两种试验方法中不同改性沥青低温性能比较研究

余致力 赵旭菁

摘要：节能环保材料在道路建设中受到国内外学者青睐，新材料的应用有益于我国的可持续发展。本研究通过小梁弯曲蠕变试验（BBR）和新型低温沥青混合料裂缝测量试验（ABCD）对使用了Sasobit、再生沥青瓦（RAS）、再生沥青（RAP）、生物油这四种改性剂的路面材料低温性能进行了测试评价，对比分析含有不同掺量改性剂的沥青低温性能，同时并对比分析了两种试验评价方法的差异。试验结果表明：温拌剂掺量超过一定的比例会导致沥青低温性能降低，生物沥青有效提高了沥青的低温性能，ABCD试验可作为BBR试验评价沥青低温性能的验证试验。

关键词：道路工程;改性沥青;低温性能;BBR;ABCD

1、 前言

目前我国高速公路主要以沥青路面为主，沥青路面有高温开裂、低温开裂、永久变形和疲劳开裂等病害。沥青路面性能主要取決于沥青混合料的性能，因此沥青混合料除了满足交通荷载作用之外，还应具有良好的路面性能。随着交通荷载的急剧增加，天气条件变得苛刻，学者们正倾向于通过新型改性剂来提高沥青混合料性能。

常见的沥青改性剂有抗车辙剂、木质纤维、聚酯纤维、温拌剂等。学者们已开发出Sasobit、Aspha-Min和沸石温拌剂，在沥青混合料中掺入改性剂能够大大提高沥青路面性能。孙吉书研究发现Sasobit改性剂可以提高沥青混合料高温性能与动稳定性[1]。Shaffie等人研究了纳米聚丙烯酸酯聚合物改性剂（NPA）对热拌沥青混合料的车辙性能[2]。徐世法发现RAP掺量的增加，对沥青混合料的高温性能、低温性能以及疲劳性能都有影响[3]。郭娟发现当RAP掺量为50%时，沥青混合料的高温性能和低温性能都较好[4];Baaj Hassan研究了RAS和RAP改性沥青混合料的热力学特征[5]。夏慧芸认为RAS掺量是影响沥青混合料的刚度的重要因素[6]。曹雪娟对生物质重油和生物沥青的制备进行研究[7]。周宇认为生物沥青具有经济性、环保性与可再生性等特点，动物粪便是提取生物油的重要来源[8]。各种改性剂对沥青混合料的抗车辙性、高温性、动稳定性能都有所提高，鲜有关于改性剂对沥青低温性能的研究。

目前国内外对改性沥青低温性能没有统一的评价标准，张肖宁认为临界开裂温度与沥青混合料低温性能关联度最大，其次是SHRP低温分级、粘温系数和低温损失模量[9]。美国SHRP计划中BBR试验用蠕变劲度和蠕变速率评价沥青低温性能，但通过假设条件计算出的低温开裂温度与实际经验相关性不够理想。

因此，为了研究改性剂对沥青的低温性能，本文选择Sasobit、RAS、RAP和生物油四种改性剂制备改性沥青。在现有的BBR试验基础上，采用ABCD试验方法直接测量沥青的低温开裂温度，比较分析四种改性沥青低温性能。

2、 试验简介

2.1 原材料

（1）基质沥青：采用中海油70号基质沥青，针入度6.7mm，软化点49.3℃，延度>150cm，密度1.01g/cm³，闪点289℃。

（2）Sasobit：改良剂Sasobit由德国Sasol-Wax公司生产的，该温拌剂为乳白色的固体小颗粒，凝固点98℃，闪电284℃，密度0.94g/cm³。Sasobit掺量选用为0.5%、1.5%、3.5%。

（3）RAP：针入度3.3mm，软化点63℃，延度3.1cmRAP。掺量为50%和100%。

（4）RAS：来自缅因的厂制瓦，采用高速剪切的方式，其中转子的剪切速率为9600转/min。本研究选用RAS掺量分别为5%和10%。

（5）生物油：废旧油脂，密度0.956g/cm³，粘度11.4%，含水率2.82%，液限指数21%，塑性指数2.5。掺量分别为2%、5%、10%。

2.2 BBR试验

选用的沥青样品经过旋转薄膜烘箱加热老化（RTFO）及压力老化容器长期老化（PAV）。通过铝扁平坯料成型沥青小梁试件，尺寸长为127-2.0mm、宽为12.70-0.05mm、厚为6.35-0.05mm，向控温液体浴中的试件施加240s期间的恒定负载，试验荷载为980±50mN。BBR测试记录的参数为蠕变劲度S和蠕变速率m。

2.3 ABCD试验

设备包括一组带有应变仪的四个模环，一个带软件的数据采集单元和一个冷却室。将沥青胶结料在烘箱中（温度为150℃）加热，直到沥青胶结料具有流动性以便于浇注。将沥青胶结料倒入四个ABCD模具环中，冷却30分钟。使用刮刀从模具表面修剪多余沥青胶结料，使其高度与模具的顶层相同，将样品放入ABCD设备的冷却室。ABCD试验在25℃、0℃、-60℃和25℃分别进行0小时、0.5小时、3.5小时和4.5小时。确保ABCD室和数据收集计算机之间连通，实时记录在此过程中的应变和温度值并生成应变-温度曲线。当沥青开裂时，应变曲线突然发生转折，此时的温度值即为实际开裂温度。

3、 试验结果分析

按照上述方法进行BBR和ABCD试验，试验结果如表1。

3.1 BBR和ABCD试验结果比较分析

3.1.1 Sasobit改性沥青

掺量为3.5%Sasobit改性沥青的蠕变劲度高于未改性基质沥青沥的蠕变劲度。掺入Sasobit导致应变水平降低，蠕变劲度增大。随着Sasobit掺量的增加，蠕变速率降低，劲度模量增大。因此，Sasobit改性剂对沥青的低温性能产生不利影响。从0.5%至1.5%Sasobit掺量的改性沥青混合料，其开裂温度降低3.2℃;掺加3.5%Sasobit，其开裂温度降低5.6℃。Sasobit掺量越多，在较低温度下开裂的可能性就越大。

对于BBR试验中，改性沥青的蠕变劲度增加，蠕变速率减小，改性沥青开裂温度增加。由于在零下温度下，Sasobit产生硬化效应，当温度以20℃/h的速率下降时，它更容易受到早期开裂的影响。

3.1.2 RAS

RAS掺量为10%沥青的蠕变劲度高于掺量为5%热拌沥青混合料。回收再生沥青瓦含量越高，老化行为和蠕变劲度越高。在-34℃条件下，5%、10%掺量RAS的热拌沥青混合料将不会发生低温开裂。RAS掺量为5%、10%热拌沥青混合料开裂温度分别为-47.8℃、-41.0℃。RAS掺量越大，开裂温度越低。

两个结果均表明当RAS百分比增加时，蠕变劲度增加、蠕变速率减小，并且沥青更早地发生开裂，这对不同RAS掺量沥青的低温开裂性能研究奠定基础。

3.1.3 RAP

RAP摻量为50%沥青的蠕变劲度超过规范要求的最大值300 MPa，这表明其已经老化并发生了低温开裂。100%掺量RAP沥青的蠕变劲度达到367.2MPa，其低温抗裂性极差。RAP掺量为100%沥青比掺量为50%沥青更早开裂，100%掺量的沥青比50%掺量具有更高的刚度特性。

RAP掺量从50%增加到100%时，蠕变劲度增加、蠕变速率减小。随着RAP掺量增加，沥青开裂温度升高。表明沥青蠕变劲度增加，开裂温度也将增加。

3.1.4 生物沥青

两种方法表明随着生物油含量百分比的增加，开裂温度降低，蠕变劲度逐渐减小，蠕变速率逐渐增大，低温性能开裂性越好。因此，生物油有利于提高沥青的低温抗裂性能，向基质沥青中掺加生物油可以提高沥青的低温开裂性能。

4、 结语

本研究采用BBR试验和ABCD试验对四种沥青的低温性能进行比较，得出以下主要结论：

（1）与常采用的BBR试验相比，ABCD试验可以确定沥青混合料开裂温度，评价沥青混合料的低温抗裂性能。

（2）从BBR试验结果和ABCD试验结果来看，Sasobit、RAS、RAP对于沥青的低温抗裂性能均产生了不利影响，而生物油的掺入有利于提高沥青的低温抗裂性能，生物油掺量越多，沥青低温性能越好。

（3）本研究采用两种试验方法对比分析了四种改性沥青低温性能，为道路工程建设路面材料的选择应用奠定了基础。

参考文献：

[1]孙吉书，肖田，杨春风，靳灿章，温拌再生沥青混合料的路用性能研究，重庆交通大学学报30（2） （2011） 250-253.

[2] E. Shaffie， J. Ahmad， D.J.A.M. Kamarun， Materials， Rutting Performance of Hot Mix Asphalt Mixture Using Nanopolyacrylate Polymer Modifier， 752-753 （2015） 194-198.

[3]徐世法，郭虹良，何志敏，黄玉颖，李思童，温拌改性再生剂对AC-13废旧普通沥青混合料的性能影响评价，新型建筑材料45（06） （2018） 33-36.

[4]郭娟，王立辉，高RAP掺量热再生沥青混合料动态流变性能研究，公路63（09）（2018）242-248.

[5] Baaj， Hassan， Mohsen， Tapsoba， Sauzeat， B.J.M. Di， Structures， Thermomechanical characterization of asphalt mixtures modified with high;contents of asphalt shingle modifier （ASM（A （R））） and reclaimed asphalt;pavement （RAP）， 46（10） （2013） 1747-1763.

[6]夏慧芸，刘冠宇，宋莉芳，张晓，陈华鑫， Y. He， M.Z. Alavi， D. Jones，无溶剂法评价高RAP和RAS掺量的沥青混合料性能，中外公路 38（03） （2018） 248-253.

[7]曹雪娟，刘誉贵，曹芯芯，刘攀，苗成成，冯云霞，生物质重油与生物沥青制备及性能，长安大学学报（自然科学版） 39（03） （2019） 27-35.

[8]周宇， 陈良锐， 生物沥青的研究性综述， 住宅与房地产（03） （2018） 127.

[9]詹小丽，张肖宁，谭忆秋，卢亮，改性沥青低温性能评价指标研究，公路交通科技（应用技术版）24（9）（2007）42-45.