S≤300MPa，m≥0.30（其中：蠕变模量S为测量沥青抵抗荷载的能力；m为测量加载后沥青劲度变化的速率）。m越大越好，这意味着当温度下降而路面出现收缩时，沥青结合料的响应将会降低沥青材料的劲度，减小材料中的拉应力，低温开裂的可能性也随之降低。为了探讨改性沥青的低温性能，在－6℃和－12℃条件下，分别对改性沥青原样、RTFOT老化和PAV老化试样进行了弯曲流变试验。在－6℃和－12℃条件下，BBR试验蠕变劲度S和m的测试结果分别如图1，2所示。

从图1，2中可以看出：

1）无论是－6℃还是－12℃试验结果，随着沥青组分RA掺量的增加，改性沥青蠕变模量S增大，m减小，沥青胶结料变硬，松弛能力降低。

2）随着BRA中沥青组分（RA）的增加，改性沥青的低温性能有所降低。但是，依据Superpave规范，掺量为5%～15%的改性沥青均满足蠕变劲度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求，其温度等级均为－22℃。

3）依据笔者的研究发现，在－6℃温度条件下，15%RA掺量的改性沥青相比10%RA掺量的改性沥青，其低温性能要好；在－12℃温度条件下，15%RA掺量和10%RA掺量的改性沥青低温性能一致。可见，在RA掺量小于15%时，改性沥青的低温性能相对比较稳定。

4）通过适当控制RA的掺量，改性沥青的低温性能还是可以得到保证的。依据笔者的研究，为了保证改性沥青低温性能，RA的掺量不宜大于15%。

5）从弯曲梁流变试验结果来看，RA改性沥青的低温性能远不如SBS改性沥青的。

2.3 Brookfield旋转粘度试验

粘度是流体抗流动的程度，较真实地反映了路面在高温条件下的实际使用情况。粘度大的沥青在荷载作用下产生的剪切变形小，弹性恢复能力好，残留的永久性塑性变形小，说明抵抗车辙能力强。采用美国Brookfield DV－O型数字式粘度仪测定改性沥青的粘度，不同掺量沥青组分改性沥青在不同温度下的粘温曲线如图3所示。

图3 改性沥青的粘温曲线Fig.3 Viscosity－temperature curve of modified asphalt

从图3中可以看出，沥青组分（RA）的加入可以增大基质沥青的粘度。随着RA掺量的增加，改性沥青的旋转粘度逐渐增大，并且均满足规范不大于3Pa·s的要求。掺量为10%的改性沥青使得基质沥青120℃的粘度从1.228Pa·s提高到1.612Pa·s，提高了近30%；掺量为20%的岩沥青改性沥青使得基质沥青135℃的粘度从0.775Pa·s提高到1.274Pa·s，提高了近64%。这是因为BRA中的沥青组分RA含氮量高［7］，氮元素以官能团的形式存在，这种存在形式使得沥青的粘度增大，抗氧化性增强，因此，RA在改善沥青粘度的同时，也降低了沥青粘度的温度敏感特性。

由于聚合物SBS的存在，SBS改性沥青提升粘度的效果优于天然岩沥青的。因此，从提升基质沥青粘度的效果来看，BRA中RA改性沥青的改善效果不及SBS改性沥青的。

3 结论

1）BRA中沥青组分RA的加入使得基质沥青的抗车辙因子显著提高；掺量为10%和15%时，可以使得基质沥青提高1个温度等级；岩沥青掺量为20%时，可以使得基质沥青提高2个温度等级，与SBS改性沥青达到了相同的温度等级。

2）随着沥青组分RA掺量的增加，改性沥青的蠕变模量S增大，m减小，沥青胶结料变硬，松弛能力降低。但是，依据Superpave规范，掺量为5%～15%的改性沥青均满足蠕变劲度模量S≤300MPa且m≥0.3的要求，其温度等级均为－22℃。

3）随着沥青组分RA掺量的增加，改性沥青的粘度逐渐增大，均满足规范标准不大于3Pa·s的要求。这是因为BRA中的沥青组分RA含氮量高，氮元素以官能团的形式存在，这种存在形式使沥青粘度增大，抗氧化性增强。

4）依据本研究的成果，实际工程应用中，为了保证BRA中沥青组分与混合料中沥青达到最好的融合效果和BRA混合料的低温性能，以基质沥青为基数，沥青组分RA掺量不宜大于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］曲恒辉.国产天然岩沥青微观结构分析及性能研究［D］.济南：山东大学，2012.（QU Heng－hui.Microscopic structure analysis and performance of domesticnatural shale asphalt［D］.Jinan：Shandong University，2012.（in Chinese））

［3］杜少文.岩沥青SBS复合改性沥青混合料的性能与机理［J］.建筑材料学报，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］刘树堂，杨永顺，房建果，等.布敦岩沥青改性沥青混合料试验研究［J］.同济大学学报：自然科学版，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，钱振东，赵延庆.基于流变学的沥青抗疲劳性能评价方法［J］.北京工业大学学报，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］曹东伟，刘清泉，路军，等.岩沥青路面工程应用技术指南［M］.北京：交通部公路科学研究院，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］黄文通，徐国元.布敦岩沥青混合料路用性能的试验研究［J］.华南理工大学学报：自然科学版，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））