基于材料性能和数理统计的改性沥青适用性

张 琛, 潘 峰, 李佳侬

(1.长沙理工大学特殊环境道路工程湖南省重点实验室，长沙 410114； 2.西安航空学院能源与建筑学院，西安 710077)

沥青路面是中国高等级公路的一种常见路面结构型式。近年来，随着中国汽车工业及物流产业的迅猛发展，沥青路面承受越来越多的超载与重载作用，在温度、降雨等外界环境的综合作用下，进而产生了各种各样的路面病害，较为常见的为高温车辙和低温裂缝[1-2]。沥青结合料是沥青路面的主要组成部分之一，是一种具有时间和温度依赖性的黏弹性材料，即低温条件下表现为脆性黏弹性，高温条件下则具有良好的流动性，沥青路面的车辙和裂缝病害均与沥青结合料的黏弹性能有关[3-4]。

针对于此，中外学者们尝试了使用不同类型的改性剂来提升沥青结合料或混合料的性能。郝培文等[5]采用黏度试验和动态剪切流变试验研究了反应性弹性体三元共聚物对基质沥青与SBS(styrene-butadiene-styrene)改性沥青性能的影响。贺强等[6]通过添加SBR(styrene-butadiene rubber)改性剂制备复合改性沥青，系统研究了剪切速率、剪切温度等因素对复合改性沥青路用性能的影响。彭超等[7]探究了单宁酸改性沥青的复数剪切模量、相位角、车辙因子和黏度随着不同温度不同单宁酸改性沥青掺量的变化而变化的情况。王岚等[8]对不同温拌剂及温拌剂掺量的温拌橡胶改性沥青与胶粉改性沥青进行高温动态剪切流变试验与重复荷载恢复试验，并对温拌橡胶改性沥青的高温性能进行评价。Menapace等[9]研究了两种沥青结合料(一种未改性的和一种聚合物改性的)在抗老化剂作用下表面微观结构的变化。Hamedi等[10]针对道路工程中沥青抗剥落剂的使用问题，研究了两种液体抗剥落剂的使用效果，并对沥青混合料试件进行了疲劳实验和车辙试验。Kim等[11]通过25 ℃动态剪切流变试验和-12 ℃弯曲梁流变试验，评价了含蜡添加剂的废橡胶改性沥青的抗裂性能。由中外研究现状分析可知，性能良好的改性剂会在高温下提升沥青结合料的劲度和复数模量，而低温下则降低沥青结合料的劲度和复数模量，从而达到改善沥青结合料性能的目的。聚合物改性剂通过改善沥青的黏合力和内聚力来提高沥青及沥青混合料的性能，并增强沥青路面的抗车辙性和疲劳性能。然而，聚合物改性沥青比传统沥青的成本要高，且在改善沥青低温性能方面不是很理想，目前实际工程中在改性沥青的选用方面也缺乏相应的科学依据。

因此，寻找经济且环保的沥青改性方法并考虑其区域适用性，对于路面工程师来说是一项迫切任务。相关研究表明，使用回收材料代替原始材料具有显著的社会效益，比如可以减少垃圾填埋场的压力[12]。此外，通过使用少量廉价的改性剂，也是一种获取更经济的改性沥青材料的方法[13]。基于此，选择废胶粉(ground tire rubber, GTR)、多聚磷酸(polyphosphoric acid, PPA)和SBS高聚物作为SK90#基质沥青的改性剂，以河北某高等级公路为依托工程，采用动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer, DSR)和弯曲梁流变仪(bending beam rheometer, BBR)对不同改性沥青结合料的高低温性能进行研究，基于Bonferroni法对不同老化状态下的各改性沥青进行分组，并分析废胶粉(GTR)改性沥青和多聚磷酸(PPA)改性沥青在河北地区的适用性，从而为实际工程中改性沥青的合理选用提供理论支撑。

1 原材料

1.1 基质沥青

河北地区位于中国华北地带，地处温带大陆性季风气候，夏季相对炎热，冬季寒冷有雪，各地的气温年较差、日较差都较大。采用韩国SK90#沥青作为基质沥青，该沥青为河北地区常用沥青，其基本性能如表1所示。

表1 基质沥青的技术性能

1.2 改性沥青

采用废胶粉(GTR)、多聚磷酸(PPA)、SBS聚合物三种不同的改性剂对SK90#基质沥青进行改性，技术指标如表2所示。改性沥青制备的相关参数如表3所示。

表2 不同类型改性剂的技术指标

2 试验方法

2.1 改性沥青的制备

研究的改性沥青分别为SBS改性沥青、GTR改性沥青和PPA改性沥青，不同改性沥青的制备有一定的区别。具体的制备方法分别如下：

表3 改性沥青结合料的制备参数

2.1.1 SBS改性沥青

为了避免沥青结合料长期暴露于高温[(175±1) ℃]条件下而产生的一定程度的降解，采用熔融共混的方法制备研究所需SBS改性沥青[14]。首先将商用20%高浓度SBS改性沥青样品加热至(175±1) ℃，然后用适量的SK90#基质沥青稀释至本研究所需的不同浓度；接着，将混合后的SBS改性沥青在温度为(150±1) ℃的条件下以4 000 r/min的转速搅拌2 h，以确保本研究所用SBS改性沥青均匀混合。

2.1.2 GTR改性沥青

为了制备GTR改性沥青，根据供应商的建议，将SK90#基质沥青加热至(150±1) ℃，然后将所需的GTR加入到结合料中并在高速剪切机中以4 000转混合20 min，然后将拌和好的改性沥青样品搅拌1 h以确保混合均匀。

2.1.3 PPA改性沥青

根据供应商的建议，将SK90#基质沥青加热至(150±1) ℃，然后将所需的PPA加入到结合料中并以300 r/min的转速将拌和好的改性沥青样品搅拌1 h，以确保其混合均匀。

2.2 试验方法

为了研究各结合料的高温性能，基于DSR动态剪切流变仪测试标准(AASHTO T 315)对沥青结合料寿命的三个关键阶段进行评估。第一阶段针对未老化沥青进行研究，表征沥青运输(混合前)期间的性质。第二阶段针对经旋转薄膜烘箱(rolling thin film oven, RTFO)短期老化处理后的沥青结合料进行研究，表征沥青混合料生产和施工期间的性质。第三阶段对经压力老化容器(pressure aging vessel, PAV)长期老化处理后的沥青进行研究，表征沥青路面服役后期的性质。此外，为了评估各沥青结合料的低温性能，基于AASHTO T 313试验规范进行了弯曲梁流变仪(BBR)试验。

为了分析废胶粉(GTR)和多聚磷酸(PPA)在河北地区的适用性，以及对SBS改性剂的替代作用，采用Bonferroni法对不同改性沥青进行了分组研究。Bonferroni法又称Bonferronit检验，该方法首先用t检验完成各组间均值的配对比较，然后通过设置每个检验的误差率来控制整个误差率，常用于当几组资料的平均水平被初步判定差异有统计学意义后，所需进行的进一步归类分组研究[15]。

3 试验结果与讨论

3.1 DSR动态剪切流变试验

由于使用DSR试验确定沥青结合料流变参数的变异系数较小，故试验针对沥青的未老化状态、RTFO老化状态和PAV老化状态各制备两个平行试件进行研究[16]。不同温度T(52、58、64、70 ℃)下未老化沥青结合料的试验平均值如图1所示。

|G*|为复数模量；δ为相位角；G*/sinδ为车辙因子图1 未老化沥青的DSR流变试验结果Fig.1 DSR rheological test results of unaged asphalt

根据图1中的试验结果，采用SPSS(statistical product and service solutions)方差分析研究各改性沥青结合料对车辙因子的影响显著性，其中显著性水平为0.05，结果如表4所示。

表4 改性沥青结合料对车辙因子的影响显著性分析

由图1、表4可知，三种改性剂对原样未老化沥青的高温性能均有显著影响。与基质沥青相比，SBS、PPA、GTR的掺加可以增加基质沥青的复数模量，即劲度增大，显著改善了沥青的高温性能。此外，这些改性剂降低了改性沥青的相位角，即降低了沥青结合料的黏度。对于PPA改性沥青，相位角相对于温度呈线性趋势，而SBS和GTR沥青则表现出相位角的非线性趋势，这可能是由于GTR和SBS的熔点较高，且二者分别在SBS和GTR沥青中更多呈现物理混溶后的发育溶胀而造成的[17]。

基于方差分析结果，采用Bonferroni法对各结合料进行相似性分组，即将经Bonferroni法比较后具有相近车辙因子值的结合料放入同一组中。对试验温度为52、58、64、70 ℃条件下获取的原样沥青(未老化)车辙因子进行分组，结果如表5所示。

由表5可知，在不同的试验温度下，由于沥青结合料的温度依赖性，可以看出各沥青结合料的分组略有不同。Bonferroni的分组结果表明，在所有温度下，掺加0.7%PPA和3%SBS的改性沥青车辙因子在统计学上没有显著差异，当强调沥青路面的高温性能时，它们可以在河北地区互换使用。另外，掺加1.2%PPA和5%SBS的改性沥青结合料在所有试验温度下也表现出类似的结果。由此可推断，PPA和SBS对沥青结合料的流变性能的影响存在线性关系。当试验温度为52 ℃时，掺加5%SBS和8%GTR的改性沥青结合料可以归为一组，互换使用。然而，随着试验温度的升高，掺加5%SBS和8%GTR的结合料车辙因子则表现出了差异性。应该指出的是，这一发现可能仅适用于本文的特定结合料组合。不同试验温度下(52、58、64、70 ℃)经RTFO老化后的沥青结合料试验平均值如图2所示。

表5 基于车辙因子的原样沥青分组结果

根据图2中的试验结果，采用SPSS方差分析研究各改性沥青结合料对车辙因子的影响显著性，其中显著性水平为0.05，结果如表6所示。

|G*|为复数模量；δ为相位角；G*/sinδ为车辙因子图2 RTFO老化沥青的DSR流变试验结果Fig.2 DSR rheological test results of RTFO aged asphalt

基于Bonferroni法对试验温度为52、58、64、70 ℃条件下获取的RTFO老化沥青车辙因子进行分析，结果如表7所示。

综合图2、表6、表7可知，与未老化沥青结合料分组结果类似，将掺加0.7%PPA和3%SBS的结合料分组在一起。同样，掺加1.2%PPA和5%SBS改性的结合料也没有显示出统计学上显著差异。不同试验温度下(31、28、25、22 ℃)经PAV老化后的沥青结合料试验的平均值如图3所示。

根据图3中的试验结果，采用SPSS方差分析研究各改性沥青结合料对疲劳因子的影响显著性，其中显著性水平为0.05，结果如表8所示。

由图3、表8可以看出，当试验温度在中温区间(22～31 ℃)时，各改性剂的掺加对PAV老化沥青结合料疲劳因子的影响并不显著(P均大于0.05)，即上述改性剂的掺加对经PAV老化的沥青结合料在中温区间时的疲劳性能不会造成显著影响。为了进一步研究SBS、GTR和PPA对沥青结合料性能的影响，基于Bonferroni法对不同温度下PAV老化沥青结合料的试验结果进行比较分组，如表9所示。

表6 RTFO老化改性沥青结合料对车辙因子的影响显著性

表7 基于车辙因子的RTFO老化沥青分组结果

表8 各PAV老化改性沥青结合料对疲劳因子的影响显著性分析

由表9可知，各PAV老化改性沥青结合料在31 ℃时可归为一组中。也就是说，各PAV老化改性沥青对疲劳因子的影响无显著的差异。对于经PAV老化的各改性沥青结合料在28 ℃时的结果与31 ℃类似，不同的是GTR改性结沥青结合料在28℃时与0.7%PPA改性沥青结合料分为一组，这是因为掺加GTR降低了沥青结合料的劲度，其效果与掺加0.7%PPA类似[18]。与高温下相位角的非线性趋势不同，图3(b)表明经PAV老化的沥青结合料在中间温度下的相位角均具有线性趋势，这是因为沥青结合料在中间温度下具有更好的黏弹性[19]。

图3 PAV老化沥青的DSR流变试验结果Fig.3 DSR rheological test results of PAV aged asphalt

表9 PAV老化改性沥青疲劳因子对比

3.2 弯曲梁流变仪(BBR)试验

弯曲梁流变试验(BBR)是研究沥青结合料低温性能的常用方法。在BBR试验中，主要是研究沥青结合料的低温劲度与松弛特性。BBR试验基于AASHTO T 313试验规范进行。对于每种改性沥青结合料，采用两组平行试件，在三种不同温度(-6、-12、-18 ℃)下进行试验，并对试验结果取平均值，结果如图4所示。

图4 各沥青结合料的弯曲梁流变试验(BBR)结果Fig.4 Rheological test (BBR) results of bent beams with different asphalt binders

由图4(a)可知，掺加GTR可在低温下显著降低沥青结合料的劲度。掺加SBS或PPA改性剂的沥青结合料劲度也略微降低。图4(b)中所示的劲度变化率(m)表示沥青应力松弛的速率，m越大，应力松弛能力越好。由图4(b)可知，相较于基质沥青，掺加PPA可以增加沥青结合料的m，而掺加GTR或SBS则降低了该值[20]。采用Bonferroni法对各结合料在低温下(-6、-12、-18 ℃)的劲度进行分组，结果如表10所示。

结合图4(a)、表10可知，在所有试验温度下，与基质沥青相比，掺加5%SBS 的改性沥青和掺加8%GTR以及掺加1.2%PPA的改性沥青的劲度在统计学上均没有显著差异，且三者均降低了基质沥青的劲度。因此，当强调沥青路面的低温性能时，掺加8%GTR和掺加1.2%PPA的改性沥青可以在河北地区代替掺加5%SBS的改性沥青使用。

同样，采用Bonferroni法对各结合料在低温下(-6、-12、-18 ℃)的m进行分组，结果如表11所示。结合图4(b)和表11可知，虽然掺加PPA略微增加了沥青结合料的m，但其效果在统计学上并不显著。此外，仅在试验温度为-6 ℃时，掺加SBS或GTR的改性沥青相较于基质沥青在一定程度上会降低m。

表10 基于低温劲度的沥青结合料分组结果Table 10 Grouping results of asphalt binder based on low temperature stiffness

表11 基于m的沥青结合料分组结果

4 实际工程验证

依托工程为河北某高等级公路试验段，所采用SK90#基质沥青价格约为3 000元/t，SBS的价格约为12 500元/t，PPA约为8 000元/t，GTR约为1 600元/t，对不同的结合料进行经济性对比，结果如表12所示。

由表12可知，GTR改性沥青和PPA改性沥青与SK90#基质沥青的单价相当，但相对于SBS改性沥青具有一定的价格优势。分别采用四种沥青(SK90#基质沥青、SBS改性沥青、PPA改性沥青、GTR改性沥青)和相同的混合料配合比对试验段的上面层进行铺筑，并对开放交通1年后的试验段进行现场调研，如图5、图6所示。

表12 不同结合料的经济性对比

图5 试验路现场铺筑Fig.5 Field building of test road

图6 试验路现场调研Fig.6 Field research of test road

由现场调研结果可知，GTR、PPA、SBS改性沥青路面均无明显的车辙或裂缝现象，而采用SK90#基质沥青铺筑的路面则出现明显的裂缝。因此，综合考虑经济环保性和技术性能指标，从短期来看在河北地区采用PPA改性沥青或GTR改性沥青替代SBS改性沥青是可行的。在未来的研究中，将会对试验路的状况进行跟踪调研，从而对研究成果的长期效应进行评价与修正。

5 结论

以SK90#沥青为基质沥青，制备了三种不同的改性沥青(SBS、GTR、PPA)，研究不同改性剂对沥青结合料高低温性能和时间-温度依赖性行为的影响，并基于数理统计方法和沥青结合料的性能对不同改性沥青在不同老化状态和不同温度条件下进行分组，从而研究废胶粉(GTR)改性沥青和多聚磷酸(PPA)改性沥青在河北地区的适用性，所得结论如下。

(1)与基质沥青相比，SBS、GTR、PPA三种改性剂对未老化和RTFO老化后的改性沥青高温性能均有显著影响。当强调沥青路面的高温性能时，在河北地区，掺加0.7%PPA(1.2%PPA)的改性沥青可以替代掺加3%SBS(5%SBS)的改性沥青，PPA和SBS对沥青结合料的流变性能的影响存在线性关系。

(2)SBS、GTR和PPA三种改性剂的掺加对经PAV老化后的改性沥青在中温区间时(22～31 ℃)的疲劳性能不会造成显著影响。与高温区间(52～70 ℃)下相位角的非线性趋势不同，经PAV老化的沥青结合料在中温区间下的相位角均呈线性趋势。

(3)相较于基质沥青，掺加PPA可以增加沥青结合料的m，而掺加GTR或SBS则使得该值产生一定程度的降低。当强调沥青路面的低温性能时，掺加8%GTR和掺加1.2%PPA的改性沥青可以在河北地区代替掺加5%SBS的改性沥青使用。