Sasobit温拌沥青的低温性能评价指标研究

徐加秋，阳恩慧，王世法，李世佳

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 四川藏区高速公路有限责任公司，四川 成都 610000；3. 西南交通大学 道路工程四川省重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

目前，国内外沥青路面施工多采用的是热拌沥青混合料技术，其应用效果有目共睹。但其使用过程中因拌和温度高导致的高能耗，以及粉尘、沥青烟、CO、SO2、CO2等有毒有害物质的排放等问题也引起越来越多道路工作者的重视[1-3]。而温拌沥青混合料(Warm Mix Asphalt, WMA)是沥青行业为应对全球气候变暖、能源消耗等问题而诞生的新型技术[4-5]。温拌沥青混合料指的是通过温拌剂的添加使混合料的拌和温度和施工温度能降低不小于20 ℃而同时能保持和热拌沥青混合料一样的路用性能的新型沥青混合料的总称[6]。由于其优异的性能，温拌沥青混合料具有非常广阔的应用前景，在我国北方寒冷地区的使用也越来越广泛。而作为一种道路新型技术，温拌沥青的低温性能评价并未出现较好的评价方法和评价指标，也未形成较完善的低温性能评价体系。在现阶段，低温针入度、低温延度、脆点和当量脆点及玻璃态转化温度等指标是我国主要的温拌沥青低温性能指标。但相关研究表明，这些评价指标均存在一定局限性，与沥青混合料的实际低温路用性能关联度较小[7-9]。对于基质沥青的低温性能，美国战略公路研究计划(SHRP)提出通过沥青弯曲梁流变(BBR)试验得到的劲度模量S和劲度模量变化率m两项指标来对其进行评价。国内外研究人员利用BBR试验对沥青和沥青胶结料的低温性能作了大量的研究[10-12]。但单方面考虑沥青的模量或松弛能力，只通过劲度模量或劲度模量变化率来评价沥青的低温抗裂性能是片面的[13]，因而需综合考虑沥青的模量与松弛能力。本研究通过沥青弯曲梁流变试验对温拌沥青低温性能进行评价，分析并比选劲度模量S、劲度模量变化率m、低温连续分级温度Tc、k指标及低温性能综合评价指标J，以期为温拌沥青的低温性能评价和推广使用提供一定的参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 温拌剂

本研究采用的温拌剂为国内某公司生产的有机降黏型温拌剂Sasobit。Sasobit是采用Fischer-Tropsch (FT)方法从煤炭液化中取得的一种高碳数脂肪烃类固体蜡颗粒[14-15]，其性能指标如表1所示。

表1 Sasobit产品性能指标

1.2 基质沥青

本研究共选用了3种沥青，其性能测试结果如表2所示。

表2 基质沥青性能测试结果

1.3 温拌改性沥青的制备

将A类沥青加热至165 ℃、B类和C类沥青加热至170 ℃呈流动状态，运用高速剪切搅拌机制备温拌改性沥青。分别将1%，2%，3%掺量(质量比)的Sasobit产品加入至加热后的沥青中，高速搅拌30～60 min，待其自然冷却，即可制得温拌改性沥青。为了方便后续的研究分析，A类沥青加入1%掺量的Sasobit用A+1%S表示，其余温拌改性沥青皆采用此类表示方法。

1.4 试验方法

为模拟实际路面经长期老化后的沥青，对实验室制备好的温拌改性沥青进行旋转薄膜老化(RTFO)和压力箱老化(PAV)，并按照ASTM D 6648[16]对老化后的温拌沥青进行BBR试验。BBR试验的测试温度和低温养护温度为沥青低温等级最低温度以上10 ℃，本次试验所采用3类沥青的低温连续分级温度分别为-27.2，-28.9，-29.6 ℃，因此低温养护温度设置为-18 ℃。本次试验共设置了两个测试温度，分别为-18 ℃(沥青低温等级以上10 ℃)和-12 ℃(沥青低温等级以上16 ℃)，用于比较不同测试温度对试验的影响。每次BBR试验取3个平行试件，分别测得不同测试温度下每类沥青胶结料的劲度模量S和劲度模量变化率m。

2 试验结果与分析

2.1 劲度模量及劲度模量变化率结果分析

-12 ℃和-18 ℃温度条件下各沥青胶结料的劲度模量和劲度模量变化率测试结果如图1、图2所示。

图1 不同测试温度下温拌沥青的劲度模量

图2 不同测试温度下温拌沥青的劲度模量变化率

沥青的劲度模量S值及其变化率m值分别表征了沥青低温时的变形能力和应力松弛能力。S值越小，m值越大，表示沥青低温条件下的性能越优异。由图1、图2可知，随着温拌剂掺量的增大，两个试验温度下温拌沥青的S值均有一定程度的上升，m值均呈一定程度的下降。可见，温拌剂的加入削弱了沥青的低温性能。

但相关研究表明，仅单独考虑沥青的低温变形能力或应力松弛能力来评价沥青的低温性能存在一定的局限性[13]，应综合考虑低温变形能力和应力松弛能力来评价温拌改性沥青的低温性能。

2.2 PG连续分级温度的结果分析

沥青的PG分级是美国战略公路研究计划(SHRP)提出的一套沥青性能评价方法，它建立在沥青材料的各项路用性能基础上，具有较强的实用性和有效性，可用来较可靠地评价普通沥青和改性沥青的高低温性能。但采用PG分级指标评价沥青的低温性能也存在一定的局限性，PG分级的低温等级每6 ℃设1档，处于同一档的两种沥青的低温性能可能会存在一定差异。因此，参照ASTM D 7643—10[17], 使用PG连续分级温度Tc来评价基质沥青和温拌改性沥青的低温抗裂性能。ASTM D 7643—10通过测试不同温度下沥青胶结料的特定性能指标值，再通过插值来确定连续分级温度Tc。

对于除m值以外的性能指标，插值公式为：

(1)

式中，Tc为连续分级温度；T1和T2分别为两种测试温度中的较高者和较低者；P1和P2分别为T1和T2测试温度下特定性能指标的测试值；Ps为特定性能指标的要求值，BBR试验要求加载60 s后的劲度模量不得大于300 MPa且劲度模量变化率不得小于0.3，因此对于S指标和m指标，Ps分别取300和0.3。

m值指标的插值公式为：

(2)

将不同测试温度下基质沥青和温拌改性沥青的BBR试验结果分别代入式(1)～式(2)中，取S指标和m指标得到的两个低温连续分级温度中的较高者作为Tc，则基质沥青和温拌改性沥青的Tc结果如图3所示。

图3 温拌沥青的低温连续分级温度

由低温连续分级温度Tc的结果可知，随着温拌剂掺量的增加，沥青低温连续分级呈不断升高的趋势，温拌产品的加入削弱了沥青的低温抗裂性能，这与沥青的劲度模量S值及其变化率m值得出的结论是一致的。由Tc指标的定义可知，该指标在一定程度上综合考虑了沥青低温条件下的变形能力和应力松弛能力，能更精确地评价温拌改性沥青的低温抗裂性能。

2.3 k指标的建立与结果分析

BBR试验所得S值和m值分别表征了沥青的低温变形能力和应力松弛能力，且S值越小、m值越大，沥青的低温抗裂性能越好。谭忆秋等[13]采用S值和m值两项指标构建的新指标k的表达式为：

(3)

因此k值越小，沥青的低温性能越好。各沥青胶结料的k指标计算结果如图4所示。

图4 温拌沥青的k指标

温拌改性沥青的k指标计算结果表明，温拌产品的加入削弱了沥青的低温性能，与上述低温连续分级温度结论类似。由k指标的定义可知，该指标兼顾考虑了沥青的低温变形能力与应力松弛能力，可更精确地评价温拌改性沥青的低温抗裂性能。

2.4 J指标的建立及结果分析

2.4.1基于Buegers模型的黏弹参数分析

Burgers模型可看作由一个经典Maxwell模型和一个经典Kelvin模型串联而成，可较好地反映沥青材料的黏弹特性。Burgers模型中蠕变柔量随时间t的变化关系可表示为：

(4)

式中，J(t)为蠕变柔量；E1和η1分别为Maxwell模型中的瞬时弹性模量和黏性流动参数；E2和η2分别为Kelvin模型中的延迟弹性模量和延迟黏性参数。

将BBR试验所得数据利用1stopt软件进行参数拟合，可得到各温拌改性沥青的Burgers模型的E1,η1,E2,η2这4个黏弹参数值，如图5所示。

图5 温拌沥青的4个指标

温拌产品的加入使Burgers模型4个黏弹参数的值皆呈增大趋势，黏弹参数值越大，其抵抗变化的能力越弱，即沥青的低温抗裂性能越差。这个结果与前文低温连续分级温度、k指标所得结果类似，但4个黏弹参数指标都是考虑沥青的单方面性能指标来评价其低温性能，存在一定的片面性。

2.4.2J指标的构建

Burgers模型中蠕变柔量随时间的变化关系也可表示为：

(5)

蠕变柔量可分为瞬时弹性部分Je、延迟弹性部分Jd和黏性部分Jv这3个部分[18]。作为一种黏弹性材料，在温度较低的情况下，沥青的弹性比例占主导地位。但此时沥青的黏性特性非常重要，因为它可通过流动的方式松弛拉应力从而减少低温开裂[19]。蠕变柔量组成中，黏性部分Jv所占比例和值越大，沥青的低温性能越好。因而构建温拌改性沥青低温性能综合评价指标J如下：

(6)

各温拌改性沥青的指标J计算结果如图6所示。

图6 温拌沥青的低温性能综合评价指标

由图6中数据可得，随着温拌产品掺量的增加，温拌改性沥青的J指标呈上升趋势，因而温拌产品的加入削弱了沥青的低温抗裂性能，与前文各项指标所得结论一致。不同于Burgers模型的4个参数指标，由指标J的定义可知，该指标考虑了黏性变形占总变形的比例及黏性特性的强弱，综合考虑了温拌改性沥青的低温变形能力和应力松弛能力，能更精确地评价温拌改性沥青的低温性能。

2.5 低温性能评价指标比选

2.5.1沥青混合料弯曲应变能密度结果

张美坤等[20]的研究结果表明，沥青混合料的弯曲应变能密度指标可较好地评价混合料的低温抗裂性能。本研究选用SMA-13级配中值，以设计孔隙率为4%确定各沥青的最佳沥青用量，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行沥青混合料在-10 ℃条件下的低温弯曲试验。

利用弯曲试验所得的应力应变曲线计算的各温拌沥青混合料的弯曲应变能密度如图7所示。

图7 温拌沥青混合料的弯曲应变能密度

可以看出，随着温拌剂掺量的增加，沥青混合料的弯曲应变能密度呈下降趋势，可知温拌产品的加入削弱了混合料的低温抗裂性能。这与前文胶结料的各项评价指标得出的结论是一致的。

2.5.2相关性分析和指标比选

混合料的低温抗裂性能80%由沥青性质决定[21]，所以混合料的低温性能可较好地反映沥青的低温性能。因而本研究将小梁低温弯曲试验作为温拌沥青低温评价指标的验证试验，通过将混合料的低温弯曲应变能密度指标与前文温拌沥青的各项评价指标进行相关性分析，并结合各项评价指标的测试精度、物理意义、数据处理难易程度、试验量大小等来进行分析，优选出较合适的温拌沥青低温性能评价指标。相关性分析结果如表3所示。

表3 低温性能指标相关性

由表3数据可知：

(1)-12 ℃(基质沥青低温连续分级以上16 ℃)测试温度下的相关系数均大于-18 ℃(基质沥青低温连续分级以上10 ℃)测试温度下，因而采用-12 ℃(基质沥青低温连续分级以上16 ℃)的测试温度更具有实用性，推荐基质沥青低温连续分级以上16 ℃的测试温度作为Sasobit温拌改性沥青的BBR试验测试温度。

(2)无论在-12 ℃还是-18 ℃的测试温度下，指标k、综合指标J及低温连续分级指标Tc的相关性均要好于劲度模量S和劲度模量变化率m，其原因在于前3项指标皆综合考虑了沥青的低温变形能力和应力松弛能力，而后两项指标皆是单方面考虑一项性能，存在片面性。

本研究在进行温拌改性沥青的低温性能评价时，共采用了劲度模量S和劲度模量变化率m、低温连续分级指标Tc、指标k、综合指标J这5项指标，进行比选如下。

(1)劲度模量S和劲度模量变化率m：传统BBR试验提出的两项沥青低温性能评价指标物理意义明确，试验测试方法较为简便，仅1个测试温度条件，且无需进行后期数据处理。但其与温拌改性沥青的低温弯曲应变能密度相关性是最低的，原因在于仅单方面考虑了沥青的低温变形能力和应力松弛能力，存在一定局限性。

(2)低温连续分级温度指标Tc：美国SHRP计划提出的1项沥青低温性能评价指标通过BBR试验可得，物理意义明确，综合考虑了沥青的低温变形能力和应力松弛能力，与温拌改性沥青的低温弯曲应变能密度相关性较高。但至少需要两个测试温度，试验量增大。

(3)指标k：直接由传统的S和m两项指标构建而成，计算简便，把沥青的低温变形能力和应力松弛能力两个性能评价指标综合到一起，与温拌改性沥青的低温弯曲应变能密度相关性较高，可更精确地评价温拌改性沥青的低温性能。但关于k指标的明确物理意义需进行进一步研究。

(4)综合指标J：基于Burgers模型，对BBR试验得到的数据进行参数拟合构建而成，物理意义明确，综合考虑了沥青的低温变形能力和应力松弛能力，与温拌改性沥青的低温弯曲应变能密度相关性最高，可用于更精确地评价温拌沥青的低温抗裂能力。但进行参数拟合时数据处理较为繁琐。

3 结论

(1)通过对温拌改性沥青BBR试验的系统研究，验证了Sasobit温拌产品的加入会削弱沥青的低温抗裂性能，且随着掺量的增加，削弱程度呈上升趋势。在Sasobit产品最大掺量(3%)时，B类沥青和C类沥青的低温分级皆上升了1个等级，连续分级值增加接近6 ℃，低温性能降低明显。

(2)本次BBR试验共设置了两个试验温度，分别为-12 ℃(基质沥青低温连续分级以上16 ℃)和-18 ℃(基质沥青低温连续分级以上10 ℃)。在两个试验温度下，温拌改性沥青各项指标的总体变化趋势基本相同，但-12 ℃情况下各项指标的测试结果更具有规律性。在与沥青混合料的低温弯曲应变能密度结果相关性分析中，-12 ℃温度条件下的指标结果相关性更高。因此，推荐把基质沥青低温连续分级以上16 ℃作为Sasobit温拌改性沥青BBR试验的测试温度。

(3)针对传统BBR试验所得劲度模量S和劲度模量变化率m两项指标在评价沥青低温性能方面的局限性，本研究分析并采用了低温连续分级指标Tc、指标k及综合指标J来评价温拌改性沥青的低温性能。此3项指标皆综合考虑了沥青的低温变形能力和应力松弛能力，且与混合料的低温弯曲应变能密度结果相关性较高，可用于更精确地评价温拌改性沥青的低温性能。但得到低温连续分级指标至少需要两个测试温度，试验量增大。

(4)针对本研究分析并构建的指标k及综合指标J，由于指标k计算简便但物理意义需进一步进行研究，推荐工程单位计算优先采用，由于综合指标J物理意义明确但计算较为繁琐，推荐科研工作研究优先采用。