不同外加剂对沥青PG分级影响研究进展

（中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100195）

PG （Performance Grade）分级是美国20 世纪90年代SHRP （Strategic Highway Research Program，战略公路研究计划）计划的研究成果，是Superpave （Superior Performing Asphalt Pavement，高性能沥青路面）成果之一，该分级体系通过测试沥青的流变性能，依据沥青适用的路面最高温度和最低温度对沥青材料进行分级，完全颠覆了传统的按照25 ℃针入度和60 ℃动力黏度进行分级的方法[1]。PG 分级体系最大的区别是突破了以往经验性的试验方法，采用全新的试验方法对沥青不同温度下的流变性能进行测试，其中动态剪切流变仪试验（DSR）来测试沥青高温和中等温度下的性质，弯曲梁试验仪试验（BBR）来测试沥青低温下的性质，旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）来模拟在生产热拌沥青混合料过程中沥青发生的短期老化过程，PAV（Pressurized Aging Vessel）压力老化罐试验来模拟沥青路面使用后长期老化过程。

沥青是一种粘弹性流体，研究发现不同材料对沥青的PG 分级有一定程度的影响，基于此，本研究总结了目前国内外相关研究成果，介绍了温拌剂、橡胶粉、SBS 等不同材料对沥青PG 分级性能的影响，为沥青性能的提高和添加剂的选择提供参考。

1 PG 分级流变性能参数

1.1 复数剪切模量和相位角

复数剪切模量G*和相位角δ是用来表征沥青粘弹性能最基本的两个参数，可以通过动态剪切流变仪试验（DSR）测得。复数剪切模量G*越大，材料抵抗应力的能力越强；相位角δ反映了沥青结合料弹性（储能模量G′）与粘性（损耗模量G″）成分的比例，δ值越大，沥青中粘性成份所占比例越大，即变形不可恢复的部分越大，越容易产生永久变形。

1.2 车辙因子

美国Superpave 沥青结合料性能规范中，以原样沥青及旋转薄膜烘箱加热后残留沥青的车辙因子|G*|/sinδ（其中|G*|为沥青材料的复数剪切模量，δ为沥青材料相位角）作为沥青高温性能的评价指标，要求原样沥青|G*|/sinδ不低于1.0 kPa，RTFOT 后残留沥青|G*|/sinδ不低于2.2 kPa，|G*|/sinδ越大，PG 分级的温度等级越高，表明沥青的高温性能越好，其抗流动变形能力也越强。

1.3 蠕变劲度及其变化率

在Superpave 沥青结合料性能规范中，以沥青结合料BBR 试验指标弯曲蠕变劲度模量S和蠕变曲线斜率m（劲度模量对荷载作用时间的曲线斜率）作为评价沥青结合料的低温抗裂性能评价指标，要求RTFOT 和PAV 后残留沥青的S不大于300 kPa，m不小于0.3。蠕变劲度模量S表征沥青胶浆的柔性，S值越小，表示其低温抗开裂性能越好；蠕变曲线斜率m表征沥青胶浆的松弛性能，m值越大，表明其应力释放速度越快，松弛能力越强，低温抗裂性能越好。

式中，S（t）为时间等于60 s 时的蠕变劲度；P为荷载，取100 g；L、b、h为小梁的尺寸参数；δ（t）为时间等于60 s 时小梁的挠度。通过记录小梁挠度和时间关系曲线，可以计算出蠕变劲度及其变化率[2]。

2 外加剂对沥青PG 分级性能的影响

2.1 温拌剂

温拌沥青是一种节能环保的新材料，与传统的热拌沥青相比，具有拌和、压实温度更低，沥青烟排放量更少等优点。目前，主流沥青温拌技术分为三大类：有机添加剂技术、乳化沥青技术和发泡技术，其技术关键在于如何降低沥青在较低温度下的拌和黏度而且不对其路用性能产生损害。

沙索蜡是合成气经过费托工艺生产得到的长链脂肪族烃，它是一种高熔点蜡，能够降低沥青的高温黏度，从而提高其路用性能，因此应用更为广泛。国内外研究发现以沙索蜡为代表的有机降粘型温拌剂对沥青的PG 分级性能具有较大的影响。Zhang 等[3]采用沙索蜡为温拌剂，考察了不同沙索蜡掺量对沥青流变性能的影响，发现沙索蜡的加入提高了沥青的复数模量而且降低了相位角，使得车辙因子有所增加，从而提高了沥青的PG 高温性能；随着沙索蜡掺量的增加，同一温度下的车辙因子呈线性增加的趋势；此外，对于70 号基质沥青而言，需要添加至少3%的沙索蜡才能使得沥青的PG 高温等级提高一个级别，而90 号基质沥青则至少需要添加5%的沙索蜡才能达到同样的效果。谭忆秋[4]采用SPSS 软件对沙索蜡含量与沥青流变性能指标（包括复数模量、相位角以及车辙因子）进行了相关性分析，发现沙索蜡的含量与相位角之间的相关系数较大，说明沙索蜡的加入对沥青的相位角影响显著。刚增军[5]考察了沙索蜡温拌剂对橡胶沥青的高低温性能的影响，发现掺入温拌剂后，橡胶沥青的车辙因子增大，蠕变劲度增加，蠕变速率降低，说明其抗高温车辙能力增强，抗低温开裂能力减弱，综合考虑推荐温拌剂掺量为2.5%～3%。

Aspha-min 是一种合成沸石，其主要成分为铝硅酸钠，含水率高达21%[6]。Aspha-min 掺入沥青后形成的水蒸气诱发沥青发泡，从而降低其黏度，使得沥青混合料生产施工温度降低25 ～30 ℃[7，8]。Biro[9]指出发泡型温拌剂对沥青结合料流变性能的影响可以忽略。刘克非[10]对比了Aspha-min 与沙索蜡这两种温拌剂对沥青PG 分级性能的影响，发现沙索蜡的加入对沥青的PG 分级产生强化作用，且在正常范围内掺量越高影响越大，而Aspha-min 的加入则影响不大，说明温拌剂对沥青PG 分级的影响与其种类、含量等均有关。

2.2 橡胶粉

橡胶沥青是伴随着道路行业的发展与轮胎的再生利用而开发的一类改性沥青产品。利用废橡胶粉作为沥青改性剂，既可以将废旧轮胎变废为宝，又可以改善沥青及其混合料的路用性能，具有较好的发展前景。

米宁[11]通过向70 号基质沥青中掺入不同含量（0%，5%，10%，15%）的橡胶粉来制备橡胶改性沥青，并采用频率扫描的方式来研究橡胶沥青的动态剪切流变性能，发现同一温度条件下，改性沥青的复数剪切模量随着橡胶粉掺量的增加而逐渐增大，说明其抗变形能力不断增强。张鹏[12]则通过采用温度扫描的方式来研究橡胶沥青的动态剪切流变性能，发现同一频率条件下，随着橡胶粉掺量（0%，5%，10%，15%，20%，25%）不断增加，改性沥青的复数剪切模量逐渐增大，其相位角不断减小，故而车辙因子不断增大，抗车辙性能显著提高；通过考察改性沥青的低温蠕变性能，发现橡胶粉改性沥青的劲度模量S值和蠕变速率m值均随着橡胶粉掺量的增加而减小，且适当的橡胶粉掺量可以使得改性沥青的PG 低温等级有所改善。黄松[13]指出向70 号基质沥青中掺入适当橡胶粉大幅度增加了车辙因子，从而能够有效提高沥青的PG 高温等级。连真毅[14]发现橡胶粉对沥青高温流变性能的提升存在最佳掺量，当橡胶粉掺量达到28%时，橡胶沥青的相位角增大，复数剪切模量减小，车辙因子随之减小，这主要是由于橡胶粉掺量过高会阻碍胶粉的溶胀反应及胶粉间的交联作用，使得橡胶沥青的高温抗剪切能力反而减弱。

此外，不少研究者探讨了橡胶粉掺量对沥青高温流变性能影响的作用机理，认为向基质沥青中掺入橡胶粉后，沥青中轻质组分被胶粉吸收，弹性组分比例升高，导致相位角δ减小；同时胶粉吸收沥青以后，发生溶胀作用，从而形成了胶粉与沥青连续或者相互交错连续的三维空间结构，增加了沥青高温抗剪切能力，导致复数剪切模量G*增加[15-17]。

2.3 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）

SBS 是苯乙烯类嵌段共聚物，具有良好的弹性、变形自恢复性和裂缝自愈性，能够显著提高沥青的高低温性能及抗疲劳性能，因而目前是应用最为广泛的一类沥青改性剂。在SBS 改性沥青的制备过程中，SBS 经过高速剪切的作用交联于沥青内部并形成三维网状结构，不仅使得沥青的常规性能指标（针入度、软化点等）发生变化，而且对沥青的粘弹特性具有显著影响。

畅润田[18]考察了不同掺量（0%，1%，3%，5%，7%）的SBS 对改性沥青流变性质的影响，发现SBS 的加入使改性沥青的复数剪切模量增加，相位角减小，并且掺量越大变化幅度越大，说明SBS 可以显著提升沥青的抗变形能力。杨国明[19]通过频率扫描、弯曲梁流变试验（BBR）等方式研究了不同结构的SBS 对改性沥青高低温性能的影响，发现SBS 改性剂能显著提高沥青的储存模量和损失模量，提升沥青黏弹性能；且相比于星型SBS 改性剂而言，线型SBS 改性剂更能有效提升沥青低温性能。刘振玉[20]采用动态剪切流变试验（DSR）分析了技术指标对老化前后改性沥青PG 分级的影响，发现与基质沥青相比，经过短期老化后SBS 改性沥青的车辙因子增加量较小，PG 高温等级会降低。

2.4 其他外加剂

除了温拌剂、橡胶粉及SBS 等主流外加剂外，某些新型材料的掺入也会影响沥青PG 分级及其流变性能。冉龙飞[21]利用膨润土特殊的“层状结构”，通过有机化“插层”预处理来制备纳米膨润土改性沥青，发现沥青的PG 等级由PG64-22 提高到PG70-22，说明纳米膨润土的掺入能够提高沥青的高温抗变形能力，但对低温抗开裂性能无明显影响。马峰[22]研究了氢化苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物（SEBS）对橡胶沥青低温流变性能影响，发现SEBS 的掺入对低温蠕变速率无明显影响，但能够显著减小沥青蠕变劲度，降低其PG 低温连续分级温度（TLC），从而提高其低温抗裂性能。

3 结论与展望

不同外加剂的掺入对沥青的PG 分级及其性能参数具有一定的影响，沙索蜡温拌剂能够提高沥青的PG 高温性能，但会对PG 低温性能造成一定程度的损害，而适宜掺量的橡胶粉和SBS 能够同时改善沥青的PG 高低温性能，因此在制备改性沥青时充分考虑到不同种类的外加剂对改性沥青流变性能的影响，并根据不同的技术要求合理选择外加剂，从而提高改性沥青的PG 分级性能。