近年来，道路新材料、新技术和新工艺不断涌现，在沥青及沥青混合料和特殊地区路面等方面取得了许多新的研究成果，如SBS改性沥青、胶粉改性沥青、高模量和高黏聚合物改性沥青等对提高路面使用性能、延长使用寿命等都起到了良好的促进作用。目前，对高模量和高黏沥青研究中主要涉及了产品研发、性能分析、工艺和技术等方面。杨彦海等^[1]研究了高模量沥青及混合料性能，分析了抗车辙性能、动态模量、抗水损害性能和经济性能。邢明亮等^[2]研究了锥重、材料组成、温度和粉胶比对高黏沥青抗剪性能影响。韩宏伟等^[3]在常规SBS改性沥青基础上，通过增加SBS在沥青中的掺量，制备出高黏度改性沥青，其PG分级一般在PG76或更高，常用于桥面铺装或OGFC等。陈佩茹,孙立军^{[4, 5]}研究了湖沥青、岩沥青和硬质沥青作改性剂，在高温性能及提高混凝土模量方面，获得了良好的试验效果。鉴于上述分析可知，两种改性沥青无论是产品研发、性能研究还是实体工程应用均处于热点研究状态，研究内容针对性较强，对沥青长期性能力学分析、两种沥青相结合状态下的应用，包括抗老化性能(尤其长期老化状态)、黏弹性能(模型建立)等方面研究均较少，兼顾两种沥青功能特点综合分析影响因素下的性能对工程实体选择、材料研发等均有重要意义。

因此，利用SHRP手段对不同状态下高模量、高黏沥青进行重复蠕变恢复试验、低温蠕变试验研究各项性能，基于Burgers模型参数分析高模量和高黏沥青基于延弹变形恢复特性下高温力学性能差异的原因，以期优化路面性能评价指标。

1 原材料及试验

(1)试验采用3种沥青，为便于结果分析，选择相同类型具有代表性的产品，即壳牌70^#基质沥青(对比试样)、壳牌高模量沥青和高黏沥青。

(2)高温力学性能主要进行重复蠕变和温度扫描试验，研究原样沥青、RTFOT沥青的黏弹性能和抗车辙性能，重复蠕变试验采用温度60 ℃，应力100 Pa和3 000 Pa(考虑沥青特殊提高试验附加应力)，加载1 s，卸载9 s的重复加载方式20个循环。高温扫描采用46~82 ℃，间隔6 ℃，应变12%，频率10 rad/s;中温采用26~41 ℃，间隔3 ℃，应变12%，频率10 rad/s；低温力学性能利用BBR对原样沥青和PAV沥青进行不同温度下蠕变劲度模量和m值测试，采用温度-6,-12 ℃和-24 ℃，60 s劲度模量S和m值。

2 高温力学性能

沥青路面高温力学行为主要反映在抗剪、稳定性能和抗车辙能力方面，沥青胶结料作为典型的黏弹性材料不仅对其性能优劣具有紧密联系，而且沥青本身也具备较强温度依赖性。Superpave沥青结合料规范率先提出采用抗车辙因子G^*·(sinδ)^-1评价高温稳定性能，并要求原样沥青G^*·(sinδ)^-1值不低于1.0 kPa，对于RTFOT沥青不小于2.2 kPa，对于PAV沥青不大于5 000 kPa。诸多研究表明^{[6, 7]}对于具有延迟弹性变形的改性沥青采用SHRP指标能够较好分辨其性能，采用动态力学参数能把沥青这种黏弹性材料中发生的分子运动特征敏感地指示出来，避免了常规试验的缺陷。本文采用储能模量G′、损耗因子tanδ和抗车辙因子G^*·(sinδ)^-1等参数进行不同影响因素下力学行为分析。

2.1 黏弹性能测试

NCHRP(9-10)-459^{[8, 9, 10]}提出采用重复蠕变试验评价改性沥青延迟弹性变形和恢复能力，基于Burgers四单元流变模型本构方程理论应用建议采用加载1 s，卸载9 s(或加载2 s，卸载18 s)的加载方式进行测试，通过拟合参数计算蠕变柔量黏性特性Jv，选取Jv倒数作为高温评价指标代替G^*·(sinδ)^-1。

图 1显示3种沥青在前10次蠕变恢复应变曲线状态，70^#沥青中黏性成分远大于其余二者导致随重复次数增加变形剧增，而高模量、高黏沥青累计应变变化缓慢，每次加载变形后均具有恢复能力。说明70^#沥青在蠕变初期具有少量弹性变形恢复外，基本不再随时间继续而增加，属于黏质流变变形，高模量、高黏沥青蠕变变形属于延迟弹性变形，随时间继续不断得到恢复。

图 1 三种沥青在应力100 Pa时前10次蠕变恢复状态 Fig. 1 First 10 times creep recovery states of 3 kinds of asphalt in 100 Pa stress

图选项

为详细分析二者黏弹性恢复能力，按照Burgers模型的应变响应分为瞬时弹性部分、延迟弹性部分和黏性部分对加载、卸载过程进行数据归一化处理，不同应力下累积变形见表 1。

文献^{[9, 10]}指出基质沥青与改性沥青应变和柔量对温度的依赖性完全不同，基质沥青蠕变变形对温度依赖性均匀递减，变化相对简单，而改性沥青变化规律复杂，这也侧面反映了改性沥青材料结构性质复杂，不能单从一方面分析其性能。随加载次数增加，累计应变增加；随测试应力提高，累积应变亦增加。对于循环次数因素影响，70^#沥青累积应变最大，高黏沥青次之，高模量沥青最小。在应力为100 Pa时，相对第1次，循环20次后高黏沥青累计应变提高了3.307倍，高模量沥青提高了3.026倍；另外，3种沥青累积应变受循环次数影响敏感性逐渐降低，其70^#沥青次数敏感性下降最明显，高模量沥青和高黏沥青次之。在应力为100 Pa时，前10次、后10次加载70^#沥青累计应变分别增加4.972倍和1.994倍，高模量沥青增加2.356倍和1.284倍。

同时由表 1还看出应力因素影响不同，高模量沥青受该因素影响最大，高黏沥青次之，70^#沥青最小。在应力为3 000 Pa时20次循环累积应变变形，与100 Pa相比，高模量沥青增加了44.871倍，高黏沥青增加了37.206倍，70^#沥青为32.234倍。文献^[10]认为随温度增加沥青更接近线黏弹性流变状态，50~100 Pa的应力水平对试验结果影响较大，超过100 Pa 后的影响不再显著。但从试验结果得出，对聚合物改性沥青受应力水平的影响仍然处于显著状态，试验过程中应结合路面实际状态选择合理应力水平值。

根据重复蠕变恢复过程，利用Burgers模型参数定义^[11]恢复阶段的初始应变ε_L，恢复阶段末的残余应变ε_p，用ε_p/ε_L表示永久变形占总变形的比例，利用其倒数评价沥青变形弹性恢复能力。不同因素下测试值见表 2。

70^#沥青的初次残余变形比例达到99%，远高于高模量和高黏沥青，且随循环次数增加几乎不变，充分显示了基质沥青在高温荷载作用下不可恢复的状态，处于黏性流动变形。高模量和高黏沥青残余变形仅占10.2%和7.2%，延迟弹性成分占有重要地位，且根据预测随恢复时间增加变形还将继续恢复，说明两种沥青高温稳定性中黏性流动比例小，延迟弹性成分可作为高温性能评价指标之一。同时，高模量沥青的黏性成分高于高黏沥青，且随循环次数增加其增加幅度也在提高，尽管高模量沥青G′大，初始累积应变小，高温性能优于高黏沥青，但沥青内部黏性变形高于高黏沥青，说明其发生变形的频率和程度同样高于高黏沥青，该指标能进一步反映出高模量沥青和高黏沥青区别，而常规指标方面不足以发现该问题。

应力的提高增加了沥青永久变形程度，这与上述分析结果相一致。例如，高黏沥青在100 Pa,3 000 Pa 时20次永久变形分别占19.6%和22.4%，变形比例提高了约14.3%，高模量沥青变形比例提高了30.7%。这从侧面也反映了高模量沥青黏性变形对应力水平的敏感性高于高黏沥青。

另外，利用永久变形与初始应变比倒数分析其变形恢复能力，即ε_L/ε_p(见表 2)。与黏性变形相对应，随着加载次数增加ε_L/ε_p而降低，表明了黏弹性材料延迟弹性变形随时间增加而恢复的性质，也显示了对后续加载循环的影响。前10次循环后ε_L/ε_p值变化较大，远大于第10次、20次之间的变化幅度，说明沥青延迟弹性随加载次数增加而逐渐稳定，受次数影响降低。利用线性回归，对10次、20次数据计算发现高黏沥青延迟弹性恢复特性的敏感性要大于高模量沥青，其斜率变化值K分别为1.661和0.093 7。

2.2 抗车辙性能测试

采用原样沥青和RTFOT后沥青分析3种沥青夏季抗车辙及抗老化能力，RTFOT试验温度163 ℃，作用时间85 min后取样，试验结果见图 2和图 3。

图 2 三种沥青在RTFOT老化前后G′，tan δ测试 Fig. 2 G′ and tan δ test for 3 kinds of asphalt before and after RTFOT aging

图选项

图 3 三种沥青RTFOT后G′,tanδ和G*·(sinδ)-1 测试结果 Fig. 3 Result of G′,tan δ and G*·(sinδ)-1 of 3 kinds of asphalt after RTFOT

图选项

RTFOT后3种沥青的储能模量G′均呈现增加趋势，且随温度升高其增加幅度逐渐下降；而tanδ变化趋势则不尽相同，70^#沥青tanδ呈下降趋势，高模量和高黏沥青则相反，且3种沥青tanδ随温度升高的曲线变化规律也不同，说明3种沥青RTFOT前后沥青组分及内部结构存在较大变化及区别。整体上看，老化后沥青抵抗变形的能力提高了，对于G′而言，70^#沥青的提高幅度最大(46 ℃时，提高了约200%)，高黏沥青次之，高模量沥青最低；对于tanδ，70^#沥青和高黏沥青受温度敏感性影响增加，在64~82 ℃内，70^#沥青tanδ急剧下降，高黏沥青却增加，说明RTFOT提高了高黏沥青黏性成分，提高了70^#沥青弹性变形能力，而对高模量沥青影响不大。综上分析可知高模量沥青抗老化能力最佳，高黏沥青次之，70^#沥青最差。

图 3描述了3种沥青RTFOT后储能模量G′、损耗因子tan δ及抗车辙因子G^*·(sinδ)^-1的关系。高模量沥青G′高于其余二者，tan δ受到老化的影响又最小，因此从该参数变化状态就可看出其抗车辙能力最好(图 3(b)描述相一致)，70^#沥青抗车辙能力高于高黏沥青，这与抗老化性能分析不一致，与储能模量G′和损耗因子tan δ分析也不一致，且受温度影响较大，因此对高黏沥青抗车辙能力可能仍需要进一步研究。同时，3种沥青按照SHRP高温PG分级要求划分高温指标分析见表 3。

中温力学性能主要模拟了沥青路面随时间、环境及荷载重复作用逐步产生疲劳断裂破坏力学状态，SHRP的PG分级采用RTFOT又经过PAV的沥青在设计温度下抗疲劳因子G^*sin δ作为评价指标，其值不大于5 000 kPa的温度作为临界温度，即小于该值的临界温度越低其抗疲劳开裂的性能越好。利用RTFOT和PAV后沥青分析G′,tan δ及G^*sin δ进行抗疲劳性能测试。

3种沥青RTFOT及PAV后动态流变参数测试结果见表 4。PAV老化后进一步增加了沥青储能模量G′和抗疲劳因子G^*sin δ，降低了损耗因子tan δ，只是3种沥青各自变化幅度不同而已，如图 4所示。

图 4 原样、RTFOT及PAV沥青的G′,tan δ 随温度的变化曲线 Fig. 4 G′ and tan δ curves of original,RTFOT and PAV asphalts varying with temperature

图选项

RTFOT老化模拟施工期间沥青混合料性能状态，PAV老化模拟路面运行5~10 a野外状况。对于70^#沥青，不同老化状况之间G′和tan δ影响幅度显著，且随温度增加G′之间幅度降低，而tan δ之间的影响幅度升高；对于高模量沥青和高黏沥青，不同老化状态对G′影响变化与70^#沥青相似，而tan δ 的变化却不同，RTFOT老化对tan δ影响较弱，与原样沥青几乎相一致，而PAV老化影响较强，且RTFOT和原样沥青的tan δ随温度增加而降低，PAV沥青tan δ却增加。说明高模量和高黏沥青受RTFOT及PAV老化后状态与70^#沥青不同，其内部结构变化对沥青性能具有重要影响，PAV老化经过长期对沥青作用，逐步降低或减缓了改性剂作用，促使了G′和tan δ变化与原样沥青相似。

同时，PAV老化能够进一步突出聚合物改性沥青长期的动态力学性能，可促使发现短期内未能表现出的特性，对分析、选择改性沥青具有重要帮助，建议选择PAV老化指标作为高模量沥青和高黏沥青流变性能评价指标。

对比3种沥青不同老化状态后中温流变性能，发现高黏沥青G′低于高模量沥青和70^#沥青，高模量沥青tan δ最小，随着老化程度加深流变参数之间差值幅度逐渐增加(图 5)。PAV老化进一步提高了3种沥青之间分辨性，提高了评价指标清晰度。高黏沥青经PAV老化后黏性成分增加，延迟弹性恢复能力降低，抵抗变形能力减弱；高模量沥青延迟弹性能力提高，黏性特征降低，有助于提高抗变形能力。

图 5 三种沥青经RTFOT及PAV后G′，tan δ测试结果 Fig. 5 Results of G′ and tan δ of 3 kinds after RTFOT and PAV test

图选项

尽管利用黏弹性参数G′和tan δ分析不同老化状态动态力学性能，但并不能全面评价沥青中温抗疲劳能力。根据表 4数据分析发现G^*·sin δ 随老化加深而提高，沥青抗疲劳能力下降，3种沥青的抗疲劳能力优劣为：高黏沥青＞高模量沥青＞70^#沥青；综合抗疲劳性能指标分析结果，3种沥青抗老化能力为：高模量沥青＞高黏沥青＞70^#沥青，与原样沥青相比，G^*·(sin δ)^-1值分别提高了约255%，350%和410%。

沥青的低温流变特性与路面低温抗裂性能存在重要关联，直接决定了路面是否出现低温开裂的本质原因。研究提出了一系列指标表征沥青低温性能(或感温性能)，如沥青劲度、低温延度、针入度指数I_p和针入度黏度指数等^{[12, 13, 14]}。Superpave胶结料规范^[10]低温开裂要求蠕变劲度模量S＜300 MPa，m≥ 0.300标准，当S处于300~600 MPa之间，m＞ 0.300时，采用DTT试验应变参数进行评价。本文利用BBR对不同老化状态沥青进行低温蠕变测试，选取60 s时劲度模量S和变化率m值进行相关分析，数据见表 5。

由表 5可知，PAV老化后增加了沥青蠕变劲度模量，降低了蠕变曲线变化率，说明老化促使沥青低温流变性能降低，提高了沥青适应低温抗裂能力温度，这与上述中温力学性能分析相一致。同时，随温度降低，劲度模量S增加，m值降低，说明环境温度越低对沥青抗裂能力要求就越高，降低了沥青柔性变形和应力松弛能力，见图 6。

图 6 三种沥青PAV老化前后蠕变劲度S和m值随温度变化曲线 Fig. 6 Creep stiffness moduli S and m values of 3 kinds of asphalt varying with temperature before and after PAV aging

图选项

由图 6可知，无论沥青是否老化及低温状况如何，高黏沥青的低温抗裂性能最佳，70^#沥青最差，高模量沥青居中，且随温度降低，其抗裂性能优越性更加显著；沥青的进一步老化也加剧了高模量和高黏沥青之间区辨程度，如-24 ℃时，高模量沥青和高黏沥青S值在老化前后差值分别为10.1 MPa和70.3 MPa，说明PAV老化不仅适合中温抗疲劳性能评价，仍适合低温流变性能分析。

结合低温流变性能研究结论，3种沥青的抗老化性能具有较大区别，整体上看高黏沥青抗老化性能最佳，高模量沥青次之，70^#沥青最差。该结论与高温抗车辙性能、中温抗疲劳性能分析结果存在一定差别，主要存在于高模量沥青和高黏沥青之间。因此，建议结合多因素指标对高模量沥青和高黏沥青抗老化性能进行综合评价分析。

5 结论

(1)Burgers模型参数定义ε_L/ε_p指标能够准确分析黏弹性材料延迟弹性变形随时间增加而恢复的性质，经过20次蠕变-恢复循环，高黏沥青累积变形是高模量沥青的3倍，说明其抗变形能力优于高黏沥青，但高模量沥青受应力水平因素影响比高黏沥青更加显著。

(2)黏弹性参数能够客观反映高模量沥青和高黏沥青的动态力学流变性能，避免部分常规指标缺陷问题。高模量沥青抗车辙能力最佳，高黏沥青的抗疲劳和抗低温开裂能力最佳。但两种沥青基于不同力学流变指标的抗老化能力评价结论也不同。

(3)高模量与高黏沥青PAV老化后，其BBR低温温度敏感性(感温性)降低，老化后提高了沥青的温度稳定性，但降低了沥青的耐低温能力，与规范提出的针入度指数感温指数(正温)评价指标老化沥青变化规律相一致，相比高黏沥青的低温抗裂性能优于高模量沥青。