摘 要：为充分认识在同一评价体系中不同改性沥青高低温流变性能，使用动态剪切流变仪对SBS、橡胶和高黏改性沥青分别进行应变扫描试验，确定其线性黏弹性范围，进行频率扫描试验和多重应力蠕变恢复试验分析其高温性能。同时使用弯曲梁流变仪对3种改性沥青进行弯曲蠕变劲度试验分析其低温性能。研究结果表明：根据应变扫描试验结果，当应变小于10％时，SBS、橡胶和高黏改性沥青处在线性黏弹性范围内。根据频率扫描试验结果，使用Sigmoidal模型拟合SBS、橡胶和高黏改性沥青的复数剪切模量主曲线光滑连续，且均是简单的流变材料；SBS、橡胶和高黏改性沥青在低频状态下复数剪切模量相差较大，在高频状态下复数剪切模量相差较小。根据多重应力蠕变恢复试验结果，相比SBS和高黏改性沥青，橡胶改性沥青具有较高的流动变形特性；高黏改性沥青的抗永久变形能力优于橡胶和SBS改性沥青。低温弯曲蠕变劲度试验中，蠕变劲度和蠕变速率均与温度呈指数关系。通过蠕变劲度和蠕变速率可知，高黏改性沥青的低温抗裂性优于SBS和橡胶改性沥青。此外，用蠕变劲度指数衡量改性沥青的低温感温性，可知高黏改性沥青温度敏感性低于SBS和橡胶改性沥青温度敏感性。因此，在流变性能方面，高黏改性沥青的高低温性能均优于SBS和橡胶改性沥青。

关键词：道路工程 | 改性沥青 | 流变学理论 | 高温性能 | 低温性能

0  引言

多孔沥青混合料是一种空隙率为15％~25％的多孔路面材料[1]。与传统的密实路面材料相比，集料和集料之间由全面积接触变成点接触状态[2]，从而导致集料间黏结接触面积减少，为了保证混合料的强度、稳定性与耐久性，对混合材料组成设计提出更高的要求。在结合料的选用上，一般采用改性沥青，但由于应用环境的不同，在选用改性沥青时也存在较大差异。美国和欧洲多采用SBS改性沥青或橡胶改性沥青[3-4]，在亚洲，如中国、日本、新加坡等多采用高黏改性沥青(黏度大于20000Pa·s)[5-6]。其中，SBS、橡胶改性沥青具有良好的路用性能，是目前使用最广泛的改性沥青材料，同时橡胶的应用还能够在一定程度上缓解环境污染问题[7]；高黏改性沥青具有高黏、高弹的特性，因其优异的黏结力和弹性恢复能力而广泛应用于多孔沥青混合料、应力吸收层、桥面铺装层等材料中。

改性沥青是典型的黏弹性材料，采用流变学黏弹理论研究改性沥青的相关性能，是目前研究的主要方向[８]。在以往的研究中，有关学者对改性沥青的流变性能进行了一定的研究。对于SBS改性沥青，黄卫东等采用动态剪切流变仪(DSR)时间扫描试验和多应力蠕变恢复试验，研究了不同掺量下线形、星形SBS改性沥青的高温性能，结果表明当SBS掺量较低时，改性剂的掺量对改性沥青高温性能具有显著影响[9]。董文龙等采用低温小梁弯曲试验对不同老化状态下的SBS改性沥青进行低温性能分析，结果表明脂肪长链指数与SBS改性沥青的低温性能密切相关，脂肪长链指数越小，低温性能越好[10]。Laukkanen等研究了SBS改性沥青的低温流变性，建立了弯曲梁流变仪(BBR)测得的蠕变劲度与4mmDSR测得的复数剪切模量的线性关系[11]。张恒龙等探究了长期老化对SBS改性沥青流变性能的影响，结果表明老化后SBS改性沥青的复数模量变大，不同老化过程相位角变化较小[12]。对于橡胶改性沥青，李波等采用DSR研究了废旧胶粉掺量、粒径、制备工艺等对橡胶沥青高温性能的影响，结果表明废旧胶粉与基质沥青的反应决定了橡胶沥青的高温性能[13]。Jeong等采用DSR研究了剪切时间、剪切温度、胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响，结果表明胶粉掺量对橡胶沥青的复数模量具有显著影响[14]。郭贺源等采用DSR研究了石墨烯对橡胶沥青流变性能的影响，结果表明添加石墨烯可以提高橡胶沥青的抗变形能力和抗车辙性能[15]。谭忆秋等采用BBR试验研究了橡胶沥青的低温评价指标，结果表明采用单一的指标评价橡胶沥青的低温性能存在一定的局限性，推荐采用综合考虑模量和应力松弛能力的指标作为橡胶沥青低温性能的评价指标[16]。马峰等采用BBR研究了氢化苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物(SEBS)改性剂对橡胶沥青低温性能的影响，结果表明SEBS改性剂可以显著降低沥青蠕变劲度，改善橡胶沥青的低温性能[17]。对于高黏改性沥青，张争奇等采用DSR研究了SBS-PU、SINOTPS、TPS三种高黏改性沥青的高温流变性和储存稳定性结果表明SBS-PU复合改性高黏沥青具有较好的高温抗变形能力和变形恢复能力[18]。李梦怡研究了高黏改性剂掺量对沥青流变性能的影响，结果表明掺加高黏改性剂可显著改善沥青的高温性能，但也降低了沥青的低温流变性[19]。马翔等采用BBR研究了-12℃温度条件下高黏沥青和SBS改性沥青老化前后的低温性能，结果表明蠕变劲度和蠕变速率没有很好的一致性，不能同时评价沥青低温性能[20]。Zhang等采用BBR研究了增塑剂和交联剂对高黏改性沥青低温流变性的影响，结果表明增塑剂可以提高沥青的蠕变劲度，而交联剂则降低了沥青的蠕变劲度[21]。

综上，目前研究大多单独对SBS、橡胶、高黏改性沥青进行研究，缺乏在同一评价体系中进行对比研究。为此，本研究选取3种不同的改性沥青(包括SBS、橡胶和高黏改性沥青)作为研究对象，基于流变学黏弹理论，采用动态剪切流变试验和弯曲蠕变劲度试验在同一评价体系下系统对比分析3种改性沥青的高低温流变性能，从而为多孔沥青路面、应力吸收层、桥面铺装层等沥青结合料的比选提供技术依据。

1  原材料与试验方法

1.1 沥青原材料

3种改性沥青的主要技术性能见表1，其测试方法与技术要求参见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)。其中SBS改性沥青由西安国琳实业股份有限公司提供，橡胶改性沥青由山东安捷路桥工程有限公司生产，高黏改性沥青由深圳市格瑞实业发展有限公司提供。

1.2 试验方法[22-23]

(1)应变扫描试验。目前改性沥青黏弹特性的研究多基于线性黏弹性理论，当改性沥青所受荷载较小时，材料力学响应符合线性黏弹性理论研究范围；当改性沥青所受荷载较大时，材料力学响应呈非线性特征[24]。应变扫描试验可以确定改性沥青的线性黏弹性范围。本文选择温度30℃，角频率10rad/s作为应变扫描试验设置参数。

(2)频率扫描试验。频率扫描试验是研究改性沥青黏弹特性的主要试验方法测定[25]。本文选择频率ω为0.1~100rad/s，温度为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃作为频率扫描试验设置参数。

(3)多重应力蠕变恢复试验(multiple stresscreep recovery，MSCR)。采用0.1和3.2kPa两种蠕变应力水平进行连续测试，先以0.1kPa的应力循环加载20个周期，再以3.2kPa的应力循环加载10个周期，每个周期分为1s的蠕变阶段和9s的卸载恢复阶段，总持续时间300s[26]。参考AASH-TOMP19-10分级标准的要求[27]，本文选择温度64℃和70℃作为试验设置参数。

(4)弯曲蠕变劲度试验。根据美国公路战略研究计划(SHRP)评价沥青低温性能的方法，试验利用传统的弯曲梁蠕变原理。本文选择温度为-12℃、-18℃、-24℃作为试验设置参数。

试验(1)、(2)、(3)采用美国TA Instruments公司生产的DHR-2型动态剪切流变仪，如图1所示；试验(4)采用美国Cannon弯曲梁流变仪，如图2所示。

2  高温流变性能

采用应变扫描、频率扫描和MSCR试验结果分析3种改性沥青的高温流变性能。

2.1 应变扫描

美国SHRP计划认为，随着应变幅值增大，复数模量的降低值不超过最大复数模量的10％时，可认为该材料处于线性黏弹性范围[28]。3种改性沥青的应变扫描试验曲线如图3所示。由图3可以看出，3种改性沥青在应变为0.1％~10％范围内时的复数模量几乎不变，说明当应变小于10％时改性沥青处于线性黏弹性范围。因此，本研究动态剪切流变试验基于线性黏弹性理论，采用应变控制模式，应变为1％。

2.2 频率扫描

沥青材料的力学行为受温度和频率的影响，并在高温低频和低温高频条件下具有等效的黏弹性性质。采用时间－温度等效原理绘制主曲线可以将室内试验有限的温度和频率拓展至更宽的温度、频率范围内，从而可以更加全面地认识沥青材料的力学行为[8]。时间-温度等效原理将不同温度下的试验数据平移至参考温度，得到换算加载频率f′，其与移位因子的关系如式(1)所示，移位因子通过WLF(Williams-Landel-Ferry)非线性方程确定，其表达式如式(2)所示，即

本文以60℃为参考温度，计算3种改性沥青的移位因子αT见表2。

本文采用Sigmoidal模型拟合复数剪切模量主曲线，其表达式为

通过Origin软件拟合Sigmoidal模型的4个参数α、β、γ、δ，使其计算的方差值达到最小。本研究以60℃为参考温度，确定的拟合参数结果见表3，R^2为判定系数；改性沥青复数剪切模量主曲线如图4所示，图4中ω为角频率。

由图4可知，3种改性沥青的复数剪切模量主曲线是光滑连续的，说明其均是简单的流变材料。3种改性沥青的低频复数剪切模量相差较大，考虑低频对应高温，低频复数剪切模量越大则高温抗变形能力越强。因此，3种改性沥青高温抗变形能力由强到弱依次为高黏改性沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青。同理，高频复数剪切模量越大则低温变形能力越小，3种改性沥青的高频复数剪切模量相差不大，通过对比分析可知低温变形能力由大到小依次为SBS改性沥青、橡胶改性沥青、高黏改性沥青。

2.3 MSCR试验

图5为64℃温度条件下3种改性沥青的MSCR试验时间-应变关系曲线。由图5可以看出：高黏改性沥青和SBS改性沥青有明显的蠕变恢复阶段，而橡胶改性沥青的恢复曲线不明显，这表明高黏改性沥青和SBS改性沥青的蠕变恢复能力高于橡胶改性沥青；在2种应力条件(0.1、3.2kPa)试验过程中，3种改性沥青的应变由大到小依次为橡胶改性沥青、SBS改性沥青、高黏改性沥青，表明橡胶改性沥青具有较高的沥青流动变形特性，这对沥青路面的高温抗车辙性能是不利的。

2.3.1 不可恢复蠕变柔量

沥青路面的高温车辙现象主要是由不可恢复应变的累积造成的，采用不可恢复蠕变柔量评价沥青结合料的高温性能，其计算如下

本文用Jnr1和Jnr2分别表示改性沥青在0.1、3.2kPa应力作用下的平均不可恢复蠕变柔量。3种改性沥青在64℃和70℃时的Jnr1和Jnr2如图6所示。由图6可知：3.2kPa下沥青的Jnr2值高于0.1kPa下沥青的Jnr1值，70℃下沥青的Jnr值高于64℃下沥青的Jnr值，可见应力增大或者温度升高会使改性沥青的不可恢复蠕变柔量增大，导致改性沥青抗永久变形能力变差；在同一应力或温度条件下，3种改性沥青的Jnr值由大到小依次为橡胶改性沥青、SBS改性沥青、高黏改性沥青，说明高黏改性沥青具有较好的高温抗永久变形能力。

2.3.2 应力敏感性

采用0.1、3.2kPa下的不可恢复蠕变柔量的相对差异来表示应力敏感性Jnr-diff，按照式(5)计算，结果如图7所示。

由图7可以看出：当温度为64℃时，SBS改性沥青、橡胶改性沥青、高黏改性沥青的Jnr-diff值分别为11.1％、102.7％、20.3％；当温度条件为70℃时，SBS改性沥青、橡胶改性沥青、高黏改性沥青的Jnr-diff值分别为20.5％、109.1％、158.1％。温度升高，改性沥青的应力敏感性增大，说明温度越高，改性沥青的应力敏感性越突出。AASHTOMP19-10中要求Jnr-diff值不大于75％，64℃、70℃下橡胶改性沥青的Jnr-diff值和70℃下高黏改性沥青的Jnr-diff值均远大于75％，这可能归因于改性沥青已经发生了蠕变破坏。

3  低温流变性能

通过弯曲蠕变劲度试验以及得到的蠕变劲度、蠕变速率等指标分析3种改性沥青的低温流变性能。

3.1 蠕变劲度和蠕变速率

改性沥青在-12℃、-18℃、-24℃温度条件下的蠕变劲度s和蠕变速率m分别如图8和图9所示。由图8可知：3种改性沥青的蠕变劲度s随着温度的升高呈降低趋势，具体表现为s与温度呈指数关系且相关性较高；温度降低，高黏改性沥青与SBS改性沥青、橡胶改性沥青蠕变劲度之间的差异明显增大，而SBS改性沥青和橡胶改性沥青的差异则随着温度降低逐渐缩小；沥青的蠕变劲度s越大，在恒定应力下的应变响应越小，这对沥青的低温抗裂性能是不利的。由图8可知，3种改性沥青蠕变劲度由大到小依次为SBS改性沥青、橡胶改性沥青、高黏改性沥青，因此高黏改性沥青低温抗裂性更好。

由图9可知：蠕变速率m值随着温度的升高呈增大趋势，m与温度存在指数关系，且相关性较高；3种改性沥青的蠕变速率在-12℃和-18℃温度条件下由大到小的顺序为橡胶改性沥青、SBS改性沥青、高黏改性沥青；在-24℃温度条件下由大到小的顺序为高黏改性沥青、橡胶改性沥青、SBS改性沥青，蠕变速率越大，低温效果越好；在-12℃和-18℃温度条件下橡胶改性沥青的低温性能最好，在-24℃温度条件下高黏改性沥青的低温性能最好，温度不同，改性沥青的低温性能不同，这可能与改性沥青的感温性有关。

3.2 低温感温性

研究表明[29]，蠕变劲度指数可以表征沥青的低温感温性，计算如下

根据式(6)计算3种改性沥青的低温感温性，如图10所示。

由图10可知，SBS改性沥青、橡胶改性沥青、高黏改性沥青的蠕变劲度指数分别为0.0692、0.0765、0.0577，三种改性沥青蠕变劲度的对数随温度变化从快到慢依次为橡胶改性沥青、SBS改性沥青、高黏改性沥青，高黏改性沥青的温度敏感性最低，低温稳定性最好。

4  结语

(1)SBS、橡胶和高黏改性沥青的低频复数剪切模量相差较大，即高温性能相差较大；高频复数剪切模量相差较小，低温变形能力由大到小依次为SBS改性沥青、橡胶改性沥青、高黏改性沥青。

(2)不可恢复蠕变柔量越大，沥青抗永久变形能力越弱，高黏改性沥青的抗永久变形能力优于橡胶和SBS改性沥青；应力增大或者温度升高都会导致改性沥青的不可恢复蠕变柔量增大。

(3)温度降低，沥青的低温蠕变劲度增大，蠕变劲度与温度呈近似指数关系；温度降低，沥青的蠕变速率减小，蠕变速率与温度呈近似指数关系；高黏改性沥青的低温抗裂性优于SBS和橡胶改性沥青；可以用蠕变劲度指数表示改性沥青的低温感温性，高黏改性沥青的温度敏感性低于SBS和橡胶粉改性沥青的温度敏感性，高黏改性沥青的低温稳定性较好。

(4)本文仅研究了不同改性沥青的高低温流变性能，下一步可以采用时间扫描试验或线性振幅扫描试验研究不同改性沥青的疲劳流变性能。