随着公路交通事业的发展，路面作为重要的服务设施，其功能要求越来越高。为了满足路面的排水、抗滑及降噪要求，开级配抗滑磨耗层(OGFC)在欧美、日本等国家得到广泛应用^[1-2]，由于我国建设海绵城市的需要，OGFC也将广泛使用，而对于这种大空隙沥青混合料，其混合料结构强度更多依赖沥青结合料的胶结能力^[3]，需要高黏改性沥青在复杂的使用环境中具有较强的高温、低温及疲劳性能。此外，近年来，为了满足路面的高温抗车辙性能, 高黏改性剂也应用到沥青混合料抗车辙设计中。

现有研究表明，高黏改性沥青性能的关键评价指标为60 ℃的黏度^[4-5]，因此，目前关于高黏改性沥青的研究多集中于黏度指标的研究，陈瑶等人以60 ℃黏度作为关键指标，研究了TPS高黏改性剂掺量对不同油源基质沥青改性效果的影响^[6]；丛卓红等人研究了TPS改性剂对沥青针入度、延度、弹性恢复和黏度等影响^[7]，没有全面分析高黏改性剂对沥青高低温性能以及疲劳性能的影响。大量研究表明，沥青高低温流变指标可较好反映沥青的低温性能及与路面实际使用性能的联系^[8-9]，近年来，也有相关研究采用PG分级指标对高黏改性剂的高温流变性能进行研究^[10-12]，但又忽略了对低温性能和疲劳性能的研究。为此，本研究通过分析高黏改性剂对沥青流变学指标的影响，研究了高黏改性剂对沥青高低温和疲劳性能的影响，最后分析高黏改性剂对沥青分级温度的影响。

本研究采用70^#基质沥青，其技术性质见表 1。

本研究所采用3种高黏改性剂，分别为TPS高黏改性剂、H型高黏改性剂和R型高黏改性剂，其中TPS为日本进口高黏改性剂，H型和R型为国产高黏改性剂，3种改性剂如图 1所示，从外观看均呈淡黄色。其主要成分为热塑性橡胶、黏结性树脂和增塑剂等其他成分，采用机械搅拌可使普通沥青改良成高黏沥青，可以直接投放到集料和基质沥青中拌和。本研究制备高黏沥青的工艺为：将70^#沥青加热到(170±5) ℃，加入高黏改性剂(质量分数分别为4%，8%和12%)，采用高速剪切机搅拌，低速搅拌15 min，同时手工搅拌，然后在高速剪切30 min，使改性剂均匀稳定分散到沥青中。

图 1 高黏改性剂 Fig. 1 High viscosity modifiers

按照文献[13]中“沥青流变性质试验(动态剪切流变仪法)(T0628—2011)”、“沥青弯曲蠕变劲度试验(弯曲梁流变仪法) (T0627—2011)”、“压力老化容器加速沥青老化试验(T0630—2011)”、“沥青旋转薄膜加热试验(T0610—2011)”、ASTM D6373“沥青结合料PG分级的标准规范”和ASTM D7643“沥青结合料PG分级的连续分级温度和等级的测定规程”6项试验规程规定，进行不同高黏改性剂及各掺量下沥青在初始状态、旋转薄膜加热后(RTFOT)的动态剪切流变(DSR)-车辙因子试验，以及在压力老化(PAV)后的DSR-疲劳因子试验和低温弯曲流变(BBR)试验。其中PAV试验在100 ℃下进行，RTFOT老化后所有试样的质量损失在0.2%~0.7%之间，均低于1%。

美国SHRP分级指标中推荐采用车辙因子(G^*/sin δ)综合评价沥青的高温性能，在高温条件下，沥青的G^*/sin δ越大，其高温流动性能越差，抗车辙变形的能力越强^[14]。本研究采用的不同掺量及不同品种高黏改性剂改性沥青的G^*/sin δ的试验结果如图 2~图 4所示。

图 2 TPS高黏改性沥青车辙因子 Fig. 2 Rutting factors of TPS high viscosity modified asphalt

图 3 R型高黏改性沥青车辙因子 Fig. 3 Rutting factors of R type high viscosity modified asphalt

图 4 H型高黏改性沥青车辙因子 Fig. 4 Rutting factors of H type high viscosity modified asphalt

图 2~图 4中数据表明，随着温度的升高，高黏改性沥青的G^*/sin δ，均逐步减小，且衰变规律呈指数分布。RTFOT老化后，G^*/sin δ普遍大幅度提高，国产R型和H型高黏改性沥青在RTFOT老化后，提高幅度相对较大，尤以R型高黏改性沥青的变化最为明显，其4%掺量下改性沥青的G^*/sin δ在RTFOT老化后，64 ℃测试结果提高了约1.2倍，H型高黏改性沥青提高了约61.1%，但是在温度升高后，G^*/sin δ衰减迅速。TPS高黏改性沥青在RTFOT老化后，其提高幅度相对较小，其4%掺量下改性沥青的G^*/sin δ在RTFOT老化后，64 ℃测试结果提高了约39.2%，G^*/sin δ随温度的变化规律与原样相差不大。这说明，RTFOT老化后，提高了高黏改性沥青的高温抗流变性能，但是同时也说明，相对TPS高黏改性剂，国产R型和H型高黏改性剂的老化相对严重，在RTFOT老化后破坏了高黏改性沥青的分子结构，致使其温度敏感性增大，高温流变性能随温度衰变较大。

以70 ℃下测试得到的G^*/sin δ为例，如图 5所示，说明G^*/sin δ随高黏改性剂掺量的变化。图 5中的数据说明，相对于不掺高黏改性剂的70^#基质沥青，不同高黏改性剂改性后，沥青的G^*/sin δ均显著提高。随改性剂掺量的增加G^*/sin δ均逐渐提高，这说明，高黏改性剂可显著提高沥青的高温流变性能。同时，图 5中的数据表明，H型高黏改性剂改性沥青的高温流变性能显著优于R型和TPS改性沥青的高温流变性能，由于TPS高黏改性沥青的G^*/sin δ随TPS的掺量增加增长缓慢，在改性剂掺量超过5%后，R型改性剂的G^*/sin δ超过TPS高黏改性沥青，大致说来，高黏改性剂对沥青的高温流变性能的提高从强到弱排序为：H型，R型和TPS。

图 5 70 ℃下高黏改性沥青车辙因子 Fig. 5 Rutting factors of high viscosity modified asphalt at 70 ℃

SHRP研究认为，沥青的弯曲劲度模量S越大，沥青越偏脆性，铺筑的沥青路面越容易开裂。当弯曲劲度模量S随时间的变化率m值越大，则路面在低温收缩时，相当于沥青可以降低弯曲劲度模量，路面材料的拉应力减小，产生低温开裂的可能性减小^[15]。本研究对高黏改性沥青在不同温度下的弯曲劲度模量S和m值进行了测试，如图 6和图 7所示。

图 6 弯曲劲度模量S值 Fig. 6 Values of bending stiffness modulus S

图 7 m值 Fig. 7 Values of m

图 6中的数据表明，高黏改性沥青的弯曲劲度模量S随温度的升高逐渐降低，变化规律呈现指数分布。温度越低，不同高黏改性剂之间和不同掺量改性剂之间的弯曲劲度模量S差异越明显，在-6 ℃时，高黏改性沥青试样之间的弯曲劲度模量几乎无显著差异。而图 7中的m值的规律与之相反，温度越高，m值越大，也呈现较好的指数分布变化规律。温度越高，不同沥青之间m值的差异越大。这说明，在低温时主要区分高黏改性沥青低温性能的指标为弯曲劲度模量S值，负温下，相对高温时，区分高黏改性沥青低温性能的指标为m值。

以-24 ℃和-12 ℃的弯曲劲度模量和m值为例，分析高黏改性剂品种和掺量对沥青低温性能的影响，指标随掺量的变化曲线如图 8和图 9所示。从图 8可以看出，随着高黏改性剂掺量的增多，其弯曲劲度模量S具有减小的趋势。整体来说，高黏改性剂的掺入，降低了沥青在低温环境中的弯曲劲度模量S，温度越低弯曲劲度模量S降低幅度越明显。在不同温度环境下，不同高黏改性剂对沥青弯曲劲度模量S有不同的影响影响，在-24 ℃下H型高黏改性沥青的弯曲劲度模量S最大，TPS最小，但是在-12 ℃时，R型高黏改性剂的劲度模量S最大，R型和TPS高黏改性沥青的弯曲劲度模量S较为接近。

图 8 S值随高黏改性剂掺量的变化 Fig. 8 Value of S varying with content of high viscosity modifier

图 9 m值随高黏改性剂掺量的变化 Fig. 9 Value of m varying with content of high viscosity modifier

从图 9中的数据可以看出，随着高黏改性剂掺量的增多，H型和TPS高黏改性沥青的m值有增大的趋势，R型改性沥青的m值减小，综合图 8的分析，H型和TPS高黏改性剂掺量越多，沥青低温流变性能越好，R型高黏改性沥青较为复杂。相对70^#基质沥青，高黏改性剂的加入降低了沥青的m值，从该指标来说，高黏改性剂的掺入降低了沥青的低温流变性能。弯曲劲度模量S与m值评价结果不一致，为了3种高黏改性剂对沥青低温流变性能影响的优劣，对3种高黏改性沥青低负温(-24 ℃)下的弯曲劲度模量S和高负温(-12 ℃)下的m值排序加权，低温流变影响效果从好到差依次为：TPS，H型和R型。

基于对路面年平均温度下抗疲劳的性能要求，SHRP提出了疲劳因子G^*sin δ指标，G^*sin δ越大，沥青的黏性成分越高，弹性成分G^*cos δ也相对提高，路面不能有效地消散应力，即发生疲劳开裂。本研究对高黏改性沥青的疲劳因子G^*sin δ进行了测试，结果如图 10~图 12所示。

图 10 TPS高黏改性沥青疲劳因子 Fig. 10 Fatigue factors of TPS high viscosity modified asphalt

图 11 R型高黏改性沥青疲劳因子 Fig. 11 Fatigue factors of R type high viscosity modified asphalt

图 12 H型高黏改性沥青疲劳因子 Fig. 12 Fatigue factors of H type high viscosity modified asphalt

图 10~图 12中的数据表明，沥青的G^*sin δ随温度的升高而降低，降低的规律呈指数分布不同温度下，沥青的高黏改性剂掺量越高，G^*sin δ越小。为了分析G^*sin δ随高黏改性剂掺量的变化，提取了25 ℃下的G^*sin δ试验结果，如图 13所示。可以看出，高黏改性剂掺量越大，沥青的抗疲劳能力越强，但是相对70^#基质沥青，9%以上的H型高黏改性剂和7%的TPS高黏改性剂改性沥青的G^*sin δ得到改善，R型高黏改性剂掺入后变差。高黏改性剂掺量每提高4%，TPS高黏改性沥青的G^*sin δ降低约19.5%，H型高黏改性沥青的G^*sin δ降低约16.7%，R型高黏改性沥青的G^*sin δ降低约10.7%，对疲劳流变性能的影响从好到差排序为：TPS，H型和R型。

图 13 25 ℃下高黏改性沥青疲劳因子 Fig. 13 Fatigue factors of high viscosity modified asphalt at 25 ℃

ASTM D7643规定，沥青PG分级的上、中、下限温度的确定应满足以下要求：①确定上限温度时，将原样沥青及RTFOT后的G^*/sin δ作为指标，依据原样沥青的G^*/sin δ≥ 1.00 kPa, RTFOT后残留沥青的G^*/sin δ≥2.20 kPa确定上限温度；②确定中限温度时，PAV老化后残留沥青的G^*sin δ≤5 000 kPa；③确定下限温度时，PAV老化沥青残留物的弯曲劲度模量S≤300 MPa，60 s的m值≥0.300^[16-18]。依据本研究所得到的各指标数据拟合得到的指数方程，确定达到上述指标时的温度限值，如表 2所示。其中由于测试程序的限制，超过88 ℃的上限温度结果，均为拟合方程的预测值。

表 2中的数据表明，除掺量为4%的R型高黏改性沥青，本研究所采用的沥青原样测得的G^*/sin δ确定的PG分级上限温度比RTFOT老化后测得的G^*/sin δ确定的PG分级上限温度高，所以上限温度基本由RTFOT老化后测得的G^*/sin δ确定；弯曲劲度模量S确定的下限温度，相对m值确定的下限温度要低，因此下限温度由m值确定；SHRP规定，按照中间温度=(UT+LT)/2+4来计算及预测中间温度，试验结果表明，实测结果远低于预测中间温度，且高黏改性剂掺量越高，预测中间温度与实测中间温度之间的差异越大；在对高黏改性沥青进行PG分级时发现，其中限温度在确定PG分级下限温度时，不起作用，仅依赖m值；PG分级结果表明，高黏改性剂虽对沥青的高温、低温和疲劳性能具有显著影响，但基本不影响低温分级结果，主要影响高温分级结果。

本研究采用DSR和BBR对高黏改性剂对沥青高温、低温和疲劳性能的影响进行了研究，得出以下试验结论：

(1) 高黏改性剂可显著提高沥青的车辙因子，国产H型和R型高黏改性剂较日本TPS高黏改性剂具有更好的效果，但老化后H型高黏改性剂和R型高黏改性剂的车辙因子较高，但随温度升高衰变剧烈。

(2) 在低温时主要区分高黏改性沥青低温性能的指标为弯曲劲度模量S值，相对高温时，区分高黏改性沥青低温性能的指标为m值。H型和TPS高黏改性剂掺量越多，沥青低温流变性能越好，R型高黏改性沥青随掺量的变化规律较为复杂。

(3) 一定掺量下，TPS高黏改性剂和H型高黏改性剂对沥青的抗疲劳性能具有改善作用，但是R型高黏改性剂对沥青的抗疲劳性能不利。

(4) 高黏改性剂对沥青PG分级的高温分级结果影响显著，对低温分级结果影响较小。