2018, Vol. 50
2. 河南省交通规划设计研究院有限公司 河南 郑州 450052
2. Henan Provincial Communication Planning & Design Institute Co. Ltd., Zhengzhou 450052, China
沥青路面是我国高等级公路的主要铺筑形式.在传统的热拌沥青混合料生产过程中，沥青与石料的拌合温度通常在150~180 ℃之间，不仅能耗过多，而且产生了大量的CO、SO2、NOx、沥青烟、苯可溶物、苯并[a]芘等有害气体.此外，沥青在高温拌合过程中易发生老化，这将对沥青路面的路用性能产生不同程度的影响.如何在保留热拌沥青混合料良好性能的同时，顺应我国大力倡导的“资源节约型、环境友好型”社会发展战略，引起了国内道路工作者的广泛关注[1-5].Sasobit是一种聚烯烃类化合物，主要作为温拌剂被各国学者研究[6-10]，其克服了传统聚合物改性沥青易离析、施工和易性差等缺点，在大幅降低沥青高温黏度，有效减少能源消耗的同时，能够减少CO、SO2及NOx等有害气体的排放.相关研究表明[11-12]，Sasobit除了具有温拌效果外，还可有效改善沥青的高温性能、感温性能等，具有优良的综合效益.然而，目前对于Sosabit作为改性剂对沥青技术性能的影响研究尚不完善，这在一定程度上影响了Sasobit的推广应用.基于此，本文通过对改性沥青的常规性能试验与Superpave技术指标试验，全面分析Sasobit改性剂对沥青技术性能的影响，为其在实际工程中的大规模应用提供理论依据.
1 原材料与试验方案 1.1 试验原材料 1.1.1 基质沥青试验采用70#道路石油沥青，各项性能指标的检测结果见表 1，符合JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的技术要求.
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表 1 基质沥青性能指标检测结果 Table 1 Test results of performance indexes of matrix asphalt |
Sasobit改性剂为颗粒状产品，由河南陆鹏交通科技股份有限公司提供，其性能指标检测结果见表 2.
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表 2 Sasobit性能指标检测结果 Table 2 Test results of performance indexes of Sasobit |
Sasobit改性沥青制备时，将基质沥青加热至140 ℃，按预定掺配比例称取Sasobit改性剂，分多次投入基质沥青中，在140 ℃左右进行搅拌，搅拌时间一般为25~30 min，使Sasobit改性剂均匀分散于基质沥青中，再在140 ℃恒温烘箱中保温25~30 min.
1.3 试验方案 1.3.1 常规性能试验对掺量(与沥青用量的比值，下同)为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青(外掺法)进行针入度、软化点、延度、短期老化等常规性能试验，并与符合我国技术规范的基质沥青和SBS改性沥青进行对比试验，研究不同掺量Sasobit对沥青常规技术性能的影响规律.
1.3.2 Superpave评价指标性能试验在沥青常规性能试验的基础上，对掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青分别进行动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验和布氏旋转黏度试验，并与符合我国技术规范的基质沥青和SBS改性沥青进行对比试验研究，以此评价Sasobit改性剂对沥青流变性能的影响，并综合考虑性能试验结果及经济因素，推荐Sasobit改性剂的最佳掺量.
2 沥青常规试验结果及分析 2.1 针入度试验分别测试掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青、基质沥青和SBS改性沥青在15 ℃、25 ℃、30 ℃下的针入度值，并据此计算当量软化点T800、当量脆点T1.2和针入度指数PI.具体试验结果见表 3.
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表 3 针入度试验结果 Table 3 Results of penetration test |
由表 3可以看出：
1) 在相同的试验条件下，对于同一试验温度，沥青针入度值均随Sasobit掺量的增加而减小，且均明显低于基质沥青.其中，以25 ℃针入度值为例进行分析.由试验数据可知，掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青的针入度值分别比基质沥青降低了34.0%、36.6%、38.9%、40.9%、42.4%，下降幅度较大.由此表明Sasobit改性剂的掺加使得沥青硬度增大，抗变形能力显著增强；掺量为2.0% Sasobit改性沥青与SBS改性沥青的针入度值相当.
2) 沥青当量软化点T800均随Sasobit掺量的增加而增大，增大幅度在13.1%~17.6%之间，这说明Sasobit改性剂可有效改善基质沥青的高温稳定性；3.5%Sasobit改性沥青与SBS改性沥青的当量软化点T800接近，这在一定程度上表明3.5%Sasobit改性沥青与SBS改性沥青的高温性能相当.
3) 沥青当量脆点T1.2均随Sasobit掺量的增加而增大.掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青的当量脆点T1.2分别比基质沥青升高了1.4%、2.9%、2.9%、5.0%、6.4%，当Sasobit掺量由0增加到4.0%时，T1.2升高了0.9 ℃，虽然升高幅度较小，但在一定程度上表明Sasobit的掺加不利于沥青的低温抗裂性能.SBS改性沥青的当量脆点T1.2均明显低于Sasobit改性沥青和基质沥青，这表明SBS改性沥青的低温性能优于Sasobit改性沥青和基质沥青.
4) 随着Sasobit掺量的增加，PI由负值到正值不断增大，沥青的温度敏感性逐渐降低；SBS改性沥青的PI值明显大于Sasobit改性沥青，表明SBS在改善沥青温度敏感性方面要优于Sasobit改性剂.此外，不同掺量Sasobit改性沥青的针入度指数PI均满足规范中A级沥青的要求.
2.2 软化点试验分别测试掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青、基质沥青和SBS改性沥青的软化点，以评价其高温性能.具体试验结果见表 4.
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表 4 软化点试验结果 Table 4 Results of softening point test |
由表 4可以看出：
1) 在相同的试验条件下，沥青软化点均随Sasobit掺量的增加而增大，且明显高于基质沥青.掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青的软化点分别比基质沥青提高了35.7%、52.3%、70.7%、79.7%、85.2%，这充分说明Sasobit改性剂能够明显改善沥青的高温稳定性，提高其高温抗变形能力.
2) 随着Sasobit掺量的增加，改性沥青软化点增加的幅度逐渐趋于平缓.当Sasobit的掺量由2.0%增加到2.5%时，沥青的软化点增加8.1 ℃；当Sasobit的掺量由2.5%增加到3.0%时，沥青的软化点增加9.0 ℃；当Sasobit的掺量由3.0%增加到3.5%时，沥青的软化点增加4.4 ℃；当Sasobit的掺量由3.5%增加到4.0%时，沥青的软化点增加2.7 ℃.就软化点的变化规律而言，考虑到经济因素，不建议Sasobit的掺量高于3.0%.
3) SBS改性沥青的软化点与3.0%Sasobit改性沥青相接近，从软化点方面来看，3.0%Sasobit改性沥青和SBS改性沥青的高温性能相当.
2.3 延度试验试验温度分别取为5 ℃、15 ℃，采用50 mm/min速度拉伸至断裂，以评价沥青的低温性能.具体试验结果见表 5.
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表 5 延度试验结果 Table 5 Results of ductility test |
由表 5可以看出：
1) 对于同一试验温度，沥青延度均随Sasobit掺量的增加而降低，且明显低于基质沥青.
2)试验温度为5℃时，掺入Sasobit改性剂的沥青会出现脆断的现象，表明在此试验温度下，Sasobit的添加对沥青低温性能非常不利.
3) 试验温度为15 ℃时，掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青的延度分别比基质沥青降低了21.8%、50.6%、64.3%、68.1%、68.5%，充分说明Sasobit的添加使沥青的延展性变差，对沥青的低温性能具有很大的负面影响.
4) 5 ℃时，SBS改性沥青并没有出现脆断现象，且15 ℃时的延度为802.7 mm，明显高于Sasobit改性沥青，说明SBS改性沥青的低温性能明显优于Sasobit改性沥青.
2.4 旋转薄膜烘箱加热试验(RTFOT)分别对掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青、基质沥青和SBS改性沥青进行RTFOT试验，模拟沥青的短期老化过程，并以沥青老化后与老化前的25 ℃针入度比和质量损失作为指标评价其老化性能.具体试验结果见表 6.
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表 6 旋转薄膜烘箱老化试验结果 Table 6 Results of rotating thin film oven aging test |
由表 6可以看出：
1) 在相同的试验条件下，老化前后，25 ℃针入度值均随Sasobit掺量的增大而降低，且明显低于基质沥青.
2) 就老化前后25 ℃针入度比而言，掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青分别比基质沥青提高了9.8%、12.2%、10.1%、7.1%、5.7%；随着Sasobit掺量的增加，老化前后25 ℃针入度比呈现先增加后减小的趋势.其中，当Sasobit掺量大于2.5%时，针入度比随Sasobit掺量的增加而减小.当Sasobit的掺量由2.5%增加到3.0%时，针入度比降低幅度较小，仅为1.4%；当Sasobit的掺量由3.0%增加到4.0%时，针入度比降低2.9%.说明适量的Sasobit可以提升沥青的抗老化性能，但当掺量高于2.5%时，Sasobit改性沥青的抗老化性能又有所降低，尤其是掺量高于3.0%时，对沥青的抗老化性能影响较大.此种现象可以解释为：适量的Sasobit可使沥青结构发生变化，从而提升沥青的抗老化性能，但Sasobit的主要成分是蜡，当掺量过高时，过量的Sasobit对改性沥青的抗老化性能又产生一定的负面影响.因此，建议Sasobit掺量不宜过高.
3) 就质量损失而言，均随Sasobit掺量的增加而增大.这主要是因为Sasobit的成分主要为蜡，其在老化过程中发生性质变化从而导致改性沥青的质量损失，仅由质量损失这一指标并不能说明改性沥青在老化后的性能优劣.
4) SBS改性沥青的针入度比为83.4%，明显高于Sasobit改性沥青和基质沥青，表明SBS改性沥青的抗老化性能优于Sasobit改性沥青.
3 沥青Superpave评价指标试验结果及分析 3.1 动态剪切流变试验(DSR)分别对原样沥青、旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)后的残留沥青和压力老化(PAV)后的残留沥青试样进行DSR试验，以车辙因子G*/sin δ和疲劳因子G*sin δ为指标，评价沥青抵抗永久变形和疲劳开裂的能力.试验结果见表 7~表 9.
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表 7 原样沥青DSR试验结果 Table 7 DSR test results of the original asphalt |
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表 8 RTFOT老化沥青DSR试验结果 Table 8 DSR test results of the RTFOT aging asphalt |
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表 9 PAV老化沥青DSR试验结果 Table 9 DSR test results of the PAV aging asphalt |
试验结果表明：
1) 对于同一试验温度，沥青老化前后的抗车辙因子G*/sin δ均随Sasobit掺量的增加呈明显递增的趋势，说明Sasobit可显著改善沥青的高温流变性能，这与当量软化点T800及软化点试验结果所得结论相吻合.此外，沥青老化前后的相位角δ均随Sasobit掺量的增加而减小，这意味着Sasobit的添加可提高沥青中的弹性成分，从而使沥青的抗车辙能力增强.
2) 对于同种沥青胶结料，沥青老化前后的抗车辙因子G*/sin δ均随试验温度的升高呈明显递减的趋势，且沥青老化前后的相位角δ均呈递增的趋势，表明在高温天气时，沥青胶结料表现出更显著的黏性特征，抗永久变形能力降低，这解释了高温天气时沥青路面更容易出现车辙的现象.
3) 选取老化前后64 ℃时的抗车辙因子G*/sin δ进行单独分析.老化前，掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青分别比基质沥青提高了44.2%、61.6%、72.3%、104.9%、150.0%；老化后，掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青分别比基质沥青提高了4.6%、43.4%、59.8%、67.6%、78.6%.由此可以看出，Sasobit可以显著改善沥青的高温流变特性.
4) 对于PAV老化后的残留沥青，当试验温度为22 ℃时，基质沥青与不同掺量Sasobit改性沥青的疲劳因子G*sin δ均超过5 000 kPa，同时，试验温度为25 ℃时，4.0%掺量Sasobit改性沥青的疲劳因子G*sin δ也超过5 000 kPa，而SHRP规范要求：PAV残留沥青的G*sin δ≤5 000 kPa.因此，对于此规定是否适用于Sasobit改性沥青，还需进一步试验研究.
5) 老化前，对于同一试验温度，SBS改性沥青的抗车辙因子G*/sin δ均大于Sasobit改性沥青；老化后，试验温度为52 ℃、58 ℃、64 ℃时，SBS改性沥青的抗车辙因子G*/sin δ基本都小于Sasobit改性沥青，而试验温度为70 ℃、76 ℃、82 ℃时，SBS改性沥青的抗车辙因子G*/sin δ基本都大于Sasobit改性沥青.由此说明，在高温条件下，SBS改性沥青的抗变形能力高于Sasobit改性沥青，更适用于高温环境，其PG分级可以提高一个等级.此外，经PAV老化后，SBS改性沥青的疲劳因子G*sin δ低于Sasobit改性沥青，一定程度上说明SBS改性沥青的抗疲劳性能优于Sasobit改性沥青.
3.2 弯曲梁流变试验(BBR)分别对RTFOT老化和PAV老化后的基质沥青、不同掺量Sasobit改性沥青及SBS改性沥青进行BBR试验，以蠕变速率m(文中m为回归分析数值)与蠕变劲度模量S为指标，评价沥青的低温流变性.试验共测试了-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃这3种温度下的S和m，并通过回归分析，得出劲度模量临界温度(LST)和蠕变速率临界温度(LmT).试验结果见表 10.
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表 10 PAV老化沥青BBR试验结果 Table 10 BBR test results of the PAV aging asphalt |
试验结果表明：
1) 对于同一试验温度，在相同的试验条件下，蠕变劲度模量S均随Sasobit掺量的增加呈递增趋势，而蠕变速率m均随Sasobit掺量的增加呈递减趋势.其中，选取-12 ℃时的蠕变劲度模量S与蠕变速率m进行单独分析.由试验数据可知，掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0% Sasobit改性沥青的蠕变劲度模量S比基质沥青分别提高了36.4%、40.8%、39.8%、56.5%、60.8%，蠕变速率m比基质沥青分别降低了16.1%、21.2%、23.0%、24.3%、24.6%.由此可以看出，Sasobit的添加对沥青的低温流变性有一定的负面作用，这与当量脆点T1.2及延度试验结果所得结论相吻合.
2) 以试验温度为-12 ℃时为例，对于Sasobit改性沥青而言，当Sasobit的掺量由2.0%增加到2.5%时，蠕变劲度模量S增加7.8 MPa，蠕变速率m降低0.02；当Sasobit的掺量由2.5%增加到3.0%时，蠕变劲度模量S增加-1.8 MPa，蠕变速率m降低0.007；当Sasobit的掺量由3.0%增加到3.5%时，蠕变劲度模量S增加29.9 MPa，蠕变速率m降低0.005；当Sasobit的掺量由3.5%增加到4.0%时，蠕变劲度模量S增加7.6 MPa，蠕变速率m降低0.001.由此反映出随着Sasobit掺量的增加，对改性沥青低温流变性的不利影响越来越明显.因此，Sasobit的掺量不宜过高.
3) 在相同的试验温度下，Sasobit改性沥青的LST和LmT均高于基质沥青，且随Sasobit掺量的增加越来越大，即在达到沥青相同低温脆性时，Sasobit改性沥青所需的环境温度要高于基质沥青，这从另外一个角度表明Sasobit对沥青的低温性能存在一定的负面影响.
4) 蠕变劲度模量S、蠕变速率m和LST、LmT的试验结果均说明SBS的低温抗裂性能优于基质沥青和Sasobit改性沥青.
3.3 PG分级结果沥青PG分级[13]是在3个临界阶段进行沥青DSR试验：第一阶段是将原样沥青在高温级温度下进行DSR试验，测沥青的动态剪切模量G*和相位角δ，要求车辙因子G*/sin δ≥1.0 kPa，以此代表运输、储存和装卸对沥青的基本要求；第二阶段是将该沥青经RTFOT老化后的残留物在高温级温度下进行DSR试验，要求车辙因子G*/sin δ≥2.2 kPa，以此代表沥青经过拌和、摊铺和碾压工序中的短期老化后的性能要求，防止沥青路面的车辙病害；第三阶段是经过RTFOT老化后再经过100 ℃(或90 ℃、110 ℃)条件下压力老化后的残留物在常温下做DSR试验，要求疲劳因子G*sin δ≤5 000 kPa，以此模拟沥青的长期老化，代表沥青路面在长期使用过程中老化与疲劳的性能要求，防止沥青路面的疲劳开裂.
另外，在路面最低温度升高10 ℃的条件下，将经过RTFOT老化和PAV老化后的沥青进行BBR试验，测取沥青的蠕变劲度模量S和蠕变速率m，要求S＜300 MPa，m＞0.3.若测定的劲度模量S>300 MPa，则还需在最低温度升高10 ℃条件下做直接拉伸试验(DT)，要求破坏应变大于1.0%，m仍大于0.3，以代表该沥青能否在该地区最低路面温度条件下满足使用性能要求，防止沥青路面的低温缩裂.
根据3.1节和3.2节测定的试验数据及Superpave沥青规范相关指标要求，确定基质沥青、不同掺量Sasobit改性沥青及SBS改性沥青的PG分级结果如表 11所示.
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表 11 PG分级结果 Table 11 Results of PG grade |
由表 11可以看出，当Sasobit掺量达到3.0%时，可提高沥青的一个高温等级，且低温等级保持不变.但当Sasobit掺量达到3.5%时，沥青的低温等级升高一个等级，说明Sasobit掺量不宜高于3.5%，否则将会对沥青的低温性能产生一定的不利影响.
3.4 布氏旋转黏度试验试验温度取120 ℃、135 ℃，分别测定基质沥青、不同掺量Sasobit改性沥青及SBS改性沥青的布氏旋转黏度.具体试验结果见表 12.
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表 12 布氏旋转黏度试验结果 Table 12 Results of rotating thin film oven aging test |
试验结果表明：
1) 在相同的试验条件下，对于同一试验温度，沥青的布氏旋转黏度均随Sasobit掺量的增加而降低；135 ℃时的布氏旋转黏度值均小于3.0 Pa ·s，符合我国现行技术规范和Superpave沥青规范的要求.
2) 以135 ℃时的布氏旋转黏度为例进行分析，掺量为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的Sasobit改性沥青分别比基质沥青降低了16.3%、19.8%、21.1%、23.4%、25.9%.这表明Sasobit改性剂可有效降低基质沥青的高温黏度，增大高温流动性，改善沥青的施工和易性，起到温拌效果.
3) 在两种试验温度下，SBS改性沥青的布氏旋转黏度值均明显大于Sasobit改性沥青和基质沥青，表明SBS改性沥青的施工和易性不如Sasobit改性沥青；此外，实际施工过程中，SBS改性沥青需要较高的加热温度也说明了这一点.这些充分表明Sasobit改性沥青具有良好的施工和易性.
通过沥青常规性能试验与Superpave评价指标试验，综合考虑基质沥青、不同掺量Sasobit改性沥青和SBS改性沥青的高温性能、低温性能、施工和易性、感温性能试验结果及经济效益，推荐Sasobit的最佳掺量为3.0%.
4 结论本文通过沥青常规性能试验与Superpave评价指标试验，分析了不同掺量Sasobit改性剂对沥青性能的影响规律，由此得出以下结论：
1) Sasobit改性剂的添加可显著改善沥青的高温性能及施工和易性，对沥青的温度敏感性、抗老化性能也有一定的改善作用.
2) Sasobit改性剂的添加对沥青的低温性能具有一定的负面影响.
3) Sasobit改性剂的添加对沥青疲劳性能的影响需要进一步开展相关试验进行验证.
4) 综合改性沥青材料的性价比，推荐Sasobit改性剂的最佳掺量为3.0%，能够保证改性沥青提高一个高温等级，同时低温等级保持不变.
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