改性彩色沥青高低温性能研究

张雷

（上海建彧企业发展有限公司，上海市 201207）

0 引 言

从20世纪80年代起，我国高速公路建设进入全面发展阶段。截止至2016年底，我国高速公路里程数已经突破13万km，居世界第一位。由于抗滑耐磨，行车较为舒适，噪声小，便于维护等一系列优点，沥青路面已成为我国高速公路的主要路面形式，90%以上的高速公路为沥青路面。

传统的沥青路面，即黑色路面，虽然应用广泛，但也存在以下几个问题：

（1）缺乏人性、个性，无法满足城市交通的多元化需求；

（2）黑色路面会给人带来单调乏味、沉闷的心理与视觉感受；

（3）黑色路面难以与道路周围环境相协调，无法提升城市形象；

（4）黑色沥青路面吸收热量多，会加剧城市“热岛效应”。

针对以上问题，彩色沥青路面被开发出来。随着道路与交通功能性的多样融合，城市交通指引，高速公路出入口，公交专用道等等，彩色沥青路面的应用愈发广泛。色彩耐久性最强的一种方式是将彩色沥青路面用非沥青的彩色胶结料作为结合料而进行铺筑。彩色沥青是采用树脂和有机溶剂共同调制而成，其中不含沥青成分，具有特殊的材料特性。彩色沥青路面不仅满足一般路面具有的基本使用功能，还具有诱导交通，区分交通区间，对于来往车辆有警示作用，以及改善路面景观，美化城市的功能。

但以往的研究和工程经验表明，彩色沥青胶结料性质的刚性可以达到很大，但弹性不足，蠕变性能也会有些缺乏，彩色沥青往往会用于与一般改性沥青相同的路段，因此需要对彩色沥青进行改性。

目前国内外沥青路面开始逐步广泛采用各类改性沥青，以弥补基质沥青在高温、低温等条件下性能的不足。其中，以SBS改性类、橡胶粉改性类及聚乙烯PE改性类应用较多。其中，由于近年来对沥青路面排水、降噪要求的提高，OGFC开级配抗滑磨耗层（大孔隙开级配排水式沥青磨耗层）技术得到了大力发展。对于OGFC沥青路面，大多采用高粘SBS改性沥青，从而改善路面的抗剥落性。因此，SBS作为一种改性剂，其对基质沥青各项性能的影响非常值得研究[1-5]。

从以上阐述可以看出，将彩色沥青进行改性，并对其高温及低温性能进行研究，对彩色沥青路面的车辙、开裂等损害的防治，具有重大意义。

基于以上，该项研究针对基质沥青与道路工程常用改性沥青，并对比几种经过改性后的彩色沥青，主要通过沥青的高温与低温性能指标，分析基质沥青、改性沥青与不同彩色沥青的高温、低温流变性能差异，为在道路实际工程中，对不同彩色沥青的选用提供借鉴与指导。

1 实验材料及方案

1.1 实验材料

该项实验中选取5种沥青进行实验对比。分别为：70#基质沥青，2%线型SBS改性沥青，彩色沥青，经过2%线型SBS改性后的彩色沥青及经过0.4%PE改性后的彩色沥青。为方便对实验数据进行分析及作图，将以上5种沥青进行编号处理，见表1所列。

表1 实验所用沥青及编号一览表

1.2 实验方案

该项研究的目的为探究不同道路彩色沥青与彩色改性沥青的高温与低温流变性能差异。对所研究的各种沥青进行一系列流变性能测试，主要包括：以高温车辙因子（G*/Sinδ）指标与不同低温温度下劲度模量和m-value值等参数。为代表的有美国公路战略研究计划SHRP（Strategic Highway Research Program）沥青胶结料流变性能测试。为了更好地贴近工程实际应用，全部测试参数均采用标准测试中规定的参数。

1.2.1 动态剪切流变试验（DynamicShear Rheometer，DSR）

该项研究采用TA公司AR1500ex型动态剪切流变仪（DSR）来描述改性沥青的黏弹性特征。试验采用应变控制模式，对于原样和RTFO短期老化后的沥青均采用2%的应变水平，试验温度为5℃～75℃，温度梯度为10℃，测试频率为0.1 Hz～30 Hz。对于5℃、15℃和25℃的沥青采用8 mm直径的平行板夹具，上下平行板距离为2 mm，其他温度试验采用25 mm直径的平行板夹具，上下平行板距离为1 mm，通过测试得到岩沥青改性沥青在不同测试温度和加载频率下的复数剪切模量G*与相位角δ，以此来构建其黏弹性主曲线模型。

采用标准PG分级测试对沥青老化前后的高温指标进行测定。实验参数如下：振荡频率选用10rad/s；应变值：原样沥青为10%，老化沥青为12%；选用25 mm转子，在4个温度（58℃，64℃，70℃与76℃）下，对沥青短期老化后的G*参数进行测试。

1.2.2 弯曲梁流变测试（Bending-BeamRheometer，BBR）

在常规的沥青试验中，还没有沥青在低温区的温度敏感性指标，而是采用针入度指数PI来对沥青的感温性进行预测。但是这种方法并不能科学准确地反映沥青在对应温度区间的温度敏感性。此外，由于沥青在低温下较为坚硬，不能够用DSR试验来测试得到其性能参数，因此，SHRP研究者提出用弯曲梁流变测试[6]来精确地评价沥青在低温下的性能。弯曲梁流变试验可以直接充分地反映环境温度和时间对沥青材料低温流变性能的影响，常被用来评价沥青混合料的低温性能[7]。

该项研究采用美国CANNON公司生产的沥青低温弯曲梁流变仪（TE-BBR，Thermoelectric Bending-Beam Rheometer）来描述多种沥青的在低温下的流变指标特征。该套仪器备有SHRP计划全套测试仪器，符合或超过相关ASTM D6648，AASHTO T313，SH/T0775标准。TE-BBR能控制温度在0.03℃以内，远远超过现行沥青胶结料弯曲梁蠕变试验方法的要求，仪器测量试件变形精确度可达 0.155 μm，力的精确度在 0.147 mN（0.015 g）。

在BBR试验中，在恒定温度下，在沥青小梁上加载一个恒定持续的应力，模拟了在气温下降时路面的温度应力逐渐增加的过程。在240 s的试验时间内测量小梁中点处的蠕变变形，计算得到蠕变劲度模量S和蠕变变形速率m-value，蠕变劲度模量表征了沥青抵抗蠕变应力的能力，而m-value是沥青蠕变劲度模量随加载时间的变化量。

在样品准备的过程中，将测试的沥青样品首先灌入到矩形的铝制模具中。模具包括底板、边板和端部，塑料条和橡胶环。在组装模具之前需要用石油基润滑油涂在模具的内表面，将三个塑料条放置在润滑的表面，然后用甘油和滑石粉组成的隔离剂涂在塑料条的内表面，最后用橡胶环组装固定起来。沥青样本加热到呈流动状态（大约135℃，不超过163℃），然后从一端到另一端来回倾倒入模具中。冷却45～60 min后，用热刮刀刮去表面多余的沥青。模具连同试样在室温下放置不超过2 h。在此过程中，调整好水浴槽及校正好BBR仪器参数。然后将试样连同模具一起放入-5℃的水浴槽中进行5～10 min的脱模。脱模必须十分小心，防止试样在实验前出现损坏。最后是恒温阶段，需要把试样放入恒温水槽中至少1 h。设备和试样准备如图1所示。

图1 BBR试验设备及试样之实景

在1 h的恒温过程结束后，将沥青小梁移到支架上。开始进行一系列的加载试验过程。首先是35 mN的预加载过程，以确保小梁与支架紧密接触，然后自动加载1 s大小为980 mN的力，逐渐卸载20 s。在20 s加载过程结束后，开始进行测试。在小梁上加载250 s大小为980 mN的力，通过位移传感器测得小梁中间位置的变形量。在测试过程中，计算机屏幕上显示了力和位移随时间变化的曲线。在240 s之后，测试加载停止，软件自动计算出蠕变劲度模量，以及蠕变劲度模量的变化率。

小梁理论蠕变劲度模量的计算公式如式（1）所示：

式中：S（t）为蠕变劲度模量，MPa；P 为加载的恒定应力，N；L为小梁支架的距离，为102 mm；b为小梁的宽度，为12.5 mm；h为小梁的厚度，为6.25 mm；δ（t）为变形量，mm。

蠕变劲度模量的期望值需要满足沥青在最低路面设计温度下加载2 h的要求。SHRP研究者们证实通过将该温度提高10℃，就能够仅加载60 s得到等效的蠕变劲度模量。AASHTO M320要求蠕变劲度模量在特定的温度等级下，在60 s时，必须≤300 MPa。如果蠕变劲度模量在300～600 MPa之间，并且蠕变变形百分比≥0.3，则要进行直接拉伸试验，通过失效应变来代替蠕变劲度模量。m-value表征了蠕变劲度模量随时间的变化率。为了得到m-value，在系统加载时间内，计算了连续的蠕变劲度模量。m-value是蠕变劲度模量的对数和时间对数关系的斜率。Superpave规程要求m-value值在60 s时必须≥0.3.

2 沥青D SR高温性能指标测试

该项测试采用标准PG分级测试对各类沥青的高温指标进行测定。选用25 mm转子，在4个温度（58℃，64℃，70℃与 76℃）下，对各类沥青的车辙因子G*参数进行测试。G*和δ的两种组合形式被用来描述沥青性能。试验温度下的车辙因子G*/Sinδ可以描述沥青路面抵抗永久变形的能力，在最高路面设计温度下，其值越大，表示沥青的流动变形越小，其抗车辙性能越优异。该试验为以动态正弦波的动态加载方式加载，加载频率为10 rad/s，相当于80 km/h的行驶车速。

其实验数据如表2所列。

表2 不同温度下各种沥青车辙因子实验结果一览表 kPa

为求更加全面与直观的对比，图2展示了5种沥青在4种不同高温下的车辙因子指标比较。

图2 各种沥青在不同高温下的车辙因子指标比较柱状图

由图2的数据可以看出，随着温度由58℃升至76℃，各类沥青的车辙因子都有所降低，但各沥青之间的差异逐渐减小。这说明，随着温度的升高，沥青的粘弹性特性发生了变化，主要表现为材料抵抗变形能力和变形恢复能力的减弱，即：沥青整体复数模量的减小和沥青中弹性部分所占比例的减小。此外，通过对比4种温度下的试验结果，发现在4种高温下，各类沥青的车辙因子变化规律基本一致。

通过对比可以发现，彩色沥青与基质沥青的高温抗车辙性能接近，由原样基质沥青改性的2%SBS改性沥青高温性能最优。只有在较高温度下（＞64℃），彩色沥青的才会表现出较差的高温抗车辙性能。

在彩色沥青中，加入SBS与PE改性剂，均能显著提高原彩色沥青的高温抗车辙性能，两者相比，0.4%PE的改性提高效果更为显著，甚至基本达到2%SBS改性沥青的高温性能水平。并且，从经济角度考虑，PE改性剂的价格低于SBS改性剂，因此，在工程应用中，应优先选用0.4%掺量的PE改性剂对彩色沥青进行改性。

3 沥青BBR低温性能指标测试

通过对5种不同沥青在各温度（-6℃、-12℃、-18℃）下进行BBR试验测试，得到劲度模量和m-value值，将其实验结果进行比较分析。实验数据如表3所列。

将5种沥青的劲度模量与m-value值进行对比，对比结果见图3与图4所示。

图4 各种沥青在不同低温下的m-value指标比较柱状图

由图3可知，随着测试温度的降低，所有沥青的劲度模量都发生显著提升。对比不同沥青，可以看出，五种沥青中，在不同低温下，2%线型SBS改性沥青的低温性能都是最优的。相对于70#基质沥青，未经改性的彩色沥青的劲度模量略高，但向彩色沥青中加入改性剂后，其劲度模量有了明显下降。2%SBS与0.4%PE两种改性方案相比，经过2%SBS改性的彩色沥青的劲度模量较低，低温性能较好，说明该种改性方案更胜一筹。值得一提的是，在三种低温情况下，-6℃和-12℃下改性剂对彩色沥青低温性能的改善效果并不明显，在极端低温条件下（-18℃），2%SBS与0.4%PE改性彩色沥青的低温性能的优异性非常显著，甚至好于2%SBS改性沥青。

在BBR实验中，m-value值越大，说明沥青的低温性能越好。从图4中关于BBR实验中的另一指标m-value值的数据分析来看，随着实验温度的降低，各个沥青的m-value值也不断降低。这说明随着温度降低，沥青硬度增加，脆性增加，更容易产生低温裂缝。对比各种沥青之间的m-value值差距较为不明显。在三种不同低温下的比较也出现了排序不同的情况，这对指导不同沥青的选用造成了困扰。因此，在评价不同彩色沥青的低温性能时，不宜采用m-value值作为选用指标。

4 结 论

本文分别通过动态剪切流变试验（Dynamic Shear Rheometer，DSR）与弯曲梁流变实验（Bending-Beam Rheometer，BBR） 对 5种沥青进行了高温性能与低温性能对比研究。主要关注彩色沥青与两种改性彩色沥青的性能研究。主要有如下结论：

（1）彩色沥青的高温抗车辙性能与低温抗开裂性能均略低于70#基质沥青，2%掺量的线型SBS改性沥青兼具较为优异的高温性能与低温性能。

（2）在彩色沥青中，加入SBS与PE改性剂，均能显著提高原彩色沥青的高温抗车辙性能与低温抗开裂性能。在所选的两种改性方案中，2%SBS改性彩色沥青的高温性能与低温性能均更优，但若考虑市场成本因素，则应在需要铺筑彩色沥青的路段选用0.4%PE彩色沥青，其有较为优异高温性能，且市场价格较SBS改性类低。

（3）用m-value指标无法明显区分出不同彩色沥青的低温性能差异。因此，在评价不同彩色沥青的低温性能时，不宜采用m-value值作为选用指标。