（中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100195）

PG （Performance Grade）分級(jí)是美國(guó)20 世紀(jì)90年代SHRP （Strategic Highway Research Program，戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃）計(jì)劃的研究成果，是Superpave （Superior Performing Asphalt Pavement，高性能瀝青路面）成果之一，該分級(jí)體系通過(guò)測(cè)試瀝青的流變性能，依據(jù)瀝青適用的路面最高溫度和最低溫度對(duì)瀝青材料進(jìn)行分級(jí)，完全顛覆了傳統(tǒng)的按照25 ℃針入度和60 ℃動(dòng)力黏度進(jìn)行分級(jí)的方法[1]。PG 分級(jí)體系最大的區(qū)別是突破了以往經(jīng)驗(yàn)性的試驗(yàn)方法，采用全新的試驗(yàn)方法對(duì)瀝青不同溫度下的流變性能進(jìn)行測(cè)試，其中動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)（DSR）來(lái)測(cè)試瀝青高溫和中等溫度下的性質(zhì)，彎曲梁試驗(yàn)儀試驗(yàn)（BBR）來(lái)測(cè)試瀝青低溫下的性質(zhì)，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）來(lái)模擬在生產(chǎn)熱拌瀝青混合料過(guò)程中瀝青發(fā)生的短期老化過(guò)程，PAV（Pressurized Aging Vessel）壓力老化罐試驗(yàn)來(lái)模擬瀝青路面使用后長(zhǎng)期老化過(guò)程。

瀝青是一種粘彈性流體，研究發(fā)現(xiàn)不同材料對(duì)瀝青的PG 分級(jí)有一定程度的影響，基于此，本研究總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，介紹了溫拌劑、橡膠粉、SBS 等不同材料對(duì)瀝青PG 分級(jí)性能的影響，為瀝青性能的提高和添加劑的選擇提供參考。

1 PG 分級(jí)流變性能參數(shù)

1.1 復(fù)數(shù)剪切模量和相位角

復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ是用來(lái)表征瀝青粘彈性能最基本的兩個(gè)參數(shù)，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)（DSR）測(cè)得。復(fù)數(shù)剪切模量G*越大，材料抵抗應(yīng)力的能力越強(qiáng)；相位角δ反映了瀝青結(jié)合料彈性（儲(chǔ)能模量G′）與粘性（損耗模量G″）成分的比例，δ值越大，瀝青中粘性成份所占比例越大，即變形不可恢復(fù)的部分越大，越容易產(chǎn)生永久變形。

1.2 車(chē)轍因子

美國(guó)Superpave 瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中，以原樣瀝青及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱后殘留瀝青的車(chē)轍因子|G*|/sinδ（其中|G*|為瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量，δ為瀝青材料相位角）作為瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，要求原樣瀝青|G*|/sinδ不低于1.0 kPa，RTFOT 后殘留瀝青|G*|/sinδ不低于2.2 kPa，|G*|/sinδ越大，PG 分級(jí)的溫度等級(jí)越高，表明瀝青的高溫性能越好，其抗流動(dòng)變形能力也越強(qiáng)。

1.3 蠕變勁度及其變化率

在Superpave 瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中，以瀝青結(jié)合料BBR 試驗(yàn)指標(biāo)彎曲蠕變勁度模量S和蠕變曲線(xiàn)斜率m（勁度模量對(duì)荷載作用時(shí)間的曲線(xiàn)斜率）作為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，要求RTFOT 和PAV 后殘留瀝青的S不大于300 kPa，m不小于0.3。蠕變勁度模量S表征瀝青膠漿的柔性，S值越小，表示其低溫抗開(kāi)裂性能越好；蠕變曲線(xiàn)斜率m表征瀝青膠漿的松弛性能，m值越大，表明其應(yīng)力釋放速度越快，松弛能力越強(qiáng)，低溫抗裂性能越好。

式中，S（t）為時(shí)間等于60 s 時(shí)的蠕變勁度；P為荷載，取100 g；L、b、h為小梁的尺寸參數(shù)；δ（t）為時(shí)間等于60 s 時(shí)小梁的撓度。通過(guò)記錄小梁撓度和時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，可以計(jì)算出蠕變勁度及其變化率[2]。

2 外加劑對(duì)瀝青PG 分級(jí)性能的影響

2.1 溫拌劑

溫拌瀝青是一種節(jié)能環(huán)保的新材料，與傳統(tǒng)的熱拌瀝青相比，具有拌和、壓實(shí)溫度更低，瀝青煙排放量更少等優(yōu)點(diǎn)。目前，主流瀝青溫拌技術(shù)分為三大類(lèi)：有機(jī)添加劑技術(shù)、乳化瀝青技術(shù)和發(fā)泡技術(shù)，其技術(shù)關(guān)鍵在于如何降低瀝青在較低溫度下的拌和黏度而且不對(duì)其路用性能產(chǎn)生損害。

沙索蠟是合成氣經(jīng)過(guò)費(fèi)托工藝生產(chǎn)得到的長(zhǎng)鏈脂肪族烴，它是一種高熔點(diǎn)蠟，能夠降低瀝青的高溫黏度，從而提高其路用性能，因此應(yīng)用更為廣泛。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)以沙索蠟為代表的有機(jī)降粘型溫拌劑對(duì)瀝青的PG 分級(jí)性能具有較大的影響。Zhang 等[3]采用沙索蠟為溫拌劑，考察了不同沙索蠟摻量對(duì)瀝青流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)沙索蠟的加入提高了瀝青的復(fù)數(shù)模量而且降低了相位角，使得車(chē)轍因子有所增加，從而提高了瀝青的PG 高溫性能；隨著沙索蠟摻量的增加，同一溫度下的車(chē)轍因子呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì)；此外，對(duì)于70 號(hào)基質(zhì)瀝青而言，需要添加至少3%的沙索蠟才能使得瀝青的PG 高溫等級(jí)提高一個(gè)級(jí)別，而90 號(hào)基質(zhì)瀝青則至少需要添加5%的沙索蠟才能達(dá)到同樣的效果。譚憶秋[4]采用SPSS 軟件對(duì)沙索蠟含量與瀝青流變性能指標(biāo)（包括復(fù)數(shù)模量、相位角以及車(chē)轍因子）進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)沙索蠟的含量與相位角之間的相關(guān)系數(shù)較大，說(shuō)明沙索蠟的加入對(duì)瀝青的相位角影響顯著。剛增軍[5]考察了沙索蠟溫拌劑對(duì)橡膠瀝青的高低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入溫拌劑后，橡膠瀝青的車(chē)轍因子增大，蠕變勁度增加，蠕變速率降低，說(shuō)明其抗高溫車(chē)轍能力增強(qiáng)，抗低溫開(kāi)裂能力減弱，綜合考慮推薦溫拌劑摻量為2.5%～3%。

Aspha-min 是一種合成沸石，其主要成分為鋁硅酸鈉，含水率高達(dá)21%[6]。Aspha-min 摻入瀝青后形成的水蒸氣誘發(fā)瀝青發(fā)泡，從而降低其黏度，使得瀝青混合料生產(chǎn)施工溫度降低25 ～30 ℃[7，8]。Biro[9]指出發(fā)泡型溫拌劑對(duì)瀝青結(jié)合料流變性能的影響可以忽略。劉克非[10]對(duì)比了Aspha-min 與沙索蠟這兩種溫拌劑對(duì)瀝青PG 分級(jí)性能的影響，發(fā)現(xiàn)沙索蠟的加入對(duì)瀝青的PG 分級(jí)產(chǎn)生強(qiáng)化作用，且在正常范圍內(nèi)摻量越高影響越大，而Aspha-min 的加入則影響不大，說(shuō)明溫拌劑對(duì)瀝青PG 分級(jí)的影響與其種類(lèi)、含量等均有關(guān)。

2.2 橡膠粉

橡膠瀝青是伴隨著道路行業(yè)的發(fā)展與輪胎的再生利用而開(kāi)發(fā)的一類(lèi)改性瀝青產(chǎn)品。利用廢橡膠粉作為瀝青改性劑，既可以將廢舊輪胎變廢為寶，又可以改善瀝青及其混合料的路用性能，具有較好的發(fā)展前景。

米寧[11]通過(guò)向70 號(hào)基質(zhì)瀝青中摻入不同含量（0%，5%，10%，15%）的橡膠粉來(lái)制備橡膠改性瀝青，并采用頻率掃描的方式來(lái)研究橡膠瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變性能，發(fā)現(xiàn)同一溫度條件下，改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量隨著橡膠粉摻量的增加而逐漸增大，說(shuō)明其抗變形能力不斷增強(qiáng)。張鵬[12]則通過(guò)采用溫度掃描的方式來(lái)研究橡膠瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變性能，發(fā)現(xiàn)同一頻率條件下，隨著橡膠粉摻量（0%，5%，10%，15%，20%，25%）不斷增加，改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量逐漸增大，其相位角不斷減小，故而車(chē)轍因子不斷增大，抗車(chē)轍性能顯著提高；通過(guò)考察改性瀝青的低溫蠕變性能，發(fā)現(xiàn)橡膠粉改性瀝青的勁度模量S值和蠕變速率m值均隨著橡膠粉摻量的增加而減小，且適當(dāng)?shù)南鹉z粉摻量可以使得改性瀝青的PG 低溫等級(jí)有所改善。黃松[13]指出向70 號(hào)基質(zhì)瀝青中摻入適當(dāng)橡膠粉大幅度增加了車(chē)轍因子，從而能夠有效提高瀝青的PG 高溫等級(jí)。連真毅[14]發(fā)現(xiàn)橡膠粉對(duì)瀝青高溫流變性能的提升存在最佳摻量，當(dāng)橡膠粉摻量達(dá)到28%時(shí)，橡膠瀝青的相位角增大，復(fù)數(shù)剪切模量減小，車(chē)轍因子隨之減小，這主要是由于橡膠粉摻量過(guò)高會(huì)阻礙膠粉的溶脹反應(yīng)及膠粉間的交聯(lián)作用，使得橡膠瀝青的高溫抗剪切能力反而減弱。

此外，不少研究者探討了橡膠粉摻量對(duì)瀝青高溫流變性能影響的作用機(jī)理，認(rèn)為向基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉后，瀝青中輕質(zhì)組分被膠粉吸收，彈性組分比例升高，導(dǎo)致相位角δ減??；同時(shí)膠粉吸收瀝青以后，發(fā)生溶脹作用，從而形成了膠粉與瀝青連續(xù)或者相互交錯(cuò)連續(xù)的三維空間結(jié)構(gòu)，增加了瀝青高溫抗剪切能力，導(dǎo)致復(fù)數(shù)剪切模量G*增加[15-17]。

2.3 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）

SBS 是苯乙烯類(lèi)嵌段共聚物，具有良好的彈性、變形自恢復(fù)性和裂縫自愈性，能夠顯著提高瀝青的高低溫性能及抗疲勞性能，因而目前是應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)瀝青改性劑。在SBS 改性瀝青的制備過(guò)程中，SBS 經(jīng)過(guò)高速剪切的作用交聯(lián)于瀝青內(nèi)部并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅使得瀝青的常規(guī)性能指標(biāo)（針入度、軟化點(diǎn)等）發(fā)生變化，而且對(duì)瀝青的粘彈特性具有顯著影響。

暢潤(rùn)田[18]考察了不同摻量（0%，1%，3%，5%，7%）的SBS 對(duì)改性瀝青流變性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)SBS 的加入使改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量增加，相位角減小，并且摻量越大變化幅度越大，說(shuō)明SBS 可以顯著提升瀝青的抗變形能力。楊國(guó)明[19]通過(guò)頻率掃描、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（BBR）等方式研究了不同結(jié)構(gòu)的SBS 對(duì)改性瀝青高低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)SBS 改性劑能顯著提高瀝青的儲(chǔ)存模量和損失模量，提升瀝青黏彈性能；且相比于星型SBS 改性劑而言，線(xiàn)型SBS 改性劑更能有效提升瀝青低溫性能。劉振玉[20]采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）分析了技術(shù)指標(biāo)對(duì)老化前后改性瀝青PG 分級(jí)的影響，發(fā)現(xiàn)與基質(zhì)瀝青相比，經(jīng)過(guò)短期老化后SBS 改性瀝青的車(chē)轍因子增加量較小，PG 高溫等級(jí)會(huì)降低。

2.4 其他外加劑

除了溫拌劑、橡膠粉及SBS 等主流外加劑外，某些新型材料的摻入也會(huì)影響瀝青PG 分級(jí)及其流變性能。冉龍飛[21]利用膨潤(rùn)土特殊的“層狀結(jié)構(gòu)”，通過(guò)有機(jī)化“插層”預(yù)處理來(lái)制備納米膨潤(rùn)土改性瀝青，發(fā)現(xiàn)瀝青的PG 等級(jí)由PG64-22 提高到PG70-22，說(shuō)明納米膨潤(rùn)土的摻入能夠提高瀝青的高溫抗變形能力，但對(duì)低溫抗開(kāi)裂性能無(wú)明顯影響。馬峰[22]研究了氫化苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物（SEBS）對(duì)橡膠瀝青低溫流變性能影響，發(fā)現(xiàn)SEBS 的摻入對(duì)低溫蠕變速率無(wú)明顯影響，但能夠顯著減小瀝青蠕變勁度，降低其PG 低溫連續(xù)分級(jí)溫度（TLC），從而提高其低溫抗裂性能。

3 結(jié)論與展望

不同外加劑的摻入對(duì)瀝青的PG 分級(jí)及其性能參數(shù)具有一定的影響，沙索蠟溫拌劑能夠提高瀝青的PG 高溫性能，但會(huì)對(duì)PG 低溫性能造成一定程度的損害，而適宜摻量的橡膠粉和SBS 能夠同時(shí)改善瀝青的PG 高低溫性能，因此在制備改性瀝青時(shí)充分考慮到不同種類(lèi)的外加劑對(duì)改性瀝青流變性能的影響，并根據(jù)不同的技術(shù)要求合理選擇外加劑，從而提高改性瀝青的PG 分級(jí)性能。