BRA 改性沥青流变特性试验研究

武红英，邹 纯

（中证财项目管理有限公司，山西 太原 030021）

0 引言

在车辆荷载和自然环境的耦合作用下，由于沥青胶结料的流变特性不良导致的车辙、裂缝等病害，是沥青路面的主要破坏形式。此类病害并非仅发生在路面的上面层，通常会延展到中面层，不仅增加了道路维修和养护工作的难度，也消耗了大量的人力、物力。为提高沥青路面的耐久性，国内外学者[1-2]进行了大量的研究，通过对基质沥青进行改性，提高其性能是主要手段之一。在众多的改性方式中，天然沥青改性又以价格低廉、施工便捷，以及优良的改性效果被广泛应用，如布敦岩沥青改性沥青（BRA）[3]。程龙等[4]研究了BRA 改性沥青的高温流变特性，表明BRA 能提高基质沥青的高温性能。赵群等[5]考虑了短期老化后BRA 改性沥青的高温流变特性，研究发现，在高温区间内，短期老化可以提高BRA 改性沥青的抗变形能力。目前关于BRA 改性沥青的研究，主要集中在基本路用性能方面，而流变特性方面的研究较少，且多为高温流变特性。基于以上背景，本文对BRA 改性沥青的基本指标和高温流变特性进行了研究。

1 原材料和试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1 基质沥青

采用70 号道路石油沥青，沥青技术性能试验结果如表1 所示，其各项性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[6]的技术要求。

表1 沥青试验指标

1.1.2 改性剂

改性剂选用BRA，BRA 属于天然沥青改性剂，其主要技术指标如表2 所示。

表2 BRA 的技术指标

1.2 试验方法

1.2.1 BRA 改性沥青制备

将基质沥青加热到充分流动状态，之后把掺量分别为25%、50%BRA改性剂加入其中，并采用剪切机在恒定温度条件下进行搅拌，搅拌时间为30 min，待沥青中的气泡充分排除后倒入烧杯中备用。

1.2.2 BRA 改性沥青化学组成分析

分析BRA 改性沥青的化学元素组成，主要包括：氮、碳、氢等基本元素。

1.2.3 BRA 改性沥青流变特性研究

采用Brookfield 旋转黏度试验，研究BRA 改性沥青的黏温特性；采用动态剪切流变试验（DSR），在基于应变控制模式下，研究老化前后的BRA 改性沥青的高温流变特性。试验严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行[7]。

2 试验结果与分析

2.1 化学组成分析

沥青是一种特殊的碳氢化合物，同时又兼有非金属衍生物的特点，因此沥青的化学组成较为特别，含有多种微量元素。不同的微量元素构成导致不同类型沥青间的性能差异较大。例如，改性沥青通常由于氧元素含量较高，从而使得其抗氧化能力优于普通沥青。因此，从微观的角度，通过研究BRA 改性沥青的化学组成，可以分析BRA 改性剂对基质沥青的性能影响规律。表3 为基质沥青和BRA 改性沥青的元素分析结果。

表3 基质沥青和BRA 改性沥青的元素分析结果

根据元素测定的试验数据分析可知，BRA 改性剂的加入使得基质沥青的元素组成发生了明显改变。其中硫元素以及氧元素均得到了明显提升，硫元素相比基质沥青增加了83.3%，氮元素增加了87.5%，而氧元素更是突增了22.2 倍。目前研究认为，较高的硫元素可以提高沥青的均匀性，经BRA改性后的沥青可能具备更好的黏附性。

2.2 Brookfield 旋转黏度

沥青的黏度具有明显的感温性，可以随温度的变化而变化，沥青的黏温关系是沥青流变学研究的基本内容之一[5]。图1 为不同掺量BRA 改性沥青的黏温关系曲线图。

图1 BRA 改性沥青黏温曲线图及135 ℃下的黏度值

由图1 可以看出，在110 ℃～150 ℃的温度区间内，随着温度的升高，基质沥青和BRA 改性沥青的黏度均有所降低，这符合沥青本身的特性，即温度越高，沥青的流动性越明显。通过对比基质沥青和BRA 改性沥青的黏度可以得到，在相同温度下，不同掺量BRA 改性后沥青的黏度均明显高于基质沥青。其中25%掺量下的BRA 改性沥青的黏度是基质沥青的1.5 倍。当BRA 掺量增加至50%时，改性沥青的黏度得到了进一步提高，其黏度值和同等温度下的基质沥青胶浆几乎相等。而BRA 改性沥青黏度值是基质沥青的4.2 倍，高温性能得到了大幅提升。

值得注意的是，沥青的黏度并非越高越好。当黏度过高时，由于沥青流动性较低，不仅会增加沥青混合料的拌合强度，同时还会使得沥青裹复集料不均匀，并最终影响路面铺筑后的使用性能。因此，我国的《公路沥青路面施工技术规范》以及SHRP 沥青胶结料中也对沥青的高温黏度值进行了相应规定，135 ℃时黏度值不大于3 Pa·s。为此，本文进一步研究了135 ℃下BRA 改性沥青的黏度值。由图1 可知，随着BRA 掺量的提高，改性沥青的黏度也得到了相应提高，但即使是纯BRA 掺量下的黏度也仅为1.6 Pa·s，远小于规范 3 Pa·s 的限定值。综上所述，BRA 改性剂在使得基质沥青具有良好高温性能的同时，也可以充分保证其施工和易性。

2.3 高温流变性能

目前国内外研究沥青的高温流变特性主要是基于Superpave 体系里的动态剪切流变试验进行的，通过测量相位角δ 和复数模量G*，可以计算出车辙因子G* / sinδ 以表征沥青高温流变性能。沥青的车辙因子越高，其抵抗高温变形的能力越强。表4 显示了在不同温度下不同BRA 掺量改性沥青的车辙因子 G* /sinδ 试验结果。

表4 不同BRA 掺量改性沥青的抗车辙因子

由表4 可知，随着温度的升高，基质沥青和BRA 改性沥青的车辙因子均有所下降，这主要是因为温度升高，沥青的流动性增加导致的。此外，在相同温度下，BRA 改性沥青的车辙因子均大于基质沥青及沥青胶浆。当温度为64 ℃下，掺50% BRA 改性沥青的车辙因子相比基质沥青分别提高了74.8%。此外，动态剪切流变试验，当沥青的车辙因子小于1.0 kPa 时候停止试验，即默认沥青已达到一定程度的流动态，此时沥青的抗变形能力较弱。对于基质沥青，当温度达到76 ℃时，其车辙因子已小于1.0 kPa。而50%掺量BRA 改性沥青的车辙因子仍可保持在1.23 kPa，甚至高于同等温度下基质沥青胶浆的车辙因子。BRA 改性沥青的失效温度可提高至82 ℃，抗高温变形能力显著提升。

3 结语

本文采用室内试验研究了高温条件下BRA 的流变特性，主要结论如下：

a）BRA 改性剂的加入使得基质沥青的硫元素以及氧元素均得到了明显提升，而氢元素、碳元素则有所降低。

b）Brookfield 旋转黏度试验表明，在相同温度下，50%和100%掺量的BRA 改性沥青的黏度分别是基质沥青的1.5 和4.2 倍，高温性能得到了显著改善。此外BRA 改性沥青的135 ℃黏度值均小于3 Pa·s，具有良好的施工和易性。

c）相同温度下BRA 改性沥青的车辙因子大于基质沥青和沥青胶浆，且随BRA 掺量的增加而愈发显著。