基于流变性能的抗油蚀改性沥青高温特性

毛三鹏，黄宏海，薄 鹏，孙牧天

(1. 中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100195； 2. 中石油燃料油有限责任公司，北京 100102； 3. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

随着交通的快速发展，交通事故、发动机漏油等原因所导致燃油泄漏现象屡见不鲜。由于沥青与轻质油的化学组分相似，极易被溶解，将引起沥青与集料的黏附性能下降[1]。因此，被柴油、汽油等污染腐蚀的沥青路面会出现剥落、松散等早期病害，导致路面使用性能下降[2]。陈肯等[3]研究发现油蚀作用下SMA-13及AK-13混合料的马歇尔稳定度及动稳定度下降显著。李强等[4]研究表明采用70#及SBS改性沥青的SMA-13混合料经7d油蚀处理后，其动稳定度分别下降68.6%和46.7%，已远低于规范标准。由此可见，油蚀对沥青路面高温性能劣化影响显著。工程实践中提升沥青路面的抗油蚀性方面主要通过在混合料中添加抗油蚀外掺剂或采用抗油蚀改性沥青。高温稳定性是沥青路面最重要的使用性能，美国公路战略研究计划(SHRP)研究表明，沥青混合料中40%抗车辙性能取决于沥青本身的高温特性[5]。因此，在考虑沥青混合料的抗油蚀性时也需重点评价其外加剂或抗油蚀改性沥青的高温特性，以兼顾抗油蚀性及高温性。

当前，中外道路工作者们针对沥青及沥青混合料的抗油蚀性能研究主要集中在油蚀机理、油蚀影响及评价、抗油蚀外加剂及抗油蚀改性沥青研发等方面。国外，Merusi等[6]通过研究沥青和燃油的相互作用，提出采用合成蜡改性基质沥青可有效提升。荷兰的Ooms Avenhorn Holding B.V.公司开发了无煤焦油的耐油蚀聚合物改性沥青，并成功应用于许多国际机场[7]。Pratico等[8]提出并验证一种用于分析燃油泄漏造成沥青路面腐蚀程度的新模型，可用于热拌沥青混合料的选择及其耐油蚀性能预测。Li等[9]研究了油浸时间、黏结剂类型和抗油蚀剂含量对抗油蚀性和路面性能的影响，并对油蚀和抗油蚀剂改进机理进行探究。Giuliani等[10]研究推荐采用溶解度测试评价沥青的抗油蚀性，并提出可据沥青成分选择适宜的聚合物对其改性以改善其耐油蚀性。国内，李浩等[11]提出沥青与轻质油存在“相似相溶”特性，基于此阐述沥青油蚀机理。李明国等[12]研究改性沥青对沥青混合料的影响，并提出“油蚀系数”作为评价其抗油蚀能力的指标。李善强等[13]针对沥青油蚀机理分别提出了评价沥青及沥青混合料抗油蚀性能的评价方法。吴少鹏等[14]研发一种渗透型硅树脂抗油剂，并经室内试验证明该抗油剂可有效沥青混合料的抗油蚀特性。

上述研究成果促进了沥青及沥青混合料的抗油蚀性能方面的研究发展，但是关于抗油蚀改性沥青的高温特性研究鲜有报道。此外，传统沥青的高温性能评价指标是否适用抗油蚀性改性沥青也值得商榷。鉴于此，现自主研发抗油蚀改性沥青，对其抗油蚀性能进行评价，并基于流变特性对其高温性能研究，推荐适宜的抗油蚀改性沥青高温评价指标。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用基质沥青为佛山70#和佛山90#道路石油沥青，抗油蚀改性剂是由PR INDUSTRIE公司自主研发的科研产品。将抗油蚀改性剂(图1)按照基质沥青质量分数5%的掺配比例分别加入两种基质沥青中，在170℃下以350r/min左右的转速搅拌60min，制备得到两种抗油蚀改性沥青。

图 1 抗油蚀改性剂Fig.1 Anti-oil corrosion modifier

1.2 试验方法

1.2.1 油蚀试验

油蚀度ω定义为：一定温度下，固态沥青在100mL油品中经过一定时间油蚀后所损失的质量[15]。在借鉴李善强等[15]提出的油蚀度试验基础上，通过对其改进并用于评价沥青的抗油蚀性能。

试验时，采用50mm×50mm×20mm的不锈钢模具，模具内直径为25mm[图 2(a)、图2(b)]，保证每一个沥青样品具有相同的质量(10±0.2)g以及浸油时与油品接触表面积相同。具体试验步骤如下。

图 2 油蚀试验Fig.2 Oil corrosion test

(1)将沥青加热至流动状态后(基质沥青加热温度为160℃，改性沥青加热温度为170℃)，快速均匀地倒入模具，在25℃条件下冷却2h后脱模成型。

(2)将成型的固态沥青称量，将满足要求的固态沥青样品放入量杯中，倒入100mL 0#柴油，封闭杯口，在25℃条件下分别放置0.5、2、4、8、24h。

(3)一定时间后，将量杯中的液体倒掉，取出杯中固体，用纸巾轻轻拭去固态沥青样品表面的液态沥青与柴油的混合物，称量剩余固体的质量。

1.2.2 动态剪切流变试验

SHRP规范定义车辙因子G*/sinδ用于评价沥青的高温性能。其中： 复数剪切模量G*表征沥青抵抗外力荷载作用的能力，相位角δ则反映沥青样品的弹性部分与黏性部分的相对比例。

试验时，采用沥青剪切流变仪进行温度扫描试验，测定沥青在不同的温度下(58、64、70、76、82℃)对应的复数剪切模量G*、相位角δ以及车辙因子G*/sinδ。所用平行板直径25mm，板间距1mm(30～80℃)，测试频率10rad/s。

1.2.3 多应力重复蠕变恢复试验

多应力重复蠕变试验可分析累积应变和蠕变劲度的黏性成分中不可恢复的部分。试验时，同样采用沥青剪切流变仪，选择直径为25mm、厚度为1mm的转子，蠕变时间设定为1s、恢复时间设定为9s，共进行10个周期，试验温度为58℃，记录样品的剪切变形，从而计算4种沥青的蠕变回复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr。

2 试验结果与分析

2.1 油蚀试验

4种沥青在不同时间序列下油蚀变化规律如表 1及图 3所示。

表 1 沥青油蚀试验结果Table1 Asphalt oil corrosion test results

图 3 沥青抗油蚀改性前后油蚀度Fig.3 Asphalt oil corrosion resistance before and after modification

从表 1可知，相较于佛山90#沥青，佛山70#沥青在各油蚀时长的油蚀度均更大，相较于佛山90#抗油蚀改性沥青，佛山70#抗油蚀改性沥青在各油蚀时长的油蚀度也更大，表明对于来源相同的基质沥青，其抗油蚀性能与针入度有关，且针入度等级越高，沥青的抗油蚀性能越好。

由图 3可知，4种沥青的油蚀度随油蚀时长增加而增大，且增大速率先快后慢并趋于平缓；在添加抗油蚀剂后，改性沥青在各油蚀时长的油蚀度均有不同程度的下降，抗油蚀改性效果明显。

2.2 针入度及软化点试验

针入度及软化点试验结果如表 2所示。

表 2 4种沥青针入度及软化点结果Table2 Results of penetration and softening point of four asphalts

由表 2可知，相较于基质沥青，抗油蚀改性沥青针入度下降明显，降幅约50%；软化点影响略小，提高约10%。表明，抗油蚀剂的加入具有增黏增稠的效果，沥青高温性能得以提升。

2.3 动态剪切流变试验

不同沥青的相位角δ和复数剪切模量G*试验结果如表 3、表 4所示。

表 3 不同温度下各类沥青复数剪切模量G*Table3 The complex shear modulus G* of various asphalts at different temperatures

表 4 不同温度下各类沥青相位角δTable4 Phase angle δ of various asphalts at different temperatures

由表 3可知，随着测试温度的升高，四种沥青的复数剪切模量G*逐渐减小，沥青变软，弹性行为减弱，造成抵抗变形的能力降低；相同温度下，经抗油蚀改性后，佛山70#和佛山90#的复数剪切模量G*均有大幅增加，抵抗变形的能力明显增强。

由表 4可知，随测试温度升高，4种沥青的相位角δ均有所增大，并趋近于90°，表明沥青中弹性成分减少，黏性增加；同一温度下，抗油蚀改性沥青的相位角δ明显减小，更不容易发生塑性变形，抗车辙性能更优异。

由表 3及表 4计算可得4种沥青的车辙因子G*/sinδ，计算结果如表 5、图 4所示。

图 4 不同沥青车辙因子与温度变化曲线Fig.4 Curves of rutting factor and temperature for different asphalts

车辙因子G*/sinδ是SHRP体系中高温评价指标之一，SHRP规范中要求：原样沥青的车辙因子G*/sinδ不应低于1.0kPa，若低于1.0kPa，表明此时沥青在该试验温度下不满足使用要求。由表 5可知，对于来源相同的沥青，在满足G*/sinδ不低于1.0kPa的条件下，针入度越大，相同温度下车辙因子越小。

表 5 不同温度下各类沥青车辙因子G*/sinδTable5 Rutting factor G*/sinδ of various asphalts at different temperatures

由图 4可知，4种沥青的车辙因子随着温度升高而逐渐降低；经抗油蚀改性后，相同温度下，沥青的车辙因子增幅明显，但随着温度由58℃升至82℃，各沥青之间的差异逐渐减小；佛山70#和佛山90#沥青在70℃时车辙因子低于1.0kPa，已不能满足要求，而改性沥青在76℃时仍能满足使用要求。综上所述，试验所用抗油蚀剂能够提高沥青的抗高温流变能力，改善其高温性能。

图 5 指标的相关性分析Fig.5 Analysis of the correlation of indicators

2.4 多应力重复蠕变恢复试验

不同沥青在58℃、不同应力水平下平均回复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr如表 6所示。

表 6 不同应力下平均回复率R和不可恢复蠕变柔量JnrTable6 Average recovery rate R and irrecoverable creep compliance Jnr at different stress

由表 6 可知，不同应力水平加载模式下，相较于基质沥青，抗油蚀改性沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr降低约70%，蠕变恢复率R则提高约5%。不可恢复蠕变柔量Jnr反映沥青胶结料抵抗高温变形的能力，其值越小，残余不可恢复变形越小，抗高温变形能力越强；蠕变恢复率R反映材料的变形恢复能力，其值越大，弹性恢复能力越强。表明，抗油蚀剂的加入使沥青弹性成分增加、黏性成分减少，从而提高其应变恢复率，使其具有更优良的抗车辙能力。

对于来源相同的基质沥青，针入度越大，不可恢复蠕变柔量Jnr越大；但经抗油蚀剂改性后，在不同应力水平下，沥青Jnr比较接近，具有良好的高温稳定性。

3 沥青高温性能指标相关性分析

目前，中国对沥青高温性能的评价仍然以针入度、软化点等经验指标为主，长期以来，沥青标准与实际路用性能的矛盾日益凸显，这些指标的准确性和适用性饱受争议[16]。美国Superpave沥青结合料规范根据当地的气候条件、交通状况和环境因素划分和选择胶结料等级，并使试验温度与路面使用温度基本保持一致，以车辙因子G*/sinδ作为高温评价指标，更能体现实际路用性能。但大量室内外试验表明，车辙因子评价改性沥青高温性能时与混合料的抗车辙能力相关性较差。2001年，美国国家公路合作研究计划NCHRP9-10第459号报告中采用重复蠕变恢复试验(RCRT)，模拟实际路面车辆荷载的间歇性。在此基础上，联邦公路总局FHWA提出了多应力重复蠕变试验(MSCR)。近几年的研究结果表明，MSCR能更好地评价改性沥青的高温性能[17]，不可恢复蠕变柔量Jnr作为其主要评价指标与沥青路面的高温性能相关性较高[18]。

因此，以不可恢复蠕变柔量Jnr为基准，作为评价抗油蚀改性沥青高温性能的指标依据，分别与针入度、软化点以及车辙因子G*/sinδ进行相关性分析，以考察后3种指标用来评价抗油蚀改性沥青高温性能的适用性。相关性分析结果如图 5所示。

结合图 5可知，传统评价指标软化点和针入度与不可恢复蠕变柔量Jnr的相关性存在明显差异。其中： 软化点与不可恢复蠕变柔量Jnr的相关性较低，相关系数R2小于0.6；针入度与不可恢复蠕变柔量Jnr相关性较好，尤其是0.1kPa应力水平下，相关系数R2为0.923。车辙因子，其与Jnr的相关性则在不同温度下存在差异性。在58℃和64℃下的G*/sinδ与Jnr的相关系数约为0.90；而在更高的测试温度条件下(70、76、82℃)，G*/sinδ与Jnr的相关性更为出色。

综上，在评价基质沥青及抗油蚀改性沥青的高温性能时，软化点这一指标的合理性有待商榷；而针入度和车辙因子则具有较高的准确性及适用性。

4 结论

(1)相较于基质沥青，抗油蚀改性沥青在各油蚀时长的油蚀度均下降，抗油蚀改性效果明显；对于来源相同的基质沥青，针入度越大，沥青的抗油蚀性能越好。

(2)相较于基质沥青，在各个温度下抗油蚀改性沥青复数剪切模量G*更大、相位角δ更小；基质沥青在70℃时车辙因子G*/sinδ低于1.0kPa，已不能满足要求，而改性沥青在76℃时仍能满足使用要求，抗高温流变能力增强。

(3)抗油蚀剂的加入使沥青弹性成分增加、黏性成分减少；相较于基质沥青，抗油蚀改性沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr降低了70%左右，蠕变恢复率R则提高约5%。

(4)对于评价沥青高温性能，以不可恢复蠕变柔量Jnr为参照，软化点与其相关性较差，针入度和车辙因子G*/sinδ与其相关性较高。