APAO改性沥青性能试验研究

摘要：为分析非晶态聚α烯烃（APAO）对沥青流变性能的影响，文章制备了不同掺量（2%、4%、6%和8%）的APAO改性沥青，采用多重应力蠕变恢复（MSCR）试验、线性振幅扫描（LAS）试验、弯曲梁流变仪（BBR）试验和傅里叶红外光谱（FTIR）试验，分别研究沥青的高温稳定性、中温抗疲劳性能、低温抗裂性能和微观特性。试验结果表明，APAO降低了沥青的不可恢复蠕变柔量和m值，提高了沥青的恢复率、疲劳寿命和蠕变刚度，即APAO改善了沥青的抗车辙性能和抗疲劳性能，而APAO改性沥青的低温性能有所下降；FTIR分析表明APAO与沥青之间存在新的化学反应。

关键词：道路工程；改性沥青；APAO；流变性能；红外光谱

0引言

非晶態聚α烯烃（APAO）是一种低分子量的饱和塑性非极性材料，近年来，APAO在沥青改性中的应用正逐渐成为研究的热点［1-2］。以往的研究表明，APAO的添加明显改善了沥青的高温稳定性和老化性能，而且以往针对APAO改性沥青的研究大多是采用三大指标试验、黏度试验或温度扫描试验等，即根据三大指标、车辙因子或疲劳因子来表征沥青的路用性能［3-4］。然而，有研究表明上述指标不能真实表征沥青的流变性能［5］。

基于此，需要针对沥青改性性能研究引入更先进的试验，如多重应力蠕变恢复（MSCR）和线性振幅扫描（LAS）试验，以更准确地表征APAO改性沥青的高温稳定性和疲劳性能。尽管目前的研究对APAO改性沥青的性能表征已经进行了大量的工作，但基于流变学的APAO对沥青性能的影响还有待深入研究，同时，APAO与沥青基体之间的微观机理也可进行进一步分析［6-7］。因此，本研究采用不同掺量的APAO（2%、4%、6%和8%）对沥青进行改性，通过MSCR、LAS、BBR等流变试验和FTIR微观试验，对APAO改性沥青的性能进行综合评价。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本研究选用茂名70#A级道路石油沥青作为基质沥青，其技术指标如表1所示。沥青改性剂选用2 385型APAO，其性能如表2所示。

1.2 改性沥青的制备

APAO改性沥青的制备工艺如下：（1）将500 g基质沥青加热至流动态；（2）在基质沥青中缓慢加入APAO，在高速剪切搅拌机中以4 000 rpm的转速剪切0.5 h，制备过程中温度控制为165 ℃。在本研究中使用4种比例的APAO（分别为基质沥青质量的2%、4%、6%和8%），0掺量APAO改性沥青为基质沥青，且对其也采用上述制备过程进行处理，以减少制备过程中的老化对结果对比的影响误差。

1.3 试验方法

基于ASTM D7173标准，采用聚合物改性沥青离析试验表征APAO改性沥青的储存稳定性。将装有沥青的铝箔管置于163 ℃的烘箱中垂直放置48 h，随后将铝箔管的顶部和底部剪开，测试顶部沥青和底部沥青的软化点，并将差值作为储存稳定性指标。每个试样进行3次平行试验。

根据AASHTO TP 70标准，基于动态剪切流变仪进行MSCR试验。将试验温度设置为58 ℃～70 ℃，测试的沥青则是经过旋转薄膜烘箱试验后的样品。MSCR试验在两种应力水平下进行，分别为0.1 kPa和3.2 kPa，共10个循环。

采用LAS试验对APAO改性沥青的疲劳性能进行评价。根据AASHTO TP 101-14标准，试验温度设置为25 ℃。LAS试验由两个阶段组成：第一阶段，在0.1%的极低应变幅值下进行频率扫描试验，以表征未损伤状态下沥青的流变特性；第二阶段，以0.1%的正弦应变加载100个循环来进行LAS试验，并以1%的应变增长速率开始加载，加载达到30%的应变结束循环。基于LAS试验，采用式（1）计算APAO改性沥青的疲劳寿命：

Nf=A（γmax）B（1）

式中：Nf——沥青的疲劳寿命；

[KG7mm]γmax——最大沥青应变水平，根据粘弹性连续损伤理论，确定常数A和B。

基于AASHTO T313采用弯曲梁流变仪（BBR）进行试验，以蠕变刚度（S）和蠕变速率（m）作为评价指标，研究长期老化状态下APAO改性沥青的低温性能。测试温度分别设置为-12 ℃和-18 ℃。采用FTIR试验对APAO改性沥青的化学性质进行研究，所有FTIR光谱在4 000 cm-1～400 cm-1波数范围内扫描32次，分辨率为4 cm-1。

2 试验结果与分析

2.1 储存稳定性试验

为了评价APAO改性沥青在高温搅拌条件下的离析性能，对其进行了储存稳定性试验，试验结果见表3。由表3可知，APAO改性沥青的底部和顶部软化点差异较小，且差值均＜2.5 ℃，说明APAO的掺入并未在沥青基体中产生严重的离析效应，这可能是由于APAO增强了沥青的相容性和黏度。但当APAO掺量增大到8%时，沥青的储存稳定性下降，软化点差值为2.3 ℃且接近2.5 ℃。综上所述，APAO易于在沥青基体中混合，APAO改性沥青的储存稳定性适宜，不过应注意控制掺量，减少团聚现象。

2.2 MSCR试验

采用MSCR试验对APAO改性沥青的高温性能进行评价，评价指标为不可恢复蠕变柔量（Jnr）和弹性恢复率（R）。在58 ℃～70 ℃条件下，分别在0.1 kPa和3.2 kPa的应力水平下进行试验，与R值相比，Jnr值的变化程度更大。沥青的Jnr值试验结果如图1所示。如表4所示为64 ℃时APAO改性沥青的MSCR试验结果。

由图1可知，试验温度的升高会增加沥青的Jnr值，而降低其R值，这是因为随着温度的升高，沥青变得更加粘稠，因此沥青的弹性和高温性能下降。由表4可知，在同一应力水平下，APAO的掺入降低了沥青的Jnr值，表明经APAO改性后的沥青具有更高的抗车辙性能。同时，APAO掺量越高，沥青的抗车辙性能越好。掺入8%APAO的沥青高温稳定性最高。此外，由表4可知，在两种应力水平下沥青的R值存在差异，且随着应力水平的增加，沥青的R值降低；APAO的掺入提高了沥青的R值，R值可以表征沥青在高温状态下的弹性恢复程度。因此可以得出结论，与基质沥青相比，APAO改性沥青具有更优越的高温稳定性。

2.3 LAS试验

LAS试验能显示沥青在不同应变水平下的疲劳寿命，如表5所示为APAO改性沥青的LAS试验结果。由表5可知，掺入APAO对沥青进行改性有效降低了高应力水平下的剪切应力。该结果还表明添加APAO可提高沥青的疲劳寿命，这是因为APAO的掺入增强了沥青的弹性，该结论也与MSCR试验结果一致。同时还可以发现，APAO的掺入提高了疲劳寿命公式（1）中的A系数，而降低了B系数，且6%APAO改性沥青的A值最大，B值最小。在低应变水平下，8%APAO改性沥青的疲劳寿命明显高于基質沥青的疲劳寿命，这是因为APAO的掺入使沥青的黏度提高，与高应变水平下的状态相比，沥青在低应变水平下具有更高的抗疲劳性能，因为在高应变水平下沥青受重载作用会发生较大变形。所以，可以认为，经APAO改性后的沥青具有更高疲劳寿命。

2.4 BBR试验

采用BBR试验来确定不同试验温度下APAO改性沥青的低温性能，评价指标为蠕变速率（m）和蠕变刚度（S），BBR试验结果见表6。试验结果表明，随着APAO掺量的增加，沥青的S值有所提高，说明APAO提高了APAO改性沥青的开裂潜力，对其低温抗裂性能有负面影响。m值随着APAO掺量的增加而降低。一般来说，沥青的m值与温度应力有关，若沥青的m值较大，在温度降低的条件下，沥青路面的温度应力会迅速释放，容易出现低温裂缝。在这种情况下，m值的下降说明APAO的掺入不利于沥青的低温性能，这与S值的现象分析一致。APAO对沥青材料低温性能的影响有待进一步研究。

2.5 FTIR试验

如图2所示为基质沥青与APAO改性沥青的FTIR试验结果。由图2可知，2 850 cm-1和2 920 cm-1两处的吸收峰分别是由沥青烷基（C-H）的对称与不对称伸缩振动引起的；1 590 cm-1和1 650 cm-1的吸收峰是由芳烃的C=C振动引起的；在1 455 cm-1的吸收峰是由CH3和CH2的C-H伸缩振动引起的；1 375 cm-1的吸收峰是由CH3振动中的C-H伸缩振动引起的；720 cm-1～910 cm-1处的吸收峰与苯环中的C-H振动有关。还可以发现，APAO的添加提高了720 cm-1峰的强度，这是因为APAO存在亚甲基基团，该峰取代芳烃产生了弯曲振动，从而增大了峰值。与基质沥青相比，APAO改性沥青在960 cm-1和740 cm-1两处出现了新吸收峰。新吸收峰的产生意味着APAO在沥青中发生了化学反应，分析原因为APAO分子存在C-H键，可以与沥青分子连接组合。

3 结语

（1）MSCR试验结果表明，经过APAO改性后的沥青具有较高的抗车辙性能，且APAO掺量越高，沥青的Jnr值减少而R值增加，说明其高温抗车辙性能得到改善。

（2）LAS试验结果表明，APAO的掺入可以增加沥青的疲劳寿命，改善其抗疲劳开裂性能，并且随着APAO掺量的增加，改善效果也越明显。

（3）BBR试验结果表明，APAO掺量的增加提高了沥青的S值而降低了m值，说明APAO的使用在一定程度上增加了沥青的低温开裂风险，即对沥青的低温开裂性能有负面影响。

（4）FTIR试验和储存稳定性分析表明，APAO与沥青基体之间的相容性较好，与基质沥青相比，APAO改性沥青出现了960 cm-1和740 cm-1两处新吸收峰，说明APAO与沥青之间存在化学相互作用。

参考文献：

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作者简介：周理宏（1978—），工程师，主要从事公路工程施工监理工作。