工厂预制-现场安装工法是土木结构施工技术的重要发展趋势。在路面工程领域，应用较多的是砌块路面技术，如采用预制水泥混凝土块、条石、块石和砖等铺设路面。此外也有采用预制水泥混凝土板铺设混凝土路面的技术，但在沥青路面的预制-现场安装技术上由于难度大，国内外相关研究很少。1996年，荷兰公共设施和水利工程管理局启动了一项持续至今的Roads to the Future研究计划，其中一部分就是模块化路面铺装技术。此项目开发了可卷曲预制沥青路面(Rollpave)产品和技术，该技术的特点就是预制柔性的可卷放的沥青路面铺装层，施工时则在现场如铺开地毯一样铺设安装，见图 1，从而快速完成施工并迅速开放交通^{[1, 2]}。

图 1 Rollpave施工图 Fig. 1 Rollpave construction

图选项

从2001年起，荷兰先后铺筑了多条Rollpave试验段，但由于其结合料力学性能较差，该技术在荷兰基本停留在研发阶段，没有大面积应用^{[3, 4]}。除荷兰外，未见其他国家有相关报道，我国对此类预制技术的研究还属于空白。为确保预制沥青路面具有良好的可卷曲特性，同时又满足路面使用要求的力学性能，本文研发了用于Rollpave的改性沥青，并与SBS改性沥青做对比，评价其沥青及沥青混合料的路用性能，力图为可卷曲预制沥青路面的研究得出一些有益结论。

为确保可卷曲预制沥青路面(Rollpave)在卷曲的过程中不开裂，其沥青胶结料在常温或较低温度(0~30 ℃)条件下应具备足够的强度和柔韧性。目前常用的改性沥青主要有以下3大类：以聚乙烯(PE)为代表的热塑性树脂类，以丁苯胶乳(SBR)为代表的天然和合成橡胶类和以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)为代表的热塑性弹性体类。由于热塑性弹性体类改性沥青具有高、低温性能优良，弹性恢复好，抗老化能力强等优点，本项目采用专用改性粒子与SBS对基质沥青复合改性的方式制备Rollpave专用改性沥青。

基质沥青：SK-70。

改性剂：研发的可卷曲路面专用粒子GTA-1、GTA-2和SBS颗粒。

软化剂：糠醛抽出油、环烷复合油。

助剂：A(增塑剂)、B(相溶稳定剂)。

制备工艺对改性沥青性能的影响尤为重要，本文采用均匀试验设计，在不同的剪切速率、剪切时间以及剪切温度下制备同一改性剂掺量的改性沥青样品，如表 1所示。通过考察改性沥青的延度来确定Rollpave专用沥青的最佳改性工艺参数，以制备性能优异的改性沥青。

对表 1中的参数与结果进行分析，其回归方程为：

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式(1)中，x₁，x₂，x₃的系数为正，表明延度指标随着x₁，x₂，x₃的增加而增加，因此在确定优方案时，3个因素的取值应偏上限。对偏回归系数进行t检验时，|t|越大，所对应的因素越重要。根据计算结果可知，3种因素的主次顺序为剪切速率>剪切温度>剪切时间。

剪切时间的延长有助于改性剂颗粒均匀地分散在基质沥青中，形成均匀体系，但时间过长会加速改性沥青的老化，且该因素对试验结果的影响相对较小，因而在今后的试验时，剪切时间的取值可适当减短。

综上，具体制备方案如下：

先将基质沥青加热至软化流动，加入不同剂量的改性粒子GTA、SBS颗粒和软化剂，将温度控制在170~180 ℃之间，用高速剪切机在剪切速率为5 000~5 500 r/min，剪切30 min，使改性粒子与SBS颗粒充分溶胀。依次加入一定剂量的A、B助剂后，再剪切30 min，温度与剪切速率与之前相同。将剪切后的改性沥青放入烘箱，温度控制在170 ℃左右，发育30 min后得到可卷曲沥青路面专用改性沥青。

为满足Rollpave改性沥青混合料不同路用性能的需求，本项目研发了两种改性沥青。使用显微镜热台压片观察在相同的制备工艺下，两种不同改性剂掺量的改性沥青微观形态结构，如图 2所示。

图 2 不同改性剂掺量的改性沥青微观形态结构 Fig. 2 Microscopic morphology of modified asphalt with different modifier contents

图选项

图 2(a)所示为RV改性沥青的微观结构，由SBS/GTA1复合而成，呈浅色的高分子聚合物已形成了连续相，并与呈黑色的沥青近似形成双连续相。图 2(b)所示为RT改性沥青的微观结构，由SBS/GTA2复合而成，聚合物所形成的连续相面积远远大于RV改性沥青，沥青分散相面积随之迅速缩减。

本文按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)操作，通过测试沥青在15，25，30 ℃的针入度来评价其感温性，测试5 ℃延度评价其低温性能，测试软化点评价其高温性能，测试60 ℃动力黏度和135，175 ℃布氏黏度评价其黏温流变特性^[6]。将3种沥青结合料进行对比，分别为秦皇岛SBS改性沥青、Rollpave专用改性沥青RV、RT，其测试结果如表 2所示。

从表 2的针入度数据可以看出，RV、RT两种改性沥青具有较大差异，3个测试温度下改性沥青RV的针入度数据均为改性沥青RT的50%左右，同时也始终小于SBS改性沥青；改性沥青RT在15 ℃时的针入度为SBS改性沥青的1.86倍，随着温度的升高，其在30 ℃时的针入度仅为SBS改性沥青的1.11倍。研究表明，针入度值愈大，表示沥青愈软，沥青的黏度愈低^[7]。然而改性沥青RT的针入度最小，60 ℃动力黏度却最大，因而对于相变反转后的改性沥青，这一结论还是否适用，有待于进一步的研究。

针入度指数PI越大，表示沥青的感温性越低。常见沥青的PI在-1 ~ 1之间，如SBS改性沥青。由表 2可知，自制改性沥青RV、RT的PI高达2.32和3.86，说明其感温性远远优于SBS改性沥青。对于普通沥青来讲，当PI>2时，认为该沥青为凝胶型沥青，由沥青中的胶团形成网状结构。该种沥青虽有较低的温度感应性，但低温变形能力较差^[8]。本文研发的改性沥青与凝胶型沥青不同，形成空间网状结构的是高分子聚合物而非沥青质和胶质组成的胶团，从图 2中便可清晰地看到这一点。表 2中的低温延度数据亦可证明这一点，当延度测试到30.1 cm和61.8 cm时，改性沥青RV、RT与端模脱离而非在试模中间发生断裂，见图 3，故二者的低温性能较SBS改性沥青分别至少提高了1.26倍和2.59倍。

图 3 沥青脱模示意图 Fig. 3 Schematic diagram of asphalt demolding

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软化点为沥青达到规定条件黏度时的温度，通常认为，沥青硬、针入度小的沥青软化点就高，对于RT改性沥青来说，该结论并不适用。RV、RT两种沥青的软化点大于100 ℃，说明这两种沥青的高温稳定性优于SBS改性沥青。

根据黏温半对数线性方程^[9]，按照(0.17±0.02)Pa·s黏度确定自制改性沥青的拌和温度范围为230~235 ℃；按照(0.28±0.03)Pa·s黏度确定自制改性沥青的压实成型温度范围为217~222 ℃。由于自制改性沥青具有明显的非牛顿性质，利用上述方法确定改性沥青的拌和和压实温度明显偏高。参照用于排水路面的高黏沥青结合料的软化点、黏度等技术指标^[10]，最终确定拌和温度范围为180~185 ℃、碾压温度范围为165~170 ℃是相对合理的。

根据Superpave沥青结合料规范中有关要求，利用DSR测试原样沥青的动态剪切模量G^*和相位角δ，以抗车辙因子G^*/sin(δ)>1.0 kPa来表征沥青的高温性能。本文以恒定角速率10 rad/s进行动态剪切测试，结果如表 3所示。

表 3 车辙因子测试结果 Tab. 3 G^*/sin(δ)test result

沥青类型
	76	82	88	94	100
SBS	1.36	1.01	—	—	—
RV	8.47	6.86	5.26	4.21	3.58
RT	10.91	9.44	9.01	7.69	5.77

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由表 3可以看出，SBS改性沥青的高温等级为82，本项目研发的RV、RT改性沥青在100 ℃下的车辙因子分别为3.58和5.77，从其车辙因子随温度升高的变化规律来看，失效时的温度至少在112 ℃以上，表明RV、RT改性沥青的高温性能较SBS改性沥青有显著提高。

近年来研究发现，零剪切黏度(ZSV)与改性沥青混合料的抗车辙性能相关性明显高于车辙因子^[11]。本文通过DSR试验的频率扫描加载模式，在60 ℃的测试温度下，在0.01~100 rad/s的频率范围内对3种沥青进行动态频率扫描，并采用Carreau模型的简化公式计算ZSV^[12]，即:

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3种沥青60 ℃的频率扫描结果见图 4，按照Carreau模型的简化公式拟合的结果见表 4。

图 4 60 ℃动态频率扫描试验结果 Fig. 4 60 ℃ dynamic frequency scanning test result

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由图 4可知，3种沥青的复合黏度随着加载频率的增加而降低；与SBS改性沥青不同，RV、RT两种沥青的复合黏度未在低频条件下(0.01~1 rad/s)出现平台区，复合黏度曲线越陡，对应的零剪切黏度越大，如表 4所示。根据黏弹性材料时温等效原理，低频对应高温，从另一个角度说明RV、RT两种沥青的高温性能远远优于SBS改性沥青。

利用BBR测试沥青的蠕变劲度S和蠕变速率m，以60 s时的S<300 MPa，m>0.3来表征沥青的低温性能^{[7, 8]}。本研究采用ATS公司生产BBR试验仪进行沥青低温弯曲蠕变试验，当试验温度为-12 ℃时，RT改性沥青试件在荷载作用下形变大于4 mm，根据规范要求结果无效。故3种沥青统一从-18 ℃开始测试，不同试验温度测试的S和m值列于表 5。

有研究表明，SBS改性沥青的应力松弛模式与基质沥青差异显著，导致PG分级的方法会低估SBS改性沥青的低温抗裂性^[13]。上述3种沥青均含有SBS，其中SBS改性沥青中的SBS含量与RV改性沥青的接近，小于RT改性沥青，因而认为这3种沥青在BBR试验中具有一定的可比性。由表 5可知，SBS改性沥青、RV 改性沥青和RT改性沥青试验失败的温度分别为-18，-24 ℃和-36 ℃，说明与SBS改性沥青相比，RV改性沥青的低温抗裂能力有所增强；RT改性沥青的低温抗裂能力显著优于SBS改性沥青和RV改性沥青。

与常规沥青混合料相比，具有良好的弯曲变形特性是可卷曲预制沥青混合料最为突出的特点。文献^[14]对16组沥青混合料的弯曲性能进行了比较与分析，认为最大粒径、2.36 mm筛孔通过率、粉胶比等因素对沥青混合料的弯曲性能影响较大。本研究为了兼顾沥青混合料的高、低温性能，并考虑上述影响因素，设计了一种骨架密实型级配的可卷曲沥青混合料，设计级配如图 5所示。

图 5 可卷曲沥青混合料设计级配曲线 Fig. 5 Rollable asphalt mixture design grading curve

图选项

分别使用RV、RT改性沥青制备可卷曲沥青混合料，油石比为7.5%，并与SBS改性沥青混合料性能进行对比。

采用60 ℃的车辙试验和-10 ℃的小梁弯曲试验评价沥青混合料的高、低温性能，测试结果如表 6所示。

表 6中RV、RT两种改性沥青混合料的动稳定度分别为SBS改性沥青的2.03和1.32倍，说明本文研制的改性沥青明显提高了混合料的高温性能，其中RV沥青的改性效果最为明显。

RT改性沥青的破坏应变较大而抗弯拉强度较小，RV改性沥青混合料与之相反，SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度和破坏应变均为最小。其中RT沥青的改性效果最为明显，破坏应变为其他两种沥青混合料的7.39和5.30倍。

本研究的目的是开发一种沥青混合料，使预制沥青路面在常温或较低温度下能够卷曲和铺放而不开裂。由于沥青混合料为黏弹性材料，其力学响应受温度和加载速率的影响较大，因而试验条件为-10 ℃、加载速率为50 mm/min的小梁弯曲试验并不能很好地评价混合料的常温弯曲性能。文献^[15]根据可卷曲预制沥青路面施工的温度、卷曲和铺放的速度以及卷曲设备的尺寸，认为采用10 ℃、20 mm/min的加载速率的小梁弯曲试验来评价混合料的常温弯曲性能比较合适。本文按照上述试验条件对3种沥青混合料进行了试验，测试结果见图 6。

图 6 3种沥青混合料常温弯曲试验结果 Fig. 6 Bending test result of 3 kinds of asphalt mixture at normal temperature

图选项

相同的级配类型，采用RV改性沥青的混合料的跨中挠度为SBS改性沥青混合料的2.59倍，而RT改性沥青混合料的跨中挠度分别为RV改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料的3.18倍和9.42倍。与此同时，RV改性沥青混合料、RT改性沥青混合料的抗弯拉强度依次仅为SBS改性沥青混合料的56.5%和18.6%。根据文献^[14]的研究成果，RV、RT改性沥青混合料可以满足预制卷曲沥青路面所需的变形要求。

采用简单性能试验机(SPT)测试沥青混合料的动态模量E^*和相位角δ，来评价混合料的力学性能。文献^[15]指出，由5组测试温度下的动态模量回归的主曲线与3组温度下回归的几乎一样。故本文仅测试10，25 ℃和40 ℃下的动态模量，加载频率分别为0.01，0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20，25 Hz，表 7仅列出10 Hz加载频率下的试验结果。

由表 7可知，随着温度的升高，混合料的动态模量逐渐降低，而相位角增大。10 ℃和40 ℃下，3种混合料的E^*大小排序与3.3节的弯曲试验和3.2节的车辙试验分析结果相同。

根据时温等效原理，使用非线性最小二乘法将不同温度的测试曲线平移至参考温度(T₀=25 ℃)下，并用Sigmodial函数对合成的曲线进行拟合，3种沥青混合料的动态模量主曲线如图 7所示。

图 7 3种沥青混合料动态模量主曲线 Fig. 7 Dynamic modulus master curves of 3 kinds of asphalt mixture

图选项

(1)本文针对可卷曲预制沥青路面的特点，开发了RV、RT两种专用改性沥青，使其沥青混合料可承受较大弯曲变形。通过均匀设计试验确定了改性沥青的制备工艺。

(2)从常规性能指标来看，由于掺入适量的GTA-1/SBS或GTA-2/SBS改性粒子，使得聚合物在沥青中形成连续相，可显著提升沥青的高低温性能。采用DSR和BBR试验，进一步评价研发的两种沥青性能，测试结果与常规试验得到的结论进步相同。

(3)沥青类型对混合料性能影响较大，RV、RT改性沥青混合料的高低温性能优于SBS改性沥青混合料。10 ℃小梁弯曲试验结果表明，RV、RT改性沥青混合料可以满足预制卷曲沥青路面所需的变形要求。

(4)RV改性沥青混合料的高温性能优异，更适用于高温、重载；RT改性沥青混合料低温变形性能较好，适用于低温施工。实际应用时可结合技术指标和经济要求选取不同沥青混合料。

(5)通过不同沥青混合料的动态模量主曲线，对可卷曲沥青混合料的力学特性进行了全面的描述和比较。