温拌型抗车辙剂改性沥青流变性能

王 威

(山西省交通科技研发有限公司， 太原 030002)

车辙作为沥青路面的典型病害之一，是沥青混凝土在外部环境作用耦合反复行车荷载作用下的结果，其在沥青路面早期破坏形式中占比较大[1]. 车辙的出现不仅影响行车安全性、舒适性，还会诱发其他病害从而缩短沥青路面的服役寿命[2-3]. 车辙问题的本质是沥青路面在高温环境下的抗剪切能力不足[4]. 如何提高沥青混合料的高温稳定性能，从而有效防治车辙问题的出现一直是道路研究领域的热点和难点之一. 国内外研究人员尝试通过以下方案防治车辙病害：1)优化设计级配，提升集料品质，加强施工管控. 2)采用低标号沥青、高黏沥青以及改性沥青. 3)添加纤维、抗车辙剂等添加剂[5]. 许多学者的研究表明抗车辙剂能够有效提高沥青混合料的高温稳定性能[6]. 工程实践结果亦证实使用抗车辙剂的路段具有更优异的抗车辙能力.

传统抗车辙剂是一种由聚烯烃树脂等聚合物组成的添加剂，其在应用过程中可通过对沥青改性、集料包裹和嵌挤填充、纤维加筋及提高变形恢复等协同作用来显著提升沥青混凝土抵抗高温变形的能力[7]. 抗车辙剂技术在欧洲得以广泛应用并逐渐在我国兴起，近年来广大研究者对抗车辙剂产品的研发与升级方兴未艾.

原油中天然存在的蜡组分被认为是对沥青性能不利的成分，我国规范中也对沥青中的蜡含量进行限制. 然而经改性处理后的有机蜡非但不会损害沥青的既有表现，还可对沥青胶结料的技术性能进行针对性改善. 如高温蜡可在不增加沥青体系脆性的同时使沥青软化点提高10 ℃以上，低温增黏、高温降黏的特性使高温蜡在有助于提高沥青混凝土动稳定度的同时亦可实现施工过程的节能减排. 如此特质的高温蜡能否用于温拌型抗车辙剂产品的研发尚无相关研究报道.

为此本研究将高温蜡与以聚烯烃树脂为主体成分的抗车辙剂按不同质量比例混合，通过螺杆挤出成型设备制备出系列温拌型抗车辙剂，将其以不同比例加入基质沥青中实现抗车辙剂改性沥青的制备，并对改性沥青的流变性能进行深入研究. 本研究成果在启发抗车辙剂类产品研发思路的同时亦有助于抗车辙剂改性沥青流变性能评价指标的选择.

1 试验材料与方法

1.1 温拌型抗车辙剂改性沥青

1.1.1 温拌型抗车辙剂制备

所用抗车辙剂来源为主体成分为聚烯烃类聚合物的国内某品牌抗车辙剂，所用高温蜡源自国内某新材料有限公司，高温蜡主要技术指标见表1.

表1 高温蜡技术指标Table 1 Technical indicators of high temperature wax

温拌型抗车辙剂制备工艺为：将高温蜡与抗车辙剂分别按照1∶9、2∶8、3∶7的质量比进入高混机混合均匀，而后投入双螺杆挤出机进行混合成型，流程示意见图1. 上述3种温拌型抗车辙剂分别记为W-1、W-2和W-3，不含高温蜡组分的纯抗车辙剂记为W-0.

图1 温拌型抗车辙剂制备流程Fig.1 Process of warm-mixed anti-rutting agent

1.1.2 改性沥青制备

首先将基质石油沥青加热为流动状态，将上述4种抗车辙剂分别按照3%、6%和9%基质沥青质量的比例加入，在150～160 ℃下手动搅拌60 min，最终得到12种抗车辙剂改性沥青.

1.2 动态剪切流变(dynamic shear rheometer,DSR)试验

动态剪切流变测试中，这种周期性的应力或应变震荡模式，刚好反映沥青路面在车辆荷载作用下流变性能的变化. 测试所用仪器为美国TA公司生产的DHR-1动态剪切流变仪.

1.2.1 温度扫描测试

温度扫描起始温度为40 ℃，每升高6 ℃获取相应结果，荷载作用频率为10.0 rad/s.

1.2.2 频率扫描测试

沥青路面在行车荷载作用下主要表现为动态加载效应. 不同荷载频率作用下，沥青胶结料会呈现出不同的黏弹特性. 频率扫描的测试温度选为60 ℃，荷载作用频率范围0.1～100.0 rad/s.

1.2.3 多应力蠕变恢复(multiple stress creep recovery,MSCR)测试

MSCR采用应力控制模式，包括加载和卸载2个过程，分别模拟沥青胶结料在应力作用下的蠕变和恢复. 加载过程产生的变形会在卸载阶段得以部分恢复，不可恢复的变形则会累积到下一个加载循环. 整个MSCR的测试过程可以很好地模拟不同行车荷载的反复加载与卸载过程，能够较准确地反映沥青路面的高温性能.

测试时先对沥青胶结料施加0.1 kPa应力水平，而后加载1 s，卸载9 s，重复10个周期，继续施加3.2 kPa应力水平，重复上述加载、卸载过程，整个操作耗时200 s. 分别将0.1、3.2 kPa应力下，10个蠕变恢复周期内沥青胶结料的蠕变恢复率记为R0.1和R3.2,同时10个周期内不可恢复蠕变柔量平均值记为Jnr0.1和Jnr3.2. 沥青胶结料的蠕变恢复率和不可恢复蠕变柔量的应力敏感性指标分别记为Rdiff和Jnr-diff，计算方法为

2 结果与讨论

2.1 温拌型抗车辙剂

熔体质量流动速率(melt mass-flow rate,MFR)是抗车辙剂的一项重要技术指标，是指沥青混凝土抗车辙剂在一定温度和压力下，熔体在10 min内通过标准毛细管的质量，单位为g/(10 min)[8]. MFR是一定温度下抗车辙剂参与沥青混合料拌和过程中熔融软化和分散状态的反应. MFR越大，表明抗车辙剂在拌和过程中的融化、分散性就越好. 试验所用抗车辙剂中树脂类有效成分含量高，其在130 ℃下的MFR结果就达7 g/(10 min)以上，显示抗车辙剂相对易于与沥青相容，由此使得本研究中仅搅拌操作即可实现抗车辙剂改性沥青的制备. 为探索高温蜡对抗车辙剂熔体流动性能的影响，试验中对所研4种抗车辙剂进行熔体质量流动速率测试.

图2为2种温度下温拌型抗车辙剂中高温蜡质量分数与MFR间的关系. 整体上抗车辙剂在2种温度下的MFR结果与其内高温蜡质量分数具有线性相关性. 130 ℃时，MFR会随抗车辙剂中高温蜡质量分数的升高而降低；150 ℃时，MFR会随抗车辙剂中高温蜡质量分数的升高而增大. 由于试验所用高温蜡不同于以往常规熔点较低的蜡类材料，特殊改性工艺处理后使高温蜡具有140 ℃以上的熔点，由此使得高温蜡在2种温度下对抗车辙剂MFR结果的影响不一致. 130 ℃时高温蜡尚未融化，固体形式的存在状态使其具有降低抗车辙剂流动性的效果；150 ℃时高温蜡已处于熔融状态，此阶段高温蜡的分散程度会强于聚烯烃树脂，由此使得在高于高温蜡熔点的温度时，高温蜡的存在会增强抗车辙剂在沥青混合料中的流动性及其与沥青体系的相容性. 鉴于此，研究所制温拌型抗车辙剂既可以传统外掺混合料的方式使用，亦可内掺沥青以改性沥青的方式进行施工应用.

图2 不同温度下抗车辙剂高温蜡质量含量与MFR关系Fig.2 Relationship between high temperature wax mass content and MFR of anti-rutting agent under different temperatures

2.2 抗车辙剂改性沥青温度扫描

对于沥青类胶结料的抗车辙性能，美国战略公路研究计划推荐采用荷载频率为10.0 rad/s时所对应的车辙因子G*/sinδ来评价沥青材料抵抗高温变形的能力. 复合剪切模量G*为剪切应力的峰值绝对值与剪切应变的峰值绝对值之比，相位角δ为控制应变模式下施加的正弦应变和产生的正弦应力之间或在控制应力模式下施加的应力与产生的应变之间的夹角. 后续研究逐渐认为，车辙因子对改性沥青高温性能的评价存在局限性[9]. Shenoy[10]基于DSR分离出不可恢复柔量(1-1/(tanδ·sinδ))/G*作为评价指标. 美国联邦公路管理局提出采用MSCR来评价沥青胶结料的高温性能[11].

事实上，沥青作为典型的黏弹性材料，不同改性材料的作用机理大相径庭，单一的评价指标很难适用于不同沥青体系性能的评价，但某类改性沥青应该有其适宜的评价体系. 为此研究中对12种抗车辙剂改性沥青进行不同流变测试与分析，在解析高温蜡组分对抗车辙剂熔体流动性影响的同时，探索出抗车辙剂改性沥青体系适宜的流变学评价指标.

表2中数据显示，4种类型抗车辙剂改性沥青的车辙因子，均随抗车辙剂掺量的增加而不断增大，由此说明4种抗车辙剂均有助于提高沥青胶结料抵抗车辙变形的能力. 表2中仅70 ℃下3%掺量的W-0型抗车辙剂改性沥青的车辙因子不满足≥1 kPa的要求，说明4种抗车辙剂，尤其是温拌型抗车辙剂对沥青车辙因子的提升极为显著.

表2 抗车辙剂改性沥青车辙因子Table 2 Rutting factors of anti-rutting agent modified asphalts

整体上，相同抗车辙剂掺量下，温拌型抗车辙剂改性沥青的车辙因子会随抗车辙剂中高温蜡比例的增多而增大，且W-2型和W-3型，尤其是W-3型抗车辙剂改性沥青的车辙因子，均显著高于相同条件下的其他抗车辙剂改性沥青，说明温拌型抗车辙剂中高温蜡的加入有利于进一步提升其高温性能，且高温蜡比例越高提升程度越好.

Shenoy不可恢复柔量是对车辙因子的一种修正，可以在某种程度上弥补车辙因子中sinδ对沥青弹性响应考虑的不足[12]. 由表3数据可见，试验中任一类型抗车辙剂改性沥青的Shenoy不可恢复柔量，均随抗车辙剂掺量增多而呈下降趋势，证实抗车辙剂的使用确实能提高改性沥青体系的高温性能. 相同条件下，W-3型抗车辙剂改性沥青的Shenoy不可恢复柔量，低于其他3种类型抗车辙剂改性沥青，证实W-3型抗车辙剂对沥青胶结料高温性能的改善最佳.

表3 抗车辙剂改性沥青Shenoy不可恢复柔量Table 3 Non-recoverable compliance of anti-rutting agent modified asphalts

试验范围内，绝大多数改性沥青的Shenoy不可恢复柔量，会随抗车辙剂中高温蜡比例的增多而呈下降趋势，少数改性沥青会出现先升后降或先降后升的波动. 与此同时，对于同种类型抗车辙剂改性沥青而言，绝大多数抗车辙剂改性沥青的Shenoy不可恢复柔量，会随温度的升高而增大. 但W-3型抗车辙剂改性沥青在6%和9%掺量下，会出现70 ℃ Shenoy不可恢复柔量小于64 ℃的反常现象. Shenoy不可恢复柔量，在对于抗车辙剂改性沥青高温性能评判的规律性和稳定性上，弱于车辙因子.

2.3 抗车辙剂改性沥青频率扫描

沥青路面在行车荷载的作用下通常表现为动态加载效应，不同荷载作用频率下沥青黏弹特性不同. 图3～5分别为3%、6%和9%抗车辙剂掺量下，4种类型抗车辙剂改性沥青的车辙因子和Shenoy不可恢复柔量随频率的变化. 图中可见，不同改性沥青的车辙因子数值差距，以及Shenoy不可恢复柔量间的差距，均有随频率增加而缩小的表现. 低频意味着单次荷载作用下，沥青与外加荷载的接触时间更长，由此使得沥青胶结料更易发生形变. 低频下的沥青材料模量较高频作用时低，低频下不同改性沥青的车辙因子、Shenoy不可恢复柔量的数值及差距，也更适合反映沥青胶结料抵抗变形能力的强弱.

图3 3%掺量下4种类型抗车辙剂改性沥青车辙因子和Shenoy不可恢复柔量Fig.3 Rutting factors and Shenoy non-recoverable compliances of four kinds of anti-rutting agents modified asphalts with 3% content

图4 6%掺量下4种类型抗车辙剂改性沥青车辙因子和Shenoy不可恢复柔量Fig.4 Rutting factors and Shenoy non-recoverable compliances of four kinds of anti-rutting agents modified asphalts with 6% content

图5 9%掺量下4种类型抗车辙剂改性沥青车辙因子和Shenoy不可恢复柔量Fig.5 Rutting factors and Shenoy non-recoverable compliances of four kinds of anti-rutting agents modified asphalts with 9% content

3种掺量下，4种类型抗车辙剂改性沥青车辙因子从大到小的排序为：W-3、W-2、W-1、W-0. 其中3%和6%掺量下，W-3型抗车辙剂改性沥青的车辙因子，远高于其他3种类型抗车辙剂改性沥青. 9%掺量下，W-2型抗车辙剂改性沥青的车辙因子显著增加，并逐渐向W-3型抗车辙剂改性沥青靠拢. 说明抗车辙剂中高温蜡的加入，有利于提高60 ℃下改性沥青材料抵抗荷载变形的能力，且高温蜡比例越高，这种提升程度愈明显，且掺量会影响这种提升程度的展现.

试验范围内，不同抗车辙剂改性沥青的Shenoy不可恢复柔量结果，并无车辙因子般规律. 尤其是6%掺量下的低频区域，出现W-0型抗车辙剂改性沥青的Shenoy不可恢复柔量，低于W-1和W-2型抗车辙剂改性沥青的反常结果. 说明Shenoy不可恢复柔量，能否作为抗车辙剂改性沥青抵抗变形能力的评价指标是有待商榷的.

总体上，无论是车辙因子还是Shenoy不可恢复柔量，都能较好地对试验范围的抗车辙剂改性沥青的高温性能进行趋势评判，但对于评判结果的规律性把控方面，车辙因子评判稳定性优于Shenoy不可恢复柔量.

2.4 抗车辙剂改性沥青MSCR

目前，MSCR试验被广泛用来进行沥青胶结料抵抗永久变形能力的评价[13]. 有研究显示，MSCR中不可恢复蠕变柔量评价指标Jnr，与加速加载足尺试验得到的沥青混合料车辙深度，相关性系数高达0.80以上；试验段跟踪结果亦显示，Jnr与车辙深度的相关系数达0.75[14-16].

如图6所示，对于任一类型抗车辙剂，均有抗车辙剂改性沥青的Jnr3.2随抗车辙剂掺量增加而减小的结果. 说明4种抗车辙剂的使用，均有利于降低沥青胶结料在荷载作用下的不可恢复变形，从而提高沥青胶结料的弹性变形能力，这对增强沥青材料抵抗高温变形能力极为有利. 相同掺量下，W-3型抗车辙剂改性沥青的Jnr3.2低于其他3种类型抗车辙剂改性沥青. 3%和6%掺量下，W-0、W-1和W-2型抗车辙剂改性沥青的Jnr3.2较为相近；9%掺量下，W-0和W-1型抗车辙剂改性沥青Jnr3.2较为相近，而W-2和W-3型抗车辙剂改性沥青较为相近. 这与温度扫描中，车辙因子随抗车辙剂掺量的变化相似.Jnr3.2结果说明，任意掺量下，W-3型抗车辙剂改性沥青，抵抗永久变形的能力相对最优. 在相对低掺量(3%和6%)下，高温蜡质量分数为20%以下的抗车辙剂，对抵抗永久变形的影响差异不十分显著；较高掺量(9%)下，高温蜡质量分数对抗车辙剂提高改性沥青抵抗永久变形能力的影响逐渐彰显.

图6 不同抗车辙剂改性沥青在3.2 kPa应力水平下不可恢复蠕变柔量Fig.6 Jnr3.2 of different anti-rutting agents modified asphalts

如图7所示，无论对于何种抗车辙剂，3.2 kPa应力水平下，改性沥青的蠕变恢复率R，均随抗车辙剂掺量增多呈现升高趋势. 证实抗车辙剂的加入，增强了沥青胶结料的弹性行为特性，使得胶结料体系的变形恢复能力得以改善. 任意掺量下，W-3型抗车辙剂改性沥青的R最大. 说明4种抗车辙剂中，W-3型抗车辙剂对沥青弹性变形能力的提升最为显著.

图7 不同抗车辙剂改性沥青在3.2 kPa应力水平下恢复率Fig.7 R3.2 of different anti-rutting agents modified asphalts

与Jnr3.2结果相似，3%和6%掺量下，W-0、W-1和W-2型抗车辙剂改性沥青的恢复率较为相近，显著低于W-3改性沥青的恢复率. 9%掺量下，W-0和W-1型抗车辙剂改性沥青的R值较为接近，而W-2型抗车辙剂改性沥青的恢复率显著提升，并靠近W-3型抗车辙剂改性沥青. 由此说明，低掺量下，抗车辙剂中高温蜡组分的含量，对沥青胶结料弹性变形恢复能力的提升差异不显著. 而掺量增多时，抗车辙剂中高温蜡组分的含量，对沥青胶结料弹性变形恢复能力的影响程度会愈发显著. 3%和6%掺量下，抗车辙剂改性沥青的R值，随抗车辙剂中高温蜡质量分数的变化无明显规律. 对于抗车辙剂改性沥青高温性能的评判可靠性上Jnr3.2优于R3.2.

应力敏感性指标Rdiff和Jnr-diff，是沥青胶结料的力学响应对不同应力水平的敏感性反应，其本质是沥青的非线性特征.Rdiff和Jnr-diff数值大小表明，材料由低应力水平过渡到高应力水平时的非线性特性的显著程度，即沥青胶结料的应力敏感性. 数值越大，则非线性特征的显著程度越高，应力敏感性越强. 图8结果显示，Rdiff和Jnr-diff均未与抗车辙剂类型或掺量的改变呈规律性变化. 试验范围内，抗车辙剂改性沥青的Rdiff均高于常规基质或改性沥青，说明抗车辙剂改性沥青的蠕变恢复率应力敏感性较传统沥青突出，其非线性黏弹性亦更为显著.

图8 不同抗车辙剂改性沥青Rdiff和Jnr-diffFig.8 Rdiff and Jnr-diff of different anti-rutting agents modified asphalts

AASHTO规范中，对改性沥青Jnr-diff的要求为不超过75%. 试验范围内，仅3%掺量下的W-0和W-2型抗车辙剂改性沥青的Jnr-diff满足≤75%的要求，其余10种改性沥青的Jnr-diff均大于75%，且尤以W-3型改性沥青的超过程度最为显著. 由此说明，绝大多数情况下，抗车辙剂的使用会使沥青胶结料的应力敏感性增强，使得抗车辙剂改性沥青可能处于蠕变破坏阶段，不利于胶结料提升抵抗永久变形能力. 该结果说明，Jnr-diff和Jnr3.2对抗车辙剂改性沥青抵抗永久变形能力的判断可能相佐，由此佐证有研究者认为的，评价指标应视具体改性剂而定，而非适用于所有改性沥青[17].

3 结论

1) 高温蜡含量会对温拌型抗车辙剂的MFR指标产生显著影响. MFR测试温度低于高温蜡熔点时，MFR随抗车辙剂中高温蜡含量增加而下降；高于熔点时，MFR随抗车辙剂中高温蜡含量增加而升高.

2) 整体上，温拌型抗车辙剂中高温蜡的加入，有利于进一步增强抗车辙剂改性沥青的高温性能，高温蜡含量越高，对改性沥青高温性能的提升越好. 与此同时，改性沥青中抗车辙剂的掺量，会影响高温蜡含量对抗车辙剂改性沥青抵抗永久变形能力的提升程度.

3) 综合比较不同流变评价参数，对于以高弹性特征为主体的抗车辙剂改性沥青，DSR中的车辙因子和MSCR中的Jnr3.2，可能更适合作为此类改性沥青高温性能的评价指标.