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聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

宣布日期：

2024-03-29

摘要

基于聚合物改性沥青的原理和分类，详细总结了低温延度、测力延度、弗拉斯脆点、玻璃化转变温度和弯曲梁流变试验关于均质聚合物改性沥青的适用情形，评价了非均质聚合物改性沥青系统的研究现状，为后续聚合物改性沥青低温性能评价要领提供借鉴。

要害词：改性沥青 | 低温性能评价要领 | 均质系统

沥青路面依附修建、养护周期短，路面平整，行车恬静等优势被普遍应用于蹊径建设。然而，部分地区冬季严寒(zui低温度达-30℃以下)，低温一连时间长，雨雪天气频仍，致使沥青路面受冻爆发疲劳裂痕；别的，较大的昼夜温差使得路表变温显著，爆发温缩裂痕，严重缩短了路面的使用寿命。在沥青中加入聚合物，借助聚合物自己的结构特征或聚合物与沥青间的相互作用，有助于提高沥青质料的软化点，降低其脆化温度，同时提高路面的耐久性能。

现在，对千提高聚合物改性沥青高温性能的看法较量一致；而对低温性能，只管已有系列评价要领，但这些要领对差别改性沥青的适用性仍有待进一步研究[1]。本文在概述聚合物改性沥青原理和性能特点的基础上，详细总结聚合物改性沥青低温性能的评价要领，剖析其对改性沥青的适用性，并展望聚合物改性沥青低温性能评价要领。

聚合物改性沥青概述

聚合物改性沥青是指聚合物经由剪切、搅拌操作后，匀称疏散在沥青中形成的两相或多相共混质料。初始阶段，聚合物为疏散相，沥青为一连相，聚合物吸收沥青中的轻质组分一直溶胀，部分转化为一连相，三维网络结构的形成为沥青质料提供了优异的物理和化学性能。

聚合物改性剂一样平常可分为三类：树脂类，如聚乙烯(PE)、乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)等；热塑性弹性体类，如苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯－异戊二烯嵌段共聚物(SIS)、聚氨酯、有机硅氧烷等；橡胶类，如丁苯橡胶(SBR)、无归聚丙烯(APP)、废胶粉(GTR)等。显微镜图见图1。

SBS为三嵌段共聚物，其中苯乙烯为硬段，有助于提高SBS在沥青中的疏散及物理联络；丁二烯为软段，为改性沥青提供弹性和韧性，因此SBS有-80°C和80°C两个玻璃化转变温度[3]。

SBS改性沥青的一样平常使用温度介于以上两者之间，具有优异的崎岖温性能，险些成为改性沥青的代名词。从相结构剖析，由于SBS为热塑性聚合物，高温时易吸收沥青中的轻质组分，溶胀成胶状物质，匀称疏散在沥青中，形成均质系统，其微观组成如图1所示。然而，SBS本钱较高且容易老化，倒运于大规模推广[4]。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

橡胶沥青不但能有用改善沥青的耐疲劳、耐老化和耐低温性能，同时可以降低废旧轮胎群集爆发的倒运影响。古板的橡胶沥青热贮存稳固性差，贮存和运输历程中胶粉颗粒容易沉降。这是由于热固性的胶粉颗粒与沥青的相容性较差，爆发不完全溶胀，形成非均质系统。TerminalBlend胶粉改性沥青手艺通过选用细胶粉(40-80目)在高温高压高剪切条件下降解以提高胶粉在沥青中的消融能力[6]。为了进一步控制胶粉的降解情形，Cheng等[7]接纳低温搅拌就地热再外行艺对胶粉举行脱硫活化处置惩罚，并研究了再生工艺对再生效果的影响。Wu等[8]研究发明改性胶粉在沥青中的疏散性和稳固性显着改善，可部分取代沥青制备高掺量橡胶沥青[9]此时橡胶的三维网络严重破损，橡胶颗粒疏散匀称，形成均质系统。橡胶沥青和再生胶改性沥青外貌形貌见图2。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

改性沥青的低温性能评价

改性沥青的低温性能评价要领主要由基质沥青沿用生长而来，5℃延度、弗拉斯脆点、低温针入度等履历性指标以及BBR试验、玻璃化转变温度均被用于评价改性沥青的低温性能。然而，现实使用历程发明，改性沥青是一个重大系统，聚合物的保存及其疏散状态对试验效果有较大影响，部分指标并不可准确反应改性沥青的低温性能，甚至沥青试验效果与混淆料的低温性能矛盾。因此，针对均质和非均质的改性沥青系统，详细剖析其常用的低温性能评价要领，以期为改性沥青的工业性能评价提供理论指导。

均质系统评价要领

改性沥青均质系统指聚合物经由剪切和搅拌操作后在沥青中疏散匀称且贮存稳固的共混系统，树脂改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青以及TB改性沥青均属于均质舷领域。由千此时系统均一，改性沥青低温性能评价效果能基本反应整体改性沥青的状态，然而受到评价要领原理和操作的影响，差别的评价要领适用性差别。

(1)低温延度与测力延度

沥青的延度作为评价沥青通例性能的三大指标之一，由千操作轻盈，效果直观等优势被普遍使用。延度体现特定长度的沥青样品在指定温度和拉伸速率时直至试件拉断所能举行的zui大伸长长度。我国现行的《公路改性沥青路面施工手艺规范》接纳5℃延度作为评价改性沥青低温抗裂性能的主要指标。相同温度时，延度越大，批注沥青的低温性能越好。差别含量SBS改性沥青的低温性能评价见表1。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

沈金安[11]通过延度试验较量了多种改性沥青的低温性能，发明星型SBS改性沥青的低温性能显着优千线型SBS改性沥青，且SBS改性沥青、SBS/PE复合改性沥青、PE改性沥青的低温性能依次递减。然而，詹小丽等[10]接纳灰色关联法研究SBS改性沥青的性能发明，改性沥青的低温延度与沥青混淆料低温性能的关联度较差，王鹏等[12]使用灰色关联剖析法也获得了类似的结论，说明低温延度不可准确评价SBS改性沥青的低温性能，但其效果对改性沥青低温评价具有参考意义。

从延度试验效果来看，延度试验的温度对其保存影响。1988年美国联邦公路局在AASHTO规范中将4'C延度作为评价沥青低温性能的评价要领；第十八届国际蹊径聚会确定了0℃延度的主要意义，而我国以5℃延度作为评价标准[13]。然而，这些标准温度均与严寒地区沥青路面的现实温度有较大差别，而接纳真实低温举行测试较量难题；别的，延度测试忽视了改性剂和沥青的低温敏感性对效果的影响。

测力延度在通例延度试验的基础上加装了力传感器和收条收罗处置惩罚系统，通过测试可获得拉力关于延度的曲线图，见图3。曲线与横坐标组成的面积即为对应的测力延度，该历程现实拉力巨细随温度转变显着，填补了古板延度试验的缺乏。刘成等[14]接纳测力延度研究了SBS掺量对改性沥青低温性能的影响，发明差别掺量的改性沥青测力延度差别显着。别的，陈佩林等[15]通过测力延度准确区分了基质沥青SBS改性沥青、APAO改性沥青和SBR改性沥青，说明测力延度可用于差别类型聚合物改性沥青的判断，侧面说明测力延度可有用表征改性沥青的低温性能。然而，低温延度和测力延度试验均是履历性要领，缺乏明确的物理意义；同时，路面的低温开裂一定水平受路面质料老化影响，而延度测试的主要工具为改性沥青原样，因此延度的测试效果不可完全说明蹊径质料的低温变形能力[4]。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

(2)弗拉斯脆点

弗拉斯脆点指等速降温条件下，涂附在钢片外貌的一定质量的沥青薄膜弯曲受力时爆发脆裂破损对应的临界温度，常被用于评价沥青的低温抗开裂性能，尤其适用于基质沥青的低温性能评价。弗拉斯脆点越低，沥青质料的低温性能越好。一样平常情形下，聚合物的加入有利千降低沥青的弗拉斯脆点。肚medzadeP等(16)研究了改性剂对沥青低温性能的影响，发明SBS的加入使得沥青的弗拉斯脆点降低；然而，继续增添SBS,改性沥青的脆点坚持稳固。别的，接纳弗拉斯脆点评价差别结构的SBS改性沥青时效果区分度也不高[17]。

弗拉斯脆点的测试效果受沥青种类影响大，与沥青中沥青质的含量相关，我国生产沥青的沥青质含量远高千其他国家，因此较量差别种类的改性沥青时bi须以同品种的基质沥青为实验条件。别的，弗拉斯脆点的测试效果也受到实验操作的限制，改性剂在沥青中的优异疏散以及涂覆匀称的沥青薄膜均有利千阻止泛起应力集中，提高测试效果的jing准性。差别SBS改性沥青的弗拉斯脆点见表2。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

(3)玻璃化转变温度(Tg)

无定形聚合物的模量随温度转变体现出4种差别的状态，划分对应聚合物的玻璃态、玻璃态-橡胶态转变、橡胶态和黏流态。见图4。玻璃化转变温度是聚合物由玻璃态至橡胶态转变对应的温度，此时质料由脆性转变为弹性状态。聚合物改性沥青从广义上属千聚合物领域，其低温开裂的实质是沥青在现实使用温度时处于玻璃态，从而爆发脆性断裂，该征象与其粘弹性行为相对应[18]。因此，可用玻璃化转变温度评价沥青的低温性能。质料的玻璃化转变温度越低越好，当其远低千改性沥青的zui低效劳温度时，沥青质料处于高弹性，通过变形可有用释放温度转变引起的内部应力，镌汰低温开裂的爆发。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

质料的玻璃化转变温度可由升降温历程中物理性子(如体积、热力学性子、电磁性子以及力学性子)突变所对应的温度确定。其中，示差扫描量热法(DSC)由于样品用量少，测试精度高，被普遍用于质料玻璃化转变温度简直定。Zhang等(20]通过大宗DSC试验证实改性沥青的玻璃化转变温度与其低温性能保存直接对应关系，说明接纳玻璃化转变温度表征聚合物改性沥青的低温性能具有理论和现实可行性。差别的聚合物改性沥青对应差别的玻璃化转变温度，这是由于聚合物保存差别的结晶形态和吸放热，同时聚合物与沥青的相容性以及两者相互作用差别[19，21]。动态力学剖析法(DMA)通过测定沥青质料的动态力学谱以确定玻璃化转变温度。牛岩等[22]使用DMA在弯拉受力模式下获得了基质沥青、SBS改性沥青以及橡胶沥青及其混淆料的玻璃化转变温度。研究发明，差别改性沥青及其混淆料的玻璃化转变温度区明确显，与混淆料的低温性能相关性好；相比改性沥青的玻璃化转变温度，接纳混淆料的玻璃化转变温度评价其低温性能越发合理。然而，与延度和弗拉斯脆点法相比，接纳玻璃化转变温度评价改性沥青低温性能的研究较少，涉及的改性沥青种类有限，因此仍需进一步开展相关研究。5种改性沥青的延度和玻璃化转变温度较量见表3。玻璃化转变温度和压缩应变能密度的相关性[19]见图5。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

(4)弯曲梁流变试验(BBR)

弯曲梁流变试验是美国战略公路研究妄想(SHRP妄想)划定的沥青低温性能评价要领，其以沥青和聚合物的流变学为基础，是现在研究改性沥青低温性能zui常用和gao效的手段之一。其中蠕变劲度和蠕变速率是评价沥青低温性能的两个常用指标，蠕变劲度体现沥青在低温下的变形能力，蠕变速率表征沥青在低温下的应力松懈能力。相同测试温度下，蠕变劲度越小，蠕变速率越大，沥青的低温性能越好。

现在巳有大宗接纳BBR评价沥青低温性能的研究。Kok等[23]通过试验证实BBR的测试效果与混淆料低温性能相关性较高。随后，Rezaei[24]运用BBR研究了改性剂SBS对沥青低温性能的改善机理。在此基础上，马晓燕等[25]研究了5种基质沥青和5种SBS改性剂对改性沥青低温性能的影响。效果批注，基质沥青的种类对改性沥青的低温性能起决议性作用，改性剂类型以及改性剂掺量的影响水平依次降低。该结论也间接说明BBR效果的jing确性远高于低温延度和Frass脆点。别的，董文龙等[26]划分接纳线性和星型SBS改性沥青，并通过BBR剖析了差别改性剂的改性效果，效果批注，星型SBS改性沥青的低温性能更佳，这是由于接纳星型SBS改性沥青更有助于构建三维交联网络，从而提高沥青的低温抗开裂性能。见表4。

聚合物改性沥青的低温性能评价要领研究

只管BBR试验可以有用评价沥青的低温性能，然而这种要领也保存一定的局限性。首先，BBR试验接纳6℃的分级温度效果，分级的温度间差别较大，难以评价低温性能靠近的改性沥青；别的，现在针对BBR试验的剖析多接纳劲度模量和蠕变速率等简单指标，缺乏对沥青变形情形和松懈能力的综合考量，因此获得的剖析效果不敷完整[27]。

非均质系统评价要领

非均质系统也称不稳固系统，在研究较多的聚合物改性沥青中特指橡胶沥青。这是由于废旧胶粉高温高剪切条件下降解形成溶胶和凝胶两部分，凝胶微观泛起三维交联的网络结构，颗粒达毫米标准，容易群集，导致沥青样品性能测试效果不稳固。

现在对橡胶沥青低温性能的评价要领仍参照均质的聚合物改性沥青举行。徐俊旺[28]研究了5℃延度、弗拉斯脆点以及BBR试验对橡胶沥青的适用情形。效果批注，5℃延度的测试效果与现实矛盾，不宜用作橡胶沥青的低温性能评价指标；弗拉斯脆点一定水平可用于橡胶沥青低温性能评价，但部分样品的区分度不显着；BBR试验获得的评价效果与混淆料低温评价一致性高，该法相比前两者对橡胶沥青的适用性更强。然而，由于橡胶沥青为非均质状态，以上测试效果仅具备参考价值而无现实物理意义，bi须接纳适当的工艺对胶粉举行脱硫处置惩罚，将橡胶沥青转化为均质状态才可用上述要领对其低温性能举行评价。如董瑞琨等[29]使用DSC和BBR研究了高温裂解工艺对橡胶沥青低温性能的影响，发明高温脱硫裂解有利于提高改性沥青的低温性能。与其他聚合物改性沥青相比，橡胶沥青具有突出的低温性能，其-24℃时的劲度模量仅为SBS改性沥青的一半[30]。

关于非均质沥青系统的低温性能评价，bi须将其制备成对应的沥青混淆料，举行沥青混淆料的低温抗裂性能试验，如等应变加载破损试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、缩短系数试验、应力松懈试验以及等[31]。

总结与展望

a)改性沥青的低温延度测试未充分思量差别聚合物的低温敏感性，测试效果与混淆料低温性能相差大，但操作轻盈，应用较广；测力延度的测试原理相对低温延度有所刷新，但物理意义不明确，太过关注原样沥青导致效果与路面现实有误差。

b)弗拉斯脆点尤其适用千基质沥青的低温性能评价，其测试效果对千评价改性沥青的低温性能有参考价值，但部分样品区分度不显着。

c)玻璃化转变温度从粘弹性角度剖析改性沥青的低温性能，兼具理论和现实意义，可以有用反应改性沥青的低温性能；然而，接纳该指标评价改性沥青的研究相对较少，其对差别种类改性沥青低温性能的适用性仍有待进一步开展。

d)弯曲梁流变试验可以有用评价改性沥青的低温性能，评价效果与混淆料低温抗开裂测试效果的一致性高，不但能够表征改性低温性能的优劣，还能gao效区分差别种类的改性沥青，然而其评价效果的一连性尚有待研究。

e)古板的沥青低温性能评价要领获得的效果对非均质沥青系统仅有参考价值，对应混淆料的低温抗开裂性能评价才华真实反应沥青质料的低温性能。

f)因沥青容易老化，评价其低温性能时有须要思量老化后沥青的脆性指标。

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全文完宣布于《石油沥青》2019年12月

通讯作者:谢艳玲(1995.06-)，女，江苏无锡人，硕士研究生，从事蹊径用沥青质料的研究

文章转载于“沥青路面”民众号

我司部分文章泉源于网络，未能与原作者取得联系，如涉及版权问题请与我们联系，我们会实时处置惩罚

Matest-Pavetest的BBR是一种热电型低温沥青弯曲梁流变仪，用于测试沥青胶结料在室温到-40℃（±0.03℃）的弯曲蠕变试验。荷载由微型伺服控制作动器施加，可施加+25N的负载，加载频率可以从静态到动态25Hz，无需设置空压机供应压缩空气。沥青弯曲梁流变仪通过伺服控制不需要频仍校准以及重复调理空气轴承的压力。只需输入所需的荷载数值，伺服控制的作动器就会以难以置信的精度施加并坚持所设定的荷载。使用装置在机械正面的温度控制器可以很是准确地控制温度。用户可以使用控制器或通过软件设置浴温。沥青弯曲梁流变仪系统的焦点是Matest-Pavetest的控制和数据收罗系统（CDAS2）和（TestLab）软件。

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?沥青胶结料的弯曲蠕变试验

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