聚合物改性沥青低温性能指标研究

颜可珍， 王道珵,2

(1.湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082； 2.中建三局西部投资有限公司， 四川 成都 610000)

在车辆荷载与气候因素的共同作用下，沥青路面容易出现高温车辙、低温开裂等破坏行为．为了提高沥青路面服务质量，延长使用寿命，聚合物改性沥青应用越来越广泛．

沥青是典型的黏弹性材料，低温条件下弹性比例降低，沥青路面容易发生低温开裂．根据美国SHRP计划研究成果，沥青胶结料对沥青路面抗裂能力的贡献度达到80%[1]，因此低温性能是沥青的重要性能之一．目前对沥青低温性能的评价主要通过常规物理指标或Superpave体系的低温流变指标(劲度模量、应力消散速率和PG低温等级)．沈金安认为将15℃针入度与当量脆点作为评价基质沥青的低温性能是合理的[2]，而随着聚合物沥青种类的增加，这些指标是否适用于评价聚合物改性沥青值得进一步研究．近年来，Radiziszeski[3]和孙大权等[4]通过对传统延度试验进行优化，定义了低温黏韧性的概念，从能量的角度反映沥青抵抗外力破坏的能力．曹丽萍等[1]通过混合料低温试验验证了玻璃态转变温度适用于评价苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青．Lenoble等[5]和Lu等[6]利用沥青为典型黏弹性材料这一特性，将沥青在5℃时的损耗模量作为衡量沥青低温性能的重要指标．

沥青胶结料性能指标是否可信，需要结合沥青混合料的试验结果进行判断．常用的混合料低温性能试验有断裂力学J积分试验和低温弯曲试验．前者的测试结果受试件加工精度的影响较大，且试验过程中对裂缝发展速率的控制难度较高[7-8]．葛折圣等[9]和詹小丽等[10]的研究成果表明，低温弯曲试验得到的弯曲应变能密度可以很好地反映沥青混合料的低温性能．

目前，多种聚合物改性沥青低温性能指标的研究工作仍然有待完善．因此，本文基于4种聚合物改性沥青，对沥青黏韧性、劲度模量、应力消散速率(m值)、玻璃态转变温度等9种沥青低温性能指标进行测试；结合灰色关联理论，以沥青混合料的弯曲应变能密度与破坏应变为参考依据，对聚合物改性沥青的低温性能指标进行了有效性评价，提出了适用于聚合物改性沥青的低温性能评价指标．

1 改性沥青性能试验

根据近年来聚合物改性沥青的研究成果[11-15]，本文选用4种具有代表性的改性沥青1)：SBS改性沥青(SBSMA)、Terminal Blend/6%非晶态α烯烃共聚物(APAO)复合改性沥青(TB6AMA)、15%废轮胎橡胶粉(WTR)/4% APAO/90#复合改性沥青(WTRMA)、5%乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)/ 90# 改性沥青(EVAMA)．SBS改性沥青为成品沥青；Terminal Blend沥青取自同济大学道路试验室；APAO为辽宁某化工厂生产的非晶态塑性体材料；90#基质沥青产自金陵石化；EVA为美国杜邦公司生产的4260热熔级EVA；醋酸乙烯(VA)质量分数为28%，熔点为72℃．所有自制改性沥青均采用相同工艺，在170℃、 3000r/min 条件下，高速剪切 30min，并在相同温度下保温发育20min．改性沥青的制备工艺如 图1 所示．

1)改性沥青制备时的加入量均以基质沥青的质量计.

图1 改性沥青制备工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of modified asphalts preparation

根据T 0604—2011《沥青针入度试验方法》进行针入度试验，得到15℃针入度及当量脆点.根据文献 [3-4] 对沥青进行5℃测力延度试验，得到延度及沥青黏韧性值(toughness)．根据AASHTO T 313《美国国有公路运输管理员协会标准》进行弯曲梁流变试验(BBR)，得到沥青的劲度模量(stiffness)、应力消散速率(m值)、低温PG等级．通过动态剪切流变仪，利用动态力学方法[1]对玻璃态转变温度进行测试，在3～20℃区间进行温度扫描，升温速率1℃/min，加载方式为控制应变模式，根据Amplitude sweep确定材料的线黏弹性应变区间，得到损失模量曲线(G″)并确定玻璃态转变温度(Tg)．相关的测试数据见表1所示．

表1 试验结果汇总表

图2为4种改性沥青测力延度试验结果．由图2可见：不同材料在延度值、拉力峰值、屈服点之后的受力状态、黏韧性均有所不同；TB6AMA作为拉力峰值最大的材料，其屈服点较低．但通过屈服点后，随着延度的增加，后期拉力明显变大，表明其在受到较大的拉力荷载后，虽然有一定程度的变形，但仍保持了较高的受荷能力，最终断裂时，残留抗拉能力达到峰值的75.6%；SBSMA峰值仅次于TB6AMA，断裂拉力为54.6N，残留抗拉能力为峰值的77.8%；而WTRMA与EVAMA在通过屈服点后，抗拉能力迅速下降，断裂时残留抗拉能力仅为峰值的46.8%和8.1%．

图2 改性沥青测力延度试验结果Fig.2 Force-ductility test results of modified asphalts

改性沥青的损失模量-温度曲线如图3所示．根据文献[1]，随着温度的升高，沥青损失模量达到峰值后会出现下降，而峰值点所对应的温度为材料的玻璃态转变温度．由图3可见：4种沥青胶结料的玻璃态转变温度相差较大；SBSMA与TB6AMA的玻璃态转变温度较低，分别为6.45℃与5.36℃；而WTRMA和EVAMA的玻璃态转变温度相对较高，分别达到了8.98℃和9.38℃．

图3 改性沥青的损失模量-温度曲线Fig.3 Loss modulus-temperature curves of modified asphalts

2 沥青混合料低温弯曲试验

考虑到高等级公路普遍使用沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)，本文统一选取SMA-13设计级配，并进行了配合比设计，确定最佳油石质量比OAC=6.24%．表2给出了沥青混合料的级配组成．集料取自云中科技有限公司出产的玄武岩，填充剂采用木质纤维，掺和质量比为0.3%，改性沥青混合料拌和温度为 180℃，碾压轮预热温度为100℃，压实温度 150℃．为统一制备过程中的系统误差，4种SMA混合料拌和与压实采用相同的温度．压实后的车辙板与切割后的小梁试件如图4、5所示．小梁试件尺寸符合T 0715—2011《沥青混合料弯曲试验》的相关规定．

表2 沥青混合料的矿料级配

图5 小梁试件Fig.5 Beam specimen

混合料弯曲试验温度为-10℃，各性能测试结果如图6所示．由图6可见：TB6AMA抗弯拉强度略低于SBSMA，但其破坏应变较大，弯曲应变能密度最高；温度较低时，TB6AMA具有较好的变形能力，发生脆裂的可能性较低．

图6 沥青混合料弯曲试验结果Fig.6 Bending test results of asphalt mixtures

3 沥青指标关联度分析

在对4种聚合物改性沥青及其混合料分别进行低温性能测试后，基于灰色关联理论，可将沥青低温性能测试结果与混合料低温性能进行灰色关联分析，从而对沥青低温评价指标的可信度做出评价．灰色关联方法可在小样本、贫信息条件下对数据进行分析，并以关联度描述各个因素与系统发展态势之间的关系，关联度越大，影响程度越大[16-17]．

经过灰色关联计算，分别以弯曲应变能密度和破坏应变为参考数列，得到各项沥青指标的关联度，见表3．由表3可见：在2种参考标准下，劲度模量、m值、玻璃态转变温度以及PG低温等级的关联度均大于0.8；当以弯曲应变能密度为参考标准时，关联度由高到低依次为：玻璃态转变温度>PG低温等级>劲度模量>m值>黏韧性>延度>损失模量>针入度>当量脆点；当以破坏应变为参考标准时，关联度次序为玻璃态转变温度>PG低温等级>劲度模量>m值>损失模量>延度>黏韧性>针入度>当量脆点．

由此说明， 用玻璃态转变温度表征文中4类聚合物改性沥青的低温性能时，可信度最高，而Superpave体系的沥青低温性能指标与沥青混合料低温性能之间仍有良好的关联度．黏韧性指标对沥青低温性能的反映虽不及上述2种指标准确，但其混合料低温性能的相关性保持在0.75左右，在实验室条件有限时，仍能获得可以接受的可信度．

表3 关联度计算结果

通过灰色关联理论对沥青混合料低温性能指标进行分析，无论以弯曲应变能密度还是破坏应变作为参考数列，其关联度计算结果都不会发生大的变化．玻璃态转变温度的关联度始终最高，而当量脆点与针入度等指标对文中4类聚合物改性沥青低温性能的反映并不准确．值得注意的是，2种Superpave体系外的指标呈现出较大差异．黏韧性值与混合料性能的关联度不及劲度模量、m值等低温流变指标；而玻璃态转变温度与沥青混合料性能的相关性高于BBR试验结果．为了进一步探究黏韧性指标、玻璃态转变温度与混合料性能之间的联系，分别将其与弯曲应变能密度进行线性回归，补充验证二者对文中4种聚合物改性沥青的适用性，结果如图7所示.

图7 Tg、黏韧性与弯曲应变能密度的相关性Fig.7 Relativity between strain energy density and Tg or toughness

由图7可见：不同改性沥青的黏韧性差别很大，所选的4种改性沥青最大值与最小值之差接近 1500N· cm；随着黏韧性降低，弯曲应变能密度同时降低，沥青混合料的低温性能变差；Tg与弯曲应变能密度变化方向相反，Tg越低，弯曲应变能密度越大，沥青混合料的低温性能越好；Tg与弯曲应变能密度线性拟合的R2达到了0.979，二者线性相关程度很高；黏韧性与应变能密度的线性相关度较弱，但也达到了0.862．

综上所述，用Tg和黏韧性指标评价本文的4种聚合物改性沥青的低温性能是合理、准确的．二者不仅有明确的物理意义，而且区分度很高，可以明显表征不同改性沥青低温性能的差别，其评价结果与沥青混合料的实测性能有良好的相关性．

4 结论

(1)玻璃态转变温度作为高分子聚合物低温性能的评价指标，在评价文中4种聚合物改性沥青的低温性能时同样适用．本文通过灰色关联理论，验证了玻璃态转变温度与沥青混合料低温性能的关联度高于0.85，在9项评价指标中居于首位．

(2)相比于BBR试验所得评价指标，沥青黏韧性与混合料弯曲应变能密度的相关性较低，灰色关联度在0.75左右．与其他试验不同的是，测力延度是将外力做功与试件破坏相联系，从能量角度评价了沥青低温路用性能．在保证了关联度水平可接受的情况下，测力延度试验设备与操作相对简单，对试验室条件要求较低，可推广性更高．

(3)劲度模量、m值、PG低温等级与混合料性能的灰关联度均达到0.8，表明在评价文中4种聚合物改性沥青时，Superpave体系的低温性能指标仍然具有较高的适用性．而此类指标存在的不足是对试验设备要求较高．

(4)聚合物改性沥青种类众多，由于篇幅与条件所限，本文的研究主要基于4种聚合物改性沥青，未来期待其他学者对更多种类的改性沥青进行相关研究．