關(guān)鍵詞：改性瀝青 | 低溫性能評價方法 | 均質(zhì)體系
瀝青路面憑借修建、養(yǎng)護周期短，路面平整，行車舒適等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)。然而，部分地區(qū)冬季嚴寒(zui低溫度達-30℃以下)，低溫持續(xù)時間長，雨雪天氣頻繁，致使瀝青路面受凍產(chǎn)生疲勞裂縫；此外，較大的晝夜溫差使得路表變溫顯著，產(chǎn)生溫縮裂縫，嚴重縮短了路面的使用壽命。在瀝青中加入聚合物，借助聚合物本身的結(jié)構(gòu)特性或聚合物與瀝青間的相互作用，有助于提高瀝青材料的軟化點，降低其脆化溫度，同時提高路面的耐久性能。
目前，對千提高聚合物改性瀝青高溫性能的看法比較一致；而對低溫性能，盡管已有系列評價方法，但這些方法對不同改性瀝青的適用性仍有待進一步研究[1]。本文在概述聚合物改性瀝青原理和性能特點的基礎(chǔ)上，詳細總結(jié)聚合物改性瀝青低溫性能的評價方法，分析其對改性瀝青的適用性，并展望聚合物改性瀝青低溫性能評價方法。
聚合物改性瀝青概述
聚合物改性瀝青是指聚合物經(jīng)由剪切、攪拌操作后，均勻分散在瀝青中形成的兩相或多相共混材料。初始階段，聚合物為分散相，瀝青為連續(xù)相，聚合物吸收瀝青中的輕質(zhì)組分不斷溶脹，部分轉(zhuǎn)化為連續(xù)相，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成為瀝青材料提供了良好的物理和化學(xué)性能。
聚合物改性劑一般可分為三類：樹脂類，如聚乙烯(PE)、乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)等；熱塑性彈性體類，如苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯－異戊二烯嵌段共聚物(SIS)、聚氨酯、有機硅氧烷等；橡膠類，如丁苯橡膠(SBR)、無歸聚丙烯(APP)、廢膠粉(GTR)等。顯微鏡圖見圖1。
SBS為三嵌段共聚物，其中苯乙烯為硬段，有助于提高SBS在瀝青中的分散及物理聯(lián)結(jié)；丁二烯為軟段，為改性瀝青提供彈性和韌性，因此SBS有-80°C和80°C兩個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[3]。
SBS改性瀝青的日常使用溫度介于以上兩者之間，具有優(yōu)異的高低溫性能，幾乎成為改性瀝青的代名詞。從相結(jié)構(gòu)分析，由于SBS為熱塑性聚合物，高溫時易吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，溶脹成膠狀物質(zhì)，均勻分散在瀝青中，形成均質(zhì)體系，其微觀組成如圖1所示。然而，SBS成本較高且容易老化，不利于大規(guī)模推廣[4]。
橡膠瀝青不僅能有效改善瀝青的耐疲勞、耐老化和耐低溫性能，同時可以降低廢舊輪胎堆積產(chǎn)生的不利影響。傳統(tǒng)的橡膠瀝青熱儲存穩(wěn)定性差，儲存和運輸過程中膠粉顆粒容易沉降。這是因為熱固性的膠粉顆粒與瀝青的相容性較差，發(fā)生不完全溶脹，形成非均質(zhì)體系。TerminalBlend膠粉改性瀝青技術(shù)通過選用細膠粉(40-80目)在高溫高壓高剪切條件下降解以提高膠粉在瀝青中的溶解能力[6]。為了進一步控制膠粉的降解情況，Cheng等[7]采用低溫攪拌就地?zé)嵩偕夹g(shù)對膠粉進行脫硫活化處理，并研究了再生工藝對再生效果的影響。Wu等[8]研究發(fā)現(xiàn)改性膠粉在瀝青中的分散性和穩(wěn)定性明顯改善，可部分取代瀝青制備高摻量橡膠瀝青[9]此時橡膠的三維網(wǎng)絡(luò)嚴重破壞，橡膠顆粒分散均勻，形成均質(zhì)體系。橡膠瀝青和再生膠改性瀝青表面形貌見圖2。
改性瀝青的低溫性能評價
改性瀝青的低溫性能評價方法主要由基質(zhì)瀝青沿用發(fā)展而來，5℃延度、弗拉斯脆點、低溫針入度等經(jīng)驗性指標以及BBR試驗、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均被用于評價改性瀝青的低溫性能。然而，實際使用過程發(fā)現(xiàn)，改性瀝青是一個復(fù)雜體系，聚合物的存在及其分散狀態(tài)對試驗結(jié)果有較大影響，部分指標并不能正確反映改性瀝青的低溫性能，甚至瀝青試驗結(jié)果與混合料的低溫性能矛盾。因此，針對均質(zhì)和非均質(zhì)的改性瀝青體系，詳細分析其常用的低溫性能評價方法，以期為改性瀝青的工業(yè)性能評價提供理論指導(dǎo)。
均質(zhì)體系評價方法
改性瀝青均質(zhì)體系指聚合物經(jīng)過剪切和攪拌操作后在瀝青中分散均勻且儲存穩(wěn)定的共混體系，樹脂改性瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青以及TB改性瀝青均屬于均質(zhì)體系范疇。由千此時體系均一，改性瀝青低溫性能評價結(jié)果能基本反映整體改性瀝青的狀態(tài)，然而受到評價方法原理和操作的影響，不同的評價方法適用性不同。
(1)低溫延度與測力延度
瀝青的延度作為評價瀝青常規(guī)性能的三大指標之一，由千操作簡便，結(jié)果直觀等優(yōu)勢被廣泛使用。延度表示特定長度的瀝青樣品在指定溫度和拉伸速率時直至試件拉斷所能進行的zui大伸長長度。我國現(xiàn)行的《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》采用5℃延度作為評價改性瀝青低溫抗裂性能的重要指標。相同溫度時，延度越大，表明瀝青的低溫性能越好。不同含量SBS改性瀝青的低溫性能評價見表1。
沈金安[11]通過延度試驗比較了多種改性瀝青的低溫性能，發(fā)現(xiàn)星型SBS改性瀝青的低溫性能明顯優(yōu)千線型SBS改性瀝青，且SBS改性瀝青、SBS/PE復(fù)合改性瀝青、PE改性瀝青的低溫性能依次遞減。然而，詹小麗等[10]采用灰色關(guān)聯(lián)法研究SBS改性瀝青的性能發(fā)現(xiàn)，改性瀝青的低溫延度與瀝青混合料低溫性能的關(guān)聯(lián)度較差，王鵬等[12]利用灰色關(guān)聯(lián)分析法也得到了類似的結(jié)論，說明低溫延度不能準確評價SBS改性瀝青的低溫性能，但其結(jié)果對改性瀝青低溫評價具有參考意義。
從延度試驗結(jié)果來看，延度試驗的溫度對其存在影響。1988年美國聯(lián)邦公路局在AASHTO規(guī)范中將4'C延度作為評價瀝青低溫性能的評價方法；第十八屆國際道路會議確定了0℃延度的重要意義，而我國以5℃延度作為評價標準[13]。然而，這些標準溫度均與寒冷地區(qū)瀝青路面的實際溫度有較大差距，而采用真實低溫進行測試比較困難；此外，延度測試忽視了改性劑和瀝青的低溫敏感性對結(jié)果的影響。
測力延度在常規(guī)延度試驗的基礎(chǔ)上加裝了力傳感器和收據(jù)采集處理系統(tǒng)，通過測試可得到拉力關(guān)于延度的曲線圖，見圖3。曲線與橫坐標構(gòu)成的面積即為對應(yīng)的測力延度，該過程實際拉力大小隨溫度變化明顯，彌補了傳統(tǒng)延度試驗的不足。劉成等[14]采用測力延度研究了SBS摻量對改性瀝青低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同摻量的改性瀝青測力延度差異明顯。此外，陳佩林等[15]通過測力延度正確區(qū)分了基質(zhì)瀝青SBS改性瀝青、APAO改性瀝青和SBR改性瀝青，說明測力延度可用于不同類型聚合物改性瀝青的判定，側(cè)面說明測力延度可有效表征改性瀝青的低溫性能。然而，低溫延度和測力延度試驗均是經(jīng)驗性方法，缺乏明確的物理意義；同時，路面的低溫開裂一定程度受路面材料老化影響，而延度測試的主要對象為改性瀝青原樣，因此延度的測試結(jié)果不能完全說明道路材料的低溫變形能力[4]。
(2)弗拉斯脆點
弗拉斯脆點指等速降溫條件下，涂附在鋼片表面的一定質(zhì)量的瀝青薄膜彎曲受力時發(fā)生脆裂破壞對應(yīng)的臨界溫度，常被用于評價瀝青的低溫抗開裂性能，尤其適用于基質(zhì)瀝青的低溫性能評價。弗拉斯脆點越低，瀝青材料的低溫性能越好。一般情況下，聚合物的加入有利千降低瀝青的弗拉斯脆點。肚medzadeP等(16)研究了改性劑對瀝青低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)SBS的加入使得瀝青的弗拉斯脆點降低；然而，繼續(xù)增加SBS,改性瀝青的脆點保持不變。此外，采用弗拉斯脆點評價不同結(jié)構(gòu)的SBS改性瀝青時結(jié)果區(qū)分度也不高[17]。
弗拉斯脆點的測試結(jié)果受瀝青種類影響大，與瀝青中瀝青質(zhì)的含量相關(guān)，我國出產(chǎn)瀝青的瀝青質(zhì)含量遠高千其他國家，因此比較不同種類的改性瀝青時bi須以同品種的基質(zhì)瀝青為實驗前提。此外，弗拉斯脆點的測試結(jié)果也受到實驗操作的限制，改性劑在瀝青中的良好分散以及涂覆均勻的瀝青薄膜均有利千避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，提高測試結(jié)果的jing準性。不同SBS改性瀝青的弗拉斯脆點見表2。
(3)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)
無定形聚合物的模量隨溫度變化表現(xiàn)出4種不同的狀態(tài)，分別對應(yīng)聚合物的玻璃態(tài)、玻璃態(tài)-橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變、橡膠態(tài)和黏流態(tài)。見圖4。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物由玻璃態(tài)至橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變對應(yīng)的溫度，此時材料由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)。聚合物改性瀝青從廣義上屬千聚合物范疇，其低溫開裂的實質(zhì)是瀝青在實際使用溫度時處于玻璃態(tài)，從而發(fā)生脆性斷裂，該現(xiàn)象與其粘彈性行為相對應(yīng)[18]。因此，可用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評價瀝青的低溫性能。材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低越好，當(dāng)其遠低千改性瀝青的zui低服務(wù)溫度時，瀝青材料處于高彈性，通過變形可有效釋放溫度變化引起的內(nèi)部應(yīng)力，減少低溫開裂的產(chǎn)生。
材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可由升降溫過程中物理性質(zhì)(如體積、熱力學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì))突變所對應(yīng)的溫度確定。其中，示差掃描量熱法(DSC)由于樣品用量少，測試精度高，被廣泛用于材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的確定。Zhang等(20]通過大量DSC試驗證實改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與其低溫性能存在直接對應(yīng)關(guān)系，說明采用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度表征聚合物改性瀝青的低溫性能具有理論和實際可行性。不同的聚合物改性瀝青對應(yīng)不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這是因為聚合物存在不同的結(jié)晶形態(tài)和吸放熱，同時聚合物與瀝青的相容性以及兩者相互作用不同[19，21]。動態(tài)力學(xué)分析法(DMA)通過測定瀝青材料的動態(tài)力學(xué)譜以確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。牛巖等[22]利用DMA在彎拉受力模式下得到了基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及橡膠瀝青及其混合料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。研究發(fā)現(xiàn)，不同改性瀝青及其混合料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)分明顯，與混合料的低溫性能相關(guān)性好；相比改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，采用混合料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評價其低溫性能更加合理。然而，與延度和弗拉斯脆點法相比，采用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評價改性瀝青低溫性能的研究較少，涉及的改性瀝青種類有限，因此仍需進一步開展相關(guān)研究。5種改性瀝青的延度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比較見表3。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和壓縮應(yīng)變能密度的相關(guān)性[19]見圖5。
(4)彎曲梁流變試驗(BBR)
彎曲梁流變試驗是美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP計劃)規(guī)定的瀝青低溫性能評價方法，其以瀝青和聚合物的流變學(xué)為基礎(chǔ)，是目前研究改性瀝青低溫性能zui常用和gao效的手段之一。其中蠕變勁度和蠕變速率是評價瀝青低溫性能的兩個常用指標，蠕變勁度表示瀝青在低溫下的變形能力，蠕變速率表征瀝青在低溫下的應(yīng)力松弛能力。相同測試溫度下，蠕變勁度越小，蠕變速率越大，瀝青的低溫性能越好。
目前巳有大量采用BBR評價瀝青低溫性能的研究。Kok等[23]通過試驗證實BBR的測試結(jié)果與混合料低溫性能相關(guān)性較高。隨后，Rezaei[24]運用BBR研究了改性劑SBS對瀝青低溫性能的改善機理。在此基礎(chǔ)上，馬曉燕等[25]研究了5種基質(zhì)瀝青和5種SBS改性劑對改性瀝青低溫性能的影響。結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青的種類對改性瀝青的低溫性能起決定性作用，改性劑類型以及改性劑摻量的影響程度依次降低。該結(jié)論也間接說明BBR結(jié)果的jing確性遠高于低溫延度和Frass脆點。此外，董文龍等[26]分別采用線性和星型SBS改性瀝青，并通過BBR分析了不同改性劑的改性效果，結(jié)果表明，星型SBS改性瀝青的低溫性能更佳，這是因為采用星型SBS改性瀝青更有助于構(gòu)建三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而提高瀝青的低溫抗開裂性能。見表4。
盡管BBR試驗可以有效評價瀝青的低溫性能，然而這種方法也存在一定的局限性。首先，BBR試驗采用6℃的分級溫度結(jié)果，分級的溫度間差異較大，難以評價低溫性能接近的改性瀝青；此外，目前針對BBR試驗的分析多采用勁度模量和蠕變速率等單一指標，缺乏對瀝青變形情況和松弛能力的綜合考量，因此得到的分析結(jié)果不夠完整[27]。
非均質(zhì)體系評價方法
非均質(zhì)體系也稱不穩(wěn)定體系，在研究較多的聚合物改性瀝青中特指橡膠瀝青。這是因為廢舊膠粉高溫高剪切條件下降解形成溶膠和凝膠兩部分，凝膠微觀呈現(xiàn)三維交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顆粒達毫米尺度，容易聚集，導(dǎo)致瀝青樣品性能測試結(jié)果不穩(wěn)定。
目前對橡膠瀝青低溫性能的評價方法仍參照均質(zhì)的聚合物改性瀝青進行。徐俊旺[28]研究了5℃延度、弗拉斯脆點以及BBR試驗對橡膠瀝青的適用情況。結(jié)果表明，5℃延度的測試結(jié)果與實際矛盾，不宜用作橡膠瀝青的低溫性能評價指標；弗拉斯脆點一定程度可用于橡膠瀝青低溫性能評價，但部分樣品的區(qū)分度不明顯；BBR試驗獲得的評價結(jié)果與混合料低溫評價一致性高，該法相比前兩者對橡膠瀝青的適用性更強。然而，由于橡膠瀝青為非均質(zhì)狀態(tài)，以上測試結(jié)果僅具備參考價值而無實際物理意義，bi須采用適當(dāng)?shù)墓に噷δz粉進行脫硫處理，將橡膠瀝青轉(zhuǎn)化為均質(zhì)狀態(tài)才可用上述方法對其低溫性能進行評價。如董瑞琨等[29]利用DSC和BBR研究了高溫裂解工藝對橡膠瀝青低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)高溫脫硫裂解有利于提高改性瀝青的低溫性能。與其他聚合物改性瀝青相比，橡膠瀝青具有突出的低溫性能，其-24℃時的勁度模量僅為SBS改性瀝青的一半[30]。
對于非均質(zhì)瀝青體系的低溫性能評價，bi須將其制備成對應(yīng)的瀝青混合料，進行瀝青混合料的低溫抗裂性能試驗，如等應(yīng)變加載破壞試驗、彎曲拉伸蠕變試驗、受限試件溫度應(yīng)力試驗、三點彎曲J積分試驗、收縮系數(shù)試驗、應(yīng)力松弛試驗以及等[31]。
總結(jié)與展望
a)改性瀝青的低溫延度測試未充分考慮不同聚合物的低溫敏感性，測試結(jié)果與混合料低溫性能相差大，但操作簡便，應(yīng)用較廣；測力延度的測試原理相對低溫延度有所改進，但物理意義不明確，過分關(guān)注原樣瀝青導(dǎo)致結(jié)果與路面實際有偏差。
b)弗拉斯脆點尤其適用千基質(zhì)瀝青的低溫性能評價，其測試結(jié)果對千評價改性瀝青的低溫性能有參考價值，但部分樣品區(qū)分度不明顯。
c)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從粘彈性角度分析改性瀝青的低溫性能，兼具理論和實際意義，可以有效反映改性瀝青的低溫性能；然而，采用該指標評價改性瀝青的研究相對較少，其對不同種類改性瀝青低溫性能的適用性仍有待進一步開展。
d)彎曲梁流變試驗可以有效評價改性瀝青的低溫性能，評價結(jié)果與混合料低溫抗開裂測試結(jié)果的一致性高，不僅能夠表征改性低溫性能的好壞，還能gao效區(qū)分不同種類的改性瀝青，然而其評價結(jié)果的連續(xù)性還有待研究。
e)傳統(tǒng)的瀝青低溫性能評價方法得到的結(jié)果對非均質(zhì)瀝青體系僅有參考價值，對應(yīng)混合料的低溫抗開裂性能評價才能真實反映瀝青材料的低溫性能。
f)因瀝青容易老化，評價其低溫性能時有必要考慮老化后瀝青的脆性指標。
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全文完 發(fā)布于《石油瀝青》2019年12月
通訊作者:謝艷玲(1995.06-)，女，江蘇無錫人，碩士研究生，從事道路用瀝青材料的研究
文章轉(zhuǎn)載于“瀝青路面”公眾號
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Matest-Pavetest的BBR是一種熱電型低溫瀝青彎曲梁流變儀，用于測試瀝青膠結(jié)料在室溫到-40℃（±0.03℃）的彎曲蠕變試驗。荷載由微型伺服控制作動器施加，可施加+25N的負載，加載頻率可以從靜態(tài)到動態(tài)25Hz，無需配置空壓機供應(yīng)壓縮空氣。瀝青彎曲梁流變儀通過伺服控制不需要頻繁校準以及重復(fù)調(diào)節(jié)空氣軸承的壓力。只需輸入所需的荷載數(shù)值，伺服控制的作動器就會以難以置信的精度施加并保持所設(shè)定的荷載。 使用安裝在機器正面的溫度控制器可以非常準確地控制溫度。用戶可以使用控制器或通過軟件設(shè)置浴溫。瀝青彎曲梁流變儀系統(tǒng)的核心是Matest-Pavetest的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（CDAS2）和（TestLab）軟件。
常規(guī)應(yīng)用
?瀝青膠結(jié)料的彎曲蠕變試驗
?受荷載作用下的裂縫密封低溫特性
?滿足ASTM D6648、 AASHTO T313和SHRP瀝青試驗規(guī) 范的瀝青膠結(jié)料低溫撓曲蠕變測試
產(chǎn)品特點
▍瀝青彎曲梁流變儀通過伺服控制的設(shè)計不需要經(jīng)常進行標定和反復(fù)調(diào)整空氣軸承的壓力
▍加載頻率從靜態(tài)到動態(tài) 25Hz
▍不需要配套空壓機提供壓縮空氣
▍采用外置式固態(tài) Peltier 帕爾貼系統(tǒng)直接熱電制冷 （無氟）
▍設(shè)計了單獨的空氣 - 水熱交換器
▍集成的單獨式浴槽，使用乙醇作為浴槽介質(zhì)進行冷卻
▍通過軟件控制設(shè)定和監(jiān)測水浴溫度
▍全自動荷載閉環(huán)控制，無需每次開機手動調(diào)整滿點/零點等旋鈕
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