瀝青路面憑借修建、養(yǎng)護(hù)周期短，路面平整，行車舒適等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)。然而，部分地區(qū)冬季嚴(yán)寒(最低溫度達(dá)-30℃以下)，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(yán)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(diǎn)，降低其脆化溫度，同時(shí)提高路面的耐久性能。
目前，對(duì)千提高聚合物改性瀝青高溫性能的看法比較一致；而對(duì)低溫性能，盡管已有系列評(píng)價(jià)方法，但這些方法對(duì)不同改性瀝青的適用性仍有待進(jìn)一步研究[1]。本文在概述聚合物改性瀝青原理和性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)總結(jié)聚合物改性瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)方法，分析其對(duì)改性瀝青的適用性，并展望聚合物改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)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(jī)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(gè)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(shí)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(shí)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(chǔ)存穩(wěn)定性差，儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中膠粉顆粒容易沉降。這是因?yàn)闊峁绦缘哪z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(xì)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(jìn)一步控制膠粉的降解情況，Cheng等[7]采用低溫?cái)嚢杈偷責(zé)嵩偕夹g(shù)對(duì)膠粉進(jìn)行脫硫活化處理，并研究了再生工藝對(duì)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(shí)橡膠的三維網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)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(píng)價(jià)
改性瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)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(diǎn)、低溫針入度等經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)以及BBR試驗(yàn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均被用于評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能。然而，實(shí)際使用過程發(fā)現(xiàn)，改性瀝青是一個(gè)復(fù)雜體系，聚合物的存在及其分散狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，部分指標(biāo)并不能正確反映改性瀝青的低溫性能，甚至瀝青試驗(yàn)結(jié)果與混合料的低溫性能矛盾。因此，針對(duì)均質(zhì)和非均質(zhì)的改性瀝青體系，詳細(xì)分析其常用的低溫性能評(píng)價(jià)方法，以期為改性瀝青的工業(yè)性能評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。
均質(zhì)體系評(píng)價(jià)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(chǔ)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(shí)體系均一，改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)結(jié)果能基本反映整體改性瀝青的狀態(tài)，然而受到評(píng)價(jià)方法原理和操作的影響，不同的評(píng)價(jià)方法適用性不同。
(1)低溫延度與測(cè)力延度
瀝青的延度作為評(píng)價(jià)瀝青常規(guī)性能的三大指標(biāo)之一，由千操作簡(jiǎn)便，結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)被廣泛使用。延度表示特定長(zhǎng)度的瀝青樣品在指定溫度和拉伸速率時(shí)直至試件拉斷所能進(jìn)行的最大伸長(zhǎng)長(zhǎng)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(píng)價(jià)改性瀝青低溫抗裂性能的重要指標(biāo)。相同溫度時(shí)，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(píng)價(jià)見表1。
(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(duì)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(duì)應(yīng)的溫度，此時(shí)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(shí)質(zhì)是瀝青在實(shí)際使用溫度時(shí)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(duì)應(yīng)[18]。因此，可用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)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(yuǎn)低千改性瀝青的最低服務(wù)溫度時(shí)，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(duì)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(cè)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(yàn)證實(shí)改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與其低溫性能存在直接對(duì)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(shí)際可行性。不同的聚合物改性瀝青對(duì)應(yīng)不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這是因?yàn)榫酆衔锎嬖诓煌慕Y(jié)晶形態(tài)和吸放熱，同時(shí)聚合物與瀝青的相容性以及兩者相互作用不同[19，21]。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析法(DMA)通過測(cè)定瀝青材料的動(dòng)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(píng)價(jià)其低溫性能更加合理。然而，與延度和弗拉斯脆點(diǎn)法相比，采用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)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(jìn)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?cè)囼?yàn)(BBR)
彎曲梁流變?cè)囼?yàn)是美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP計(jì)劃)規(guī)定的瀝青低溫性能評(píng)價(jià)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最常用和最高效的手段之一。其中蠕變勁度和蠕變速率是評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的兩個(gè)常用指標(biāo)，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(cè)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(píng)價(jià)瀝青低溫性能的研究。Kok等[23]通過試驗(yàn)證實(shí)BBR的測(cè)試結(jié)果與混合料低溫性能相關(guān)性較高。隨后，Rezaei[24]運(yùn)用BBR研究了改性劑SBS對(duì)瀝青低溫性能的改善機(jī)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(duì)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(duì)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)果的精確性遠(yuǎn)高于低溫延度和Frass脆點(diǎn)。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?yàn)椴捎眯切蚐BS改性瀝青更有助千構(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(yàn)可以有效評(píng)價(jià)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(yàn)采用6℃的分級(jí)溫度結(jié)果，分級(jí)的溫度間差異較大，難以評(píng)價(jià)低溫性能接近的改性瀝青；此外，目前針對(duì)BBR試驗(yàn)的分析多采用勁度模量和蠕變速率等單一指標(biāo)，缺乏對(duì)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(píng)價(jià)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?yàn)閺U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(dá)毫米尺度，容易聚集，導(dǎo)致瀝青樣品性能測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定。
目前對(duì)橡膠瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)方法仍參照均質(zhì)的聚合物改性瀝青進(jìn)行。徐俊旺[28]研究了5℃延度、弗拉斯脆點(diǎn)以及BBR試驗(yàn)對(duì)橡膠瀝青的適用情況。結(jié)果表明，5℃延度的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際矛盾，不宜用作橡膠瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；弗拉斯脆點(diǎn)一定程度可用于橡膠瀝青低溫性能評(píng)價(jià)，但部分樣品的區(qū)分度不明顯；BBR試驗(yàn)獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果與混合料低溫評(píng)價(jià)一致性高，該法相比前兩者對(duì)橡膠瀝青的適用性更強(qiáng)。然而，由于橡膠瀝青為非均質(zhì)狀態(tài)，以上測(cè)試結(jié)果僅具備參考價(jià)值而無實(shí)際物理意義，必須采用適當(dāng)?shù)墓に噷?duì)膠粉進(jìn)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(duì)其低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。如董瑞琨等[29]利用DSC和BBR研究了高溫裂解工藝對(duì)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(shí)的勁度模量?jī)H為SBS改性瀝青的一半[30]。
對(duì)千非均質(zhì)瀝青體系的低溫性能評(píng)價(jià)，必須將其制備成對(duì)應(yīng)的瀝青混合料，進(jìn)行瀝青混合料的低溫抗裂性能試驗(yàn)，如等應(yīng)變加載破壞試驗(yàn)、彎曲拉伸蠕變?cè)囼?yàn)、受限試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲J積分試驗(yàn)、收縮系數(shù)試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)以及等[31]。
總結(jié)與展望
a)改性瀝青的低溫延度測(cè)試未充分考慮不同聚合物的低溫敏感性，測(cè)試結(jié)果與混合料低溫性能相差大，但操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用較廣；測(cè)力延度的測(cè)試原理相對(duì)低溫延度有所改進(jìn)，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(shí)際有偏差。
b)弗拉斯脆點(diǎn)尤其適用千基質(zhì)瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)，其測(cè)試結(jié)果對(duì)千評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能有參考價(jià)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(shí)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(biāo)評(píng)價(jià)改性瀝青的研究相對(duì)較少，其對(duì)不同種類改性瀝青低溫性能的適用性仍有待進(jìn)一步開展。
d)彎曲梁流變?cè)囼?yàn)可以有效評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能，評(píng)價(jià)結(jié)果與混合料低溫抗開裂測(cè)試結(jié)果的一致性高，不僅能夠表征改性低溫性能的好壞，還能高效區(qū)分不同種類的改性瀝青，然而其評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果對(duì)非均質(zhì)瀝青體系僅有參考價(jià)值，對(duì)應(yīng)混合料的低溫抗開裂性能評(píng)價(jià)才能真實(shí)反映瀝青材料的低溫性能。
f)因?yàn)r青容易老化，評(píng)價(jià)其低溫性能時(shí)有必要考慮老化后瀝青的脆性指標(biāo)。
來源：中國瀝青路面網(wǎng)
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