高性能高黏改性沥青高低温性能研究

贺玉莹， 贾晓鹏， 王菲菲， 张艳君*， 赵立东

(1.河北工程大学土木工程学院, 邯郸 056038； 2.中路交建(北京)工程材料技术有限公司, 北京 100176； 3.河北港口集团港口机械有限公司， 秦皇岛 066099)

随着道路行业的快速发展，抗滑降噪大孔隙沥青路面由于可及时将路面积水排出，抑制溅水起雾,消除不利作用路表水膜，抗滑降噪等优异的路用性能，逐渐在中国大面积推广应用[1]。作为核心材料的高黏改性沥青具备黏度高，弹性好的特点，其优异的高低温性能及耐久性从而保证了抗滑降噪路面的路用性能及使用寿命。

中国对高黏改性沥青的研究与应用起步较晚，早期依赖进口材料，随着中国改性技术的提升，针对高黏改性沥青的研究也逐渐增多[2-5]。交通运输部公路科学研究院开发的高黏改性剂HVA技术引领了中国高黏改性沥青的发展[6]。徐国其等[7]研究了3种高黏改性剂制备的高黏改性沥青的存储稳定性，结果表明，随着时间的增加改性沥青的存储稳定性能会下降，李欠[8]将两种高黏改性剂与基质沥青和SBS改性沥青进行掺配，从抗密度、抗剪切能力、热稳定性等方面入手，探究高黏改性剂的改性效果。Hu等[9]通过黏结强度试验、红外光谱实验对高黏改性沥青的自愈性进行了研究，并与基质沥青的性能进行比较。

为进一步改善高黏改性沥青的性能，提升抗滑降噪大孔隙沥青路面耐久性，在现有基础上开发高性能高黏改性剂HVA-H，采用光学显微镜观察不同高黏剂掺量下改性沥青的分散性，采用测力延度试验与低温小梁弯曲试验(bending beam rheometer test,BBR)研究其低温性能；通过动态剪切流变试验(dynamic shear rheological test，DSR)与稳态流动试验分析其高温稳定性，综合评价高黏改性沥青的性能，并与HVA高黏改性剂和其他厂家高黏改性剂进行对比研究，为其在实际工程中的推广应用提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性沥青

试验中采用苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青，各项指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青技术指标Table 1 SBS modified asphalt technical index

1.1.2 高黏改性剂

HVA-H高黏改性剂为中路交建(北京)工程材料技术有限公司在HVA高黏改性剂基础上进行的产品升级，外观图[图1(a)]为淡黄色橡胶颗粒，直径小于2 mm，这是因为直径太大，高黏改性剂不能细化并均匀地分散于沥青中，容易产生离析。HVA高黏改性剂如图1(b)所示、粉末高黏改性剂如图1(c)所示，性能指标如表2所示。均满足《沥青混合料改性添加剂第2部分：高黏度添加剂》(JT/T860.2—2013)要求。

图1 高黏改性剂Fig.1 High viscosity additive

表2 高黏改性剂性能指标Table 2 Performance indicators of high adhesive modifier

1.2 试验方法

1.2.1 荧光显微镜

采用德国蔡司公司生产的Stemi508型光学显微镜对高黏改性沥青进行微观观测。将加热到180 ℃的SBS改性沥青与HVA-H改性剂进行掺配，改性剂掺加比例分别为4%、6%、8%、10%，高速剪切机在4 500 r/min匀速搅拌30 min，使改性剂均匀地分散在SBS改性沥青中。将载玻片与盖玻片放置烘箱中保温10 min，取适量制备好的HVA-H高黏改性沥青滴在载玻片上，盖上盖玻片并用手轻轻压匀，将其水平放在180 ℃的恒温烘箱中流平1 min后取出，用光学显微镜观察其微观形貌。

1.2.2 测力延度试验

测力延度试验采用德国Anton Paar公司生产的DDA 3自动力-延伸度测定仪。测试温度为5 ℃,拉伸速率为5 cm/min。按照相关规程进行测力延度试验，记录延度和峰值力。

1.2.3 BBR试验

采用美国Cannon公司生产的TE-BBR弯曲梁流变仪对高黏改性沥青进行加载试验，样条尺寸为127 mm×12.7 mm×6.35 mm，为了防止沥青样条变形影响劲度模量S和蠕变速率m值，脱模之前将浇注好的试件放在-5 ℃的冷却室中冷却30 min在脱模，脱模之后将沥青样条平放。分别在-12、-18、-24 ℃下以恒定的应力输入持续加载240 s，取第60秒的S与m试验数据，以S≤300 MPa，m≥0.3为条件评价沥青低温等级。

1.2.4 DSR试验

采用德国Anton Paar公司生产的MCR72/92型旋转流变仪分别对原样沥青和经过薄膜烘箱试验(thin film oven test,TFOT)的沥青进行高温性能研究，将制备好的沥青缓缓倒入模型中，在室温下放置半个小时，冷却后脱模。试验时将沥青放入板间距为1 mm的平行板之间，试验频率10 rad/s。记录温度为58、64、70、76、82、88、94 ℃时对应的车辙因子G*/sinδ，其中G*为复数剪切模量，δ为相位角。

2 试验结果分析

2.1 最佳掺量确定

亮点部分为改性剂体系；黑色部分为沥青组分图2 不同HVA-H改性剂掺量的高黏改性沥青 荧光显微图像Fig.2 High viscosity modified asphalt fluorescence microscope with different HVA-H modifier dosages

对高黏改性沥青进行微观观测。如图2所示。可以看出，当HVA-H高黏改性剂掺量小于6%时，SBS改性沥青与HVA-H高黏改性剂之间的扩散与吸附作用不充分，此时沥青为连续相，分散相为HVA-H高黏改性剂，网状结构还未形成。当HVA-H高黏改性剂掺量为8%时，HVA-H高黏改性剂吸附SBS改性沥青中的油分，在沥青中充分发育、溶胀，并均匀分散其中，形成如“蜥蜴皮肤”一样的交联网状结构，改性剂由分散相变为连续相，HVA-H高黏改性沥青中的改性剂与SBS改性沥青均为连续相态，是最佳的相态分布体系，此时高黏改性沥青的存储稳定性最好[10]。HVA-H高黏改性剂掺量10%时，SBS改性沥青变为分散相，填充在HVA-H高黏改性剂的网状结构中，改性剂含量过多，黏度变大，剪切制备过程中出现剪切不均匀，结团现象。由以上分析可知，HVA-H高黏改性剂的最佳掺量为8%。

2.2 高黏改性沥青性能研究

为与试验室原有的HVA高黏改性剂和其他厂家粉末高黏改性剂制成的高黏改性沥青进行性能对比，将SBS改性沥青分别添加HVA-H高黏改性剂、HVA高黏改性剂和粉末高黏改性剂，在相同掺量8%下做进一步的改性性能试验。各性能指标如表3所示，均满足《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350-03—2020)[11]要求。

2.3 低温性能研究

2.3.1 测力延度试验与分析

对拉伸柔量的定义学者们存在着争议，段国胜[12]认为拉伸柔量为峰值力fmax与其对应的延度dmax之比；郑锦聪等[13]认为拉伸柔量为峰值力fmax与断裂时延度d之比值。现采用延度d做指标，这是因为延度dmax只能代表峰值力时延度，不能评价全过程的拉伸特性，因此拉伸柔量的表达式为

表3 高黏改性沥青技术指标Table 3 Technical indicators of highly viscous modified asphalt

(1)

式(1)中：d为断裂时延度，cm；fmax为峰值力，N。

如图3所示，加入改性剂之后，老化前后的延度都得到不同程度的提升，表明高黏改性剂的加入能够使沥青的低温性能得到改善。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG/E20—2011)[14]中的低温性能评价体系，HVA-H高黏改性沥青延度最大，低温性能最好,SBS改性沥青延度最低，低温性能最差，HVA高黏改性沥青的延度与粉末高黏改性沥青的延度相差不大，无法精确区分两种沥青低温性能优劣。由拉伸柔量的定义可知，拉伸柔量越小，改性沥青的延展能力越强，低温性能越好，通过计算拉伸柔量，得到低温性能优劣：SBS改性沥青<粉末高黏改性沥青

图3 老化前后延度与拉伸柔量变化曲线Fig.3 The curve of the change in the amount of aging and the soft amount of stretch

2.3.2 BBR试验与分析

对4种沥青进行BBR试验，结果如表4所示。S为蠕变速率，其值越大，沥青越脆，弹性恢复能力越差，对沥青的低温抗裂性能是不利的；m为劲度模量蠕变速率，其值越大，温度应力累积越缓慢，路面产生开裂的可能性小。

由表4可以看出，SBS改性沥青与粉末高黏改性沥青低温等级均为-22 ℃，与SBS改性沥青相比，粉末高黏改性沥青较稠，在温度较低情况下，没有韧性，容易开裂破坏沥青内部结构；HVA-H与HVA高黏改性沥青低温等级均为-28 ℃，表明在低温条件下，沥青的黏韧性能起到作用，而HVA-H高黏改性沥青m最大，S最小，说明HVA-H高黏改性沥青低温下表现出更多的柔性，弹性恢复能力和松弛应力的能力越好，抗永久变形的能力强，低温下路面不容易产生开裂[15]。

根据表4试验数据绘制如图4所示的点线图。

从图4可以看出：温度由-12 ℃变化到-24 ℃，S逐渐变大，m逐渐变小，这是因为随着温度的降低，SBS改性沥青与改性剂分子间运动减弱，相互作用力减小，沥青变硬、变脆，松弛能力逐渐下降，抗裂性能不佳，符合BBR试验表征沥青材料的低温和应力松弛能力变化规律；SBS改性沥青蠕变率最大，其次为粉末高黏改性沥青和HVA高黏改性沥青，HVA-H高黏改性沥青蠕变速率最小，结合m的图像比较规律得出：改性剂的添加使SBS改性沥青的低温性能得到不同程度的提升，低温性能排序：粉末高黏改性沥青

表4 高黏改性沥青BBR试验数据Table 4 Highly viscous modified asphalt BBR test data

图4 BBR试验结果Fig.4 Results of the BBR test

沥青混合料的低温性能与BBR低温蠕变试验评价方法更为接近，但由于试验仪器昂贵，并未被广泛使用，测力延度试验仪器成本低，操作简便，制样方便，因此，研究测力延度与BBR两者之间的相关性具有重要的工程实践意义。将拉伸柔量与m值进行二次拟合，探究二者的相关性，R2表示拉伸柔量与蠕变劲度m之间的相关关系，R2越大，拉伸柔量与蠕变劲度m之间的相关关系越好，R2最大值为1，拟合结果如图5所示。

图5 拉伸柔量与劲度模量值关系曲线Fig.5 Stretches the relationship curve between the soft amount and the m-value

对数据进行统计分析，发现S和m与《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG/E20—2011)中[14]低温评价指标延度之间不存在相关性，这主要是因为改性剂种类不同，在沥青中加入改性剂后，沥青流变特性发生很大的改变，胶体结构也变得更加复杂，因此，JTG/E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[14]中用延度指标来表征沥青低温性能的优劣已很难再满足要求；图5中老化前后R2均大于0.89，表明拉伸柔量f与反映沥青低温蠕变性能的劲度模量值关系密切。

综上所述，测力延度试验制样方便，造价低，操作简便，与BBR试验具有很强的相关性，可以很好地评价低温性能；HVA-H高黏改性沥青低温性能优于其他高黏改性沥青。

2.4 高温性能研究

2.4.1 DSR试验与分析

沥青PG分级是美国SHRP计划中提出的以G*/sinδ作为分级指标，对沥青高温性能进行分级，是一种“温度跃升”思想,从58 ℃开始对老化前后的沥青进行扫描获得沥青G*/sinδ,若该温度下沥青的G*/sinδ满足规范要求原样沥青和老化沥青分别不小于1.0 kPa和2.20 kPa,直接进入下一个温度的扫描试验,温度级差为6 ℃，直到沥青G*/sinδ不满足要求为止，PG等级即为不满足要求前一个测试温度[16]。对4种高黏改性沥青进行DSR试验，试验数据及分级结果如表5所示。

表5 高温分级试验结果Table 5 High temperature grading test results

由表5可知，SBS改性沥青高温等级为76 ℃，加入高黏改性剂后沥青的稠度增加,流变性能均得到改善。粉末高黏改性沥青高温等级为88 ℃，流变性能提升较低。HVA-H和HVA高黏改性沥青高温等级均大于94 ℃，虽然高温等级相等，但前者G*/sinδ较高，说明HVA-H高黏改性沥青的流动变形小，高温性能佳。沥青的G*/sinδ在老化前后均随温度的升高而降低，这与相位角δ有关，温度升高，沥青逐渐由冻结状态向流动状态转变，黏性成分不断增加，表现为δ增大，G*/sinδ减小[17]。

根据表5试验数据绘制如图6所示的车辙因子G*/sinδ随温度变化图。

图6 车辙因子G*/sinδ随温度变化图Fig.6 Rut factor G*/sinδ is shown with temperature change

通过图6进行分析，SBS改性沥青的G*/sinδ最低，弹性恢复能力和抗车辙性能最差，TFOT后SBS改性沥青中轻质组分挥发，黏性成分下降，流动变形小，G*/sinδ得到提升。依次类推进行G*/sinδ大小排序：SBS改性沥青<粉末高黏改性沥青

2.4.2 稳态流动试验与分析

高黏改性沥青的弹性比例较大,黏度状态不稳定，通过实验直接测定黏度比较困难。在剪切速率χ→0的情况下,沥青流动性质与伪塑性流体相似,在线性流动区域中的黏度趋于常数,并达到最大值,这个黏度就是零剪切黏度η0[18]。相关研究表明η0与60 ℃车辙试验存在密切关系，沥青材料的抗车辙特性可用60 ℃η0来表征[19]。通过低频稳态流动试验对η0进行逼近,同时运用Carreau模型和Cross模型对曲线进行拟合,两种模型拟合式如式(2)、式(3)所示，拟合结果如图7、表6所示。

Carreau模型拟合式为

(2)

Cross模型拟合式为

(3)

式中:η0为零剪切黏度，Pa·s;η∞为无限大速率黏度，Pa·s;χ为剪切速率，s-1;p为材料参数，无量纲；κ为特征松弛时间，无量纲。

由图7可以看出，HVA-H与HVA高黏改性沥青抗车辙能力较优，这是因为这两种改性剂充分且均匀地分散于SBS改性沥青分子中，分子链之间相互键合交联，内聚力和摩擦力增加，形成交联网状结构，从而使高温性能得到提升。HVA-H配方中多添加了一种热塑性弹性体材料，由连接到橡胶聚丁二烯(PB)片段的聚苯乙烯(PS)制成，兼具橡胶和树脂的优点，发生交联作用更充分，故HVA-H高黏改性沥青抗车辙性能最好[20]；粉末高黏改性沥青抗车辙能力较差，这是由于粉末高黏改性剂为粉末状，密度小，体积大，在制备过程中剪切溶胀不均匀，存在结团现象，黏结力相对较弱。

表6 两种流变模型拟合模型下的零剪切黏度拟合结果Table 6 The result of zero-shear viscosity fitting under two rheological models fitting models

图7 零剪切黏度拟合图Fig.7 Zero shear viscosity fit

由表6可知,对Carreau和Cross模型拟合式进行拟合均可得到合理的η0值,相关系数R2达0.98以上,后者的拟合结果较大, 这是因为在材料的应力-应变模型中,当χ→0时,沥青的流变特性与牛顿流体接近；而当χ为0～1时,η0均随着χ的增大而减小,此时为假塑性流体。因式(3)右侧第二项分母值比式(2)大,因此用Origin2018软件进行拟合时，Cross模型拟合出来的η0大。3种高黏改性沥青的η0均比SBS改性沥青大,说明高黏改性剂的掺加可不同程度提高SBS改性沥青的高温性能。Cross模型拟合结果显示,HVA高黏改性沥青与粉末高黏改性沥青的η0值差别不大,无法很好区分这两种高黏改性沥青高温性能优劣，但Carreau模型拟合结果显示，粉末高黏改性沥青与HVA高黏改性沥青的η0差别较大，可精确评价出不同高黏改性沥青的高温性能优劣。3种高黏改性沥青中抗车辙能力排序为：粉末高黏改性沥青

3 结论

(1)HVA-H高黏改性剂掺量为8%时高黏改性沥青分散性最佳；HVA-H高黏改性剂高低温性能均优于HVA高黏改性剂和其他厂家粉末高黏改性剂。

(2)随着新材料，新工艺的出现，规范中用延度已很难准确评价改性沥青的低温变形能力，测力延度中拉伸柔量这一指标能在一定程度上代替BBR试验，可用来评价改性沥青低温性能。

(3)高黏改性沥青的高温黏度评价指标η0可通过Carreau模型与Cross模型拟合得到，但Carreau模型拟合流动曲线更精确，推荐使用Carreau模型拟合。