張家偉,黃衛(wèi)東,呂 泉,關維陽

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804; 2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

低溫開裂是瀝青路面的主要病害之一，在中國北方地區(qū)，冬季氣溫通常在0℃以下，隨著溫度的下降，瀝青路面內部的低溫應力迅速累加直至超過混合料的強度從而發(fā)生開裂.在瀝青混合料中，集料的溫縮系數遠遠小于瀝青，故普遍認為瀝青混合料低溫性能的80%由瀝青的低溫性能決定[1].因此，在實際工程應用中，一般通過改善瀝青的低溫性能來提高混合料的低溫抗裂性.

TB膠粉改性瀝青(MA-TB)是特殊的橡膠粉改性瀝青[2]，TB膠粉在高溫條件下發(fā)生脫硫反應，快速分解并與瀝青融合，形成的改性瀝青外觀與普通改性瀝青無異，可以均勻存儲和工廠化生產.研究表明[3-5]，TB膠粉改性瀝青具有良好的低溫性能和耐疲勞特性，但高溫性能較差，因此通常與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)進行復合改性來提升瀝青混合料的路用性能.TB膠粉復合SBS改性瀝青混合料的疲勞性能要優(yōu)于SBS改性瀝青以及橡膠瀝青混合料[6]，TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度也顯著低于其他種類的改性瀝青[7].魏相榮[8]研究發(fā)現TB膠粉和SBS復合改性瀝青后，其混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及疲勞性能均優(yōu)于TB膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青混合料.董瑞琨等[9]的研究結果也顯示出TB膠粉復合SBS改性瀝青比SBS改性瀝青具有更好的疲勞自愈合性能.但目前關于TB膠粉復合SBS改性瀝青的研究大多側重于與其他種類改性瀝青進行性能對比，復合改性過程中TB膠粉和SBS摻量對瀝青及其混合料性能影響的相關研究較少.

目前對瀝青低溫性能的評價，國內外較為主流的評價指標是低溫延度試驗、測力延度試驗以及SHARP推薦的低溫PG分級[10].這些指標給出的是瀝青在某一特定條件下的試驗結果，雖然能區(qū)分不同瀝青低溫性能的優(yōu)劣，但瀝青路面的低溫開裂是由于溫度下降，混合料內部應力緩慢集中而發(fā)生開裂的過程，其無法模擬降溫過程中瀝青內部實際的受力情況.對瀝青混合料低溫性能的評價，最常見的方法是通過低溫小梁彎曲蠕變試驗(BBR)得到其彎曲蠕變勁度，該方法較為簡單，但評價指標也較為單一，無法評價路面開裂后的裂縫發(fā)展情況.

本文制備了不同TB膠粉摻量和SBS摻量的TB膠粉復合SBS改性瀝青，通過BBR研究了其低溫流變特性，探究了在溫度下降過程中，瀝青內部低溫應力的變化情況；通過半圓彎拉試驗(SCB)研究了TB膠粉復合SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能；系統(tǒng)地評價了TB膠粉摻量和SBS摻量變化對TB膠粉復合SBS改性瀝青及混合料低溫性能的影響，并對其低溫性能指標進行相關性分析.

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1改性瀝青

瀝青為埃索70#基質瀝青(E70)；TB膠粉為江陰產橡膠粉，粒徑為0.6mm；SBS為岳陽石化公司生產的線型SBS.改性瀝青的制備工藝為：將TB膠粉加入到基質瀝青中，在220℃下高速剪切16h以上，制備TB膠粉摻量(1)文中涉及的摻量、油石比等除特殊說明外均為質量分數或質量比.為20%的TB膠粉改性瀝青(20TB)，其他摻量TB膠粉改性瀝青則通過在20TB中添加基質瀝青稀釋后得到；TB膠粉復合SBS改性瀝青則通過向175℃TB膠粉改性瀝青中加入一定量的SBS，攪拌1h后制得.改性瀝青的配合比及基本性能指標如表1所示.文中：MA-TB+3SBS表示SBS摻量為3%的TB膠粉復合SBS改性瀝青；MA-10TB+SBS表示TB膠粉摻量為10%的TB膠粉復合SBS改性瀝青.

1.1.2改性瀝青混合料

粗集料為玄武巖，細集料為石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r礦粉，混合料選用AC-13級配，設計孔隙率為4%(體積分數)，選用馬歇爾設計方法，確定最佳油石比為0.049，混合料的級配如表2所示.

1.2 試驗方法

1.2.1BBR試驗

按照ASTM D6648—2016《Standard test method

表1 改性瀝青的配合比及基本性能指標

表2 改性瀝青混合料的級配

for determining the flexural creep stiffness of asphalt binder using the bending beam rheometer(BBR)》，采用Cannon彎曲梁流變儀進行BBR試驗.采用壓力老化試驗(PAV)后的瀝青樣品進行試驗，設置平行試驗2組，結果取平均值.分別加載8、15、30、60、120、240s，瀝青小梁試件的彎曲蠕變勁度St為：

(1)

式中：P為跨中加載力；L為跨徑；b為小梁試件寬度；h為小梁試件厚度；δ(t)為t時刻的跨中撓度.

取60s時的S60和蠕變曲線斜率m60作為評價指標，并以S60≤300MPa和m60≥0.3作為控制指標進行低溫PG分級的劃分.

根據ASTM D6816-11《Standard practice for determining low-temperature performance grade(PG) of asphalt binders》，首先通過Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型構建彎曲蠕變勁度主曲線，然后采用Hopkins and Hamming方法將彎曲蠕變勁度主曲線換算成松弛模量主曲線，最后完成低溫應力計算.假設從0℃開始降溫，降溫速率為1℃/h，降溫終點為-45℃，線膨脹系數α為0.00017，即可得到溫度不斷下降的情況下瀝青內部產生的低溫應力.

1.2.2SCB試驗

采用預先開縫的圓盤形試件進行SCB試驗.試件尺寸為φ150×110mm，通過旋轉壓實成型.采用數控機床將成型好的圓柱形試件切割成厚度為25mm 的圓盤，將圓盤對中切開，并在跨中進行開縫，縫深(a)為12.7、25.4、38.1mm.試驗溫度為-18℃，設置3組平行試驗，結果取平均值.加載前將試件置于-18℃的冰箱進行保溫，試驗開始時取出并放置于UTM-100儀器上進行加載.為保證開裂速度均勻，根據預試驗及文獻調研，加載速率定為0.5mm/min，跨徑為120mm.SCB試驗荷載-位移曲線見圖1.

圖1 SCB試驗荷載-位移曲線Fig.1 Load-displacement curve of SCB test

采用應變能釋放速率Jc值來評價混合料的低溫抗裂性能，Jc值與現場路面的開裂率有很好的相關性[11-12]，通常瀝青混合料的Jc值越大，表明其抗裂性能越好.Jc值由不同縫深下SCB試驗的應變能密度U(見圖1)來計算：

(2)

2 結果與討論

2.1 BBR試驗

2.1.1低溫PG分級

圖2為改性瀝青的低溫PG分級結果.由圖2可見：(1)對于TB膠粉改性瀝青，TB膠粉的摻量越高，瀝青的低溫PG分級溫度越低，表明TB膠粉的加入能顯著改善瀝青低溫性能.(2)對于SBS摻量為3%的TB膠粉復合SBS改性瀝青：隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度降低；當TB膠粉摻量由5%增加到10%時，改性瀝青的低溫PG分級溫度明顯降低；當TB膠粉摻量大于10%時，改性瀝青的低溫PG分級溫度比較接近.說明在TB膠粉摻量較高時，SBS的加入對瀝青低溫PG分級的改善效果并不顯著.(3)對TB膠粉摻量為10%的TB膠粉復合SBS改性瀝青，隨著SBS摻量的增加，改性瀝青的低溫PG分級溫度比較接近，呈先上升后緩慢降低的趨勢，由此可見SBS對TB膠粉改性瀝青的低溫性能改善并不明顯，甚至還會損害TB膠粉改性瀝青的低溫性能.

圖2 改性瀝青的低溫PG分級結果Fig.2 Low temperature PG classification results of modified asphalts

2.1.2低溫應力

圖3為改性瀝青的低溫應力曲線.由圖3可見：隨著溫度的降低，瀝青內部產生的低溫應力逐漸增大；隨著TB膠粉摻量的增加，相同溫度下改性瀝青的低溫應力逐漸降低，且降低幅度較大；在 -30℃ 時，基質瀝青的低溫應力明顯高于TB膠粉改性瀝青，不同TB膠粉摻量的TB膠粉改性瀝青低溫應力比較接近，說明TB膠粉的加入對瀝青低溫性能的改善非常顯著；對于TB膠粉復合3%SBS改性瀝青，加入TB膠粉后，瀝青的低溫應力也降低，10%TB膠粉復合3%SBS改性瀝青的低溫應力最低，TB膠粉摻量大于10%時，瀝青的低溫應力增大，這說明加入3%SBS后，TB膠粉摻量不宜太高；對于10%TB膠粉復合SBS改性瀝青，可以發(fā)現幾種瀝青的低溫應力曲線比較接近，也證明了復合改性后，SBS對瀝青的低溫性能改善并不顯著.

圖3 改性瀝青的低溫應力曲線Fig.3 Thermal stress curves of modified asphalts

由圖3還可見：加入TB膠粉后瀝青的低溫應力降低顯著；20%TB膠粉改性瀝青的低溫應力僅為基質瀝青的30%，降低幅度非常明顯；加入3%SBS后，隨著TB膠粉摻量的增加，改性瀝青的低溫應力出現了先降低后增加的趨勢；對于10%TB膠粉改性瀝青，隨著SBS摻量的增加，瀝青的低溫應力也出現先降低后增加的趨勢，但變化幅度并不大.從低溫應力結果來看，10%TB膠粉復合3%SBS改性瀝青是較優(yōu)的復合改性方案.

2.2 SCB試驗

對3種縫深試件的應變能密度U進行線性擬合，得到Jc值，改性瀝青混合料的低溫SCB試驗結果見表3.由表3可見：隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉改性瀝青混合料的Jc值也隨之增加，表明其低溫抗裂性變好；TB膠粉摻量為20%時，改性瀝青混合料的Jc值很大，表明其低溫抗裂性改善效果極其顯著；對TB膠粉復合3%SBS改性瀝青來說，TB膠粉摻量的增大使改性瀝青混合料的Jc值提高、低溫抗裂性能提升；在10%TB膠粉改性瀝青中摻加不同摻量的SBS，少量的SBS(2%)可使改性瀝青混合料的Jc值增大，其低溫抗裂性有一定的提高，而隨著SBS摻量的增加，混合料的Jc值降低，表明其低溫抗裂性變差.加入SBS后，隨著SBS摻量的增加，混合料的低溫抗裂性能逐漸下降，這與低溫PG分級變化趨勢截然相反，說明對于TB膠粉復合SBS改性瀝青，瀝青的低溫性能優(yōu)劣并不能代表混合料的低溫抗裂性好壞.

表3 改性瀝青混合料的低溫SCB試驗結果

2.3 低溫指標相關分析

瀝青低溫PG分級是現行評價瀝青低溫性能最常用的指標，將其與瀝青的低溫應力、混合料的Jc值進行相關性分析，結果如圖4、5所示.由圖4、5可見：TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級溫度與其低溫應力存在很強的線性相關關系，與混合料Jc值也存在一定線性相關關系，即TB膠粉改性瀝青的PG分級溫度可以表征瀝青及混合料的低溫性能，瀝青低溫PG分級溫度越低，低溫應力越小，其混合料的Jc值越大，低溫抗裂性越??；TB膠粉復合3%SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度與其低溫應力以及混合料Jc值的相關系數均比較低，但隨著瀝青低溫PG分級溫度的變化，其低溫應力與混合料Jc值的變化趨勢與TB膠粉改性瀝青相同，即復合改性瀝青的低溫PG分級溫度在一定程度上也能反應瀝青及其混合料低溫性能的優(yōu)劣；10%TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度與低溫應力之間的相關性很低，而與其混合料Jc值的相關性很高.有趣的是，線性相關分析結果顯示，隨著10%TB膠粉復合SBS改性瀝青低溫PG分級溫度的變化，其低溫應力與混合料Jc值的變化趨勢與TB膠粉改性瀝青以及TB膠粉復合3%SBS改性瀝青的變化趨勢相反，即較低的低溫PG分級溫度反而會使得瀝青低溫應力更高，混合料的Jc值更小，低溫抗裂性變差.因此對TB膠粉復合SBS改性瀝青來說，SBS的摻入使瀝青體系變得更加復雜，低溫PG分級不能反映實際復合改性瀝青及其混合料的低溫抗裂性能，需要用其他指標對其低溫性能進行綜合評價.

圖5 低溫PG與應變能釋放速率的相關性分析Fig.5 Relationship between low temperature PG and Jc value

3 結論

(1)與基質瀝青相比，TB膠粉改性瀝青具有優(yōu)異的低溫性能，且隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級溫度下降，瀝青低溫應力變小，混合料應變能釋放速率Jc值增大，低溫抗裂性增強.

(2)TB膠粉復合3%SBS改性瀝青及其混合料的低溫性能高于基質瀝青，且隨著TB膠粉摻量的增加，復合改性瀝青的低溫性能改善效果較為顯著，但低于相應摻量的TB膠粉改性瀝青.

(3)隨著SBS摻量的增加，10%TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫性能變化并不明顯，而其混合料的Jc值變小，低溫抗裂性能變差.

(4)TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級可以很好地反映瀝青及其混合料的低溫性能，而TB膠粉復合SBS改性瀝青不能通過單一的PG分級來評價其低溫性能，需要結合其他指標共同評價.