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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)時間長，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，降低其脆化溫度，同時提高路面的耐久性能。
目前，對千提高聚合物改性瀝青高溫性能的看法比較一致；而對低溫性能，盡管已有系列評價方法，但這些方法對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的基礎(chǔ)上，詳細(xì)總結(jié)聚合物改性瀝青低溫性能的評價方法，分析其對改性瀝青的適用性，并展望聚合物改性瀝青低溫性能評價方法。
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)的橡膠瀝青熱儲存穩(wěn)定性差，儲存和運輸過程中膠粉顆粒容易沉降。這是因為熱固性的膠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]采用低溫攪拌就地?zé)嵩偕夹g(shù)對膠粉進(jìn)行脫硫活化處理，并研究了再生工藝對再生效果的影響。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價
改性瀝青的低溫性能評價方法主要由基質(zhì)瀝青沿用發(fā)展而來，5℃延度、弗拉斯脆點、低溫針入度等經(jīng)驗性指標(biāo)以及BBR試驗、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均被用于評價改性瀝青的低溫性能。然而，實際使用過程發(fā)現(xiàn)，改性瀝青是一個復(fù)雜體系，聚合物的存在及其分散狀態(tài)對試驗結(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，甚至瀝青試驗結(jié)果與混合料的低溫性能矛盾。因此，針對均質(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價方法，以期為改性瀝青的工業(yè)性能評價提供理論指導(dǎo)。
均質(zhì)體系評價方法
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。由千此時體系均一，改性瀝青低溫性能評價結(jié)果能基本反映整體改性瀝青的狀態(tài)，然而受到評價方法原理和操作的影響，不同的評價方法適用性不同。
(1)低溫延度與測力延度
瀝青的延度作為評價瀝青常規(guī)性能的三大指標(biāo)之一，由千操作簡便，結(jié)果直觀等優(yōu)勢被廣泛使用。延度表示特定長度的瀝青樣品在指定溫度和拉伸速率時直至試件拉斷所能進(jìn)行的最大伸長長度。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℃延度作為評價改性瀝青低溫抗裂性能的重要指標(biāo)。相同溫度時，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價見表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)變對應(yīng)的溫度，此時材料由脆性轉(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，其低溫開裂的實質(zhì)是瀝青在實際使用溫度時處于玻璃態(tài)，從而發(fā)生脆性斷裂，該現(xiàn)象與其粘彈性行為相對應(yīng)[18]。因此，可用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評價瀝青的低溫性能。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，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試驗證實改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與其低溫性能存在直接對應(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際可行性。不同的聚合物改性瀝青對應(yīng)不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這是因為聚合物存在不同的結(jié)晶形態(tài)和吸放熱，同時聚合物與瀝青的相容性以及兩者相互作用不同[19，21]。動態(tài)力學(xué)分析法(DMA)通過測定瀝青材料的動態(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)變溫度評價其低溫性能更加合理。然而，與延度和弗拉斯脆點法相比，采用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評價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)彎曲梁流變試驗(BBR)
彎曲梁流變試驗是美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP計劃)規(guī)定的瀝青低溫性能評價方法，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價瀝青低溫性能的兩個常用指標(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評價瀝青低溫性能的研究。Kok等[23]通過試驗證實BBR的測試結(jié)果與混合料低溫性能相關(guān)性較高。隨后，Rezaei[24]運用BBR研究了改性劑SBS對瀝青低溫性能的改善機理。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。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，這是因為采用星型SBS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試驗可以有效評價瀝青的低溫性能，然而這種方法也存在一定的局限性。首先，BBR試驗采用6℃的分級溫度結(jié)果，分級的溫度間差異較大，難以評價低溫性能接近的改性瀝青；此外，目前針對BBR試驗的分析多采用勁度模量和蠕變速率等單一指標(biāo)，缺乏對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)體系評價方法
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。這是因為廢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)致瀝青樣品性能測試結(jié)果不穩(wěn)定。
目前對橡膠瀝青低溫性能的評價方法仍參照均質(zhì)的聚合物改性瀝青進(jìn)行。徐俊旺[28]研究了5℃延度、弗拉斯脆點以及BBR試驗對橡膠瀝青的適用情況。結(jié)果表明，5℃延度的測試結(jié)果與實際矛盾，不宜用作橡膠瀝青的低溫性能評價指標(biāo)；弗拉斯脆點一定程度可用于橡膠瀝青低溫性能評價，但部分樣品的區(qū)分度不明顯；BBR試驗獲得的評價結(jié)果與混合料低溫評價一致性高，該法相比前兩者對橡膠瀝青的適用性更強。然而，由于橡膠瀝青為非均質(zhì)狀態(tài)，以上測試結(jié)果僅具備參考價值而無實際物理意義，必須采用適當(dāng)?shù)墓に噷δz粉進(jìn)行脫硫處理，將橡膠瀝青轉(zhuǎn)化為均質(zhì)狀態(tài)才可用上述方法對其低溫性能進(jìn)行評價。如董瑞琨等[29]利用DSC和BBR研究了高溫裂解工藝對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℃時的勁度模量僅為SBS改性瀝青的一半[30]。
對千非均質(zhì)瀝青體系的低溫性能評價，必須將其制備成對應(yīng)的瀝青混合料，進(jìn)行瀝青混合料的低溫抗裂性能試驗，如等應(yīng)變加載破壞試驗、彎曲拉伸蠕變試驗、受限試件溫度應(yīng)力試驗、三點彎曲J積分試驗、收縮系數(shù)試驗、應(yīng)力松弛試驗以及等[31]。
總結(jié)與展望
a)改性瀝青的低溫延度測試未充分考慮不同聚合物的低溫敏感性，測試結(jié)果與混合料低溫性能相差大，但操作簡便，應(yīng)用較廣；測力延度的測試原理相對低溫延度有所改進(jìn)，但物理意義不明確，過分關(guān)注原樣瀝青導(dǎo)致結(jié)果與路面實際有偏差。
b)弗拉斯脆點尤其適用千基質(zhì)瀝青的低溫性能評價，其測試結(jié)果對千評價改性瀝青的低溫性能有參考價值，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)評價改性瀝青的研究相對較少，其對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)彎曲梁流變試驗可以有效評價改性瀝青的低溫性能，評價結(jié)果與混合料低溫抗開裂測試結(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，然而其評價結(jié)果的連續(xù)性還有待研究。
e)傳統(tǒng)的瀝青低溫性能評價方法得到的結(jié)果對非均質(zhì)瀝青體系僅有參考價值，對應(yīng)混合料的低溫抗開裂性能評價才能真實反映瀝青材料的低溫性能。
f)因瀝青容易老化，評價其低溫性能時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)
聚合物改性瀝青概述
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