于 江 ，趙 群 ，葉 奮 ，宋卿卿

（1. 新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

在我國寒冷地區(qū)，低溫開裂是影響瀝青路面服役壽命的主要因素之一. SHRP （strategic highway research programe）研究表明瀝青材料對瀝青路面低溫開裂性能的貢獻可達80%[1]. 為解決寒冷區(qū)道路的低溫開裂問題，大量兼顧高低溫性能的改性瀝青在道路工程中得到廣泛運用；在眾多的改性瀝青中，活化雙螺桿擠出膠粉改性瀝青（AER）[2-5]與目前已知的改性瀝青有很大不同，一方面是通過廢機油活化使膠粉表面疏松、更易溶脹脫硫，另一方面是通過雙螺桿擠出技術進行脫硫得到的一種全新的瀝青膠結料. 目前針對AER的研究主要集中在AER膠粉的擠出溫度和其摻量的高低溫性能研究[4,5]，且大多數(shù)對橡膠類改性瀝青低溫性能的研究是通過常規(guī)試驗和低溫小梁試驗[6-9]：如 Rooj等[10]、趙安東[11]通過動態(tài)熱機械分析儀和低溫彎曲試驗發(fā)現(xiàn)AER改性瀝青具有優(yōu)良的低溫性能；黃衛(wèi)東等[12]采用低溫小梁蠕變BBR試驗分析了Terminal Blend膠粉改性瀝青的低溫性能，發(fā)現(xiàn)當Terminal Blend膠粉摻量為 15%和20%時其低溫性能得到顯著改善，低溫分級可達28 ℃. 董瑞琨等[13-14]通過低溫延度試驗表明，Terminal Blend膠粉對瀝青的低溫延展性有明顯的提升.

然而，瀝青的低溫性能與不同的老化狀態(tài)實際上存在著一定的關聯(lián)；同時不同老化狀態(tài)下的瀝青微觀結構有所不同，使其低溫性能也存在一定的差異，該差異將直接影響到改性瀝青的低溫改性效果.陳華鑫等[15]發(fā)現(xiàn)小梁彎曲蠕變勁度（BBR）試驗可以有效地評價瀝青老化前后的特性；李萍等[16-17]等采用紅外光譜（FTIR）檢測技術定量分析了瀝青老化前后官能團特征峰指標與宏觀指標的關系，認為老化降低了SBS改性瀝青的低溫性能. 因此本研究對原樣、短期及長期老化狀態(tài)下的AER改性瀝青及其AER/SBS復合改性瀝青進行低溫BBR試驗，并結合Burgers模型計算的黏彈力學指標與FTIR技術檢測計算的官能團特征峰指標綜合分析AER改性瀝青及其復合改性瀝青各項物理指標和化學指標之間的內在聯(lián)系，從多角度對其低溫性能進行評價.

1 試驗方法及模型

1.1 試驗材料及制備

基質瀝青選用ESSO70號瀝青，其基本性能見表1. 改性劑： 經(jīng)活化雙螺桿擠出輪胎AER橡膠粉，SBS選用岳陽石化產1 301-1型線型SBS. AER膠粉（質量分數(shù)，下同）摻量為10%、15%、20%，SBS摻量為2%、3%、4%，穩(wěn)定劑選用硫磺.

表1 ESSO70瀝青技術指標Tab. 1 Properties of ESSO70 asphalt

AER改性瀝青的制備：基質瀝青預熱到170 ℃加入AER膠粉剪切20 min后使用電動攪拌機攪拌1 h備用. AER/SBS復合改性瀝青的制備：將不同摻量的SBS摻入AER改性瀝青并加熱至185 ℃，采用電動攪拌機攪拌2 h后摻入硫磺攪拌1 h.

表2為原樣AER改性瀝青及AER/SBS復合改性瀝青的常規(guī)性能指標.

表2 AER改性瀝青的物理性能指標Tab. 2 Properties of AER modified asphalt

1.2 試驗方案

1） 老化試驗：采用旋轉薄膜烘箱（RTFOT）和壓力老化箱（PAV）室內模擬老化[18]，以獲得短期和長期老化態(tài)下的AER改性瀝青及AER/SBS復合改性瀝青老化樣品；

2） 基本性能試驗：通過針入度、5 ℃延度、軟化點及135 ℃旋轉黏度（brookfield）試驗獲得ESSO70基質瀝青、原樣AER改性瀝青及AER/SBS復合青改性瀝青的常規(guī)性能指標；

3） 低溫 BBR 試驗：對原樣（origin）、短期和長期老化態(tài)下的ESSO70基質瀝青、原樣AER改性瀝青及AER/SBS復合青改性瀝青進行低溫BBR試驗，其試驗溫度為-12、-18、-24 ℃，每個摻量做兩組平行試樣，最終的勁度模量S和蠕變速率m值取試驗次數(shù)的平均值. 根據(jù)規(guī)范以S= 300 MPa和m=0.3進行對數(shù)插值，計算兩者的分級溫度差ΔT，并取較大值作為瀝青最后的連續(xù)分級溫度T；

4） 通過紅外光譜FTIR檢測技術獲得不同瀝青樣品特征官能團信息，每個瀝青樣品進行2組平行試驗.

1.3 Burgers模型及官能團特征峰指標

1.3.1 Burgers模型

Burgers模型是由彈簧和黏壺兩種元件串并聯(lián)形成的四元件模型，能夠有效地表征黏彈性材料的蠕變恢復和應力松弛等力學行為，因此可以更好地反映瀝青材料的黏彈特性[19]，該模型的蠕變方程為

式中：ε（t）為總應變；t為荷載作用的時間；E1為瞬時彈性模量；η1為黏性系數(shù)；E2和η2分別為物體在長時間荷載作用下發(fā)生的變形和卸載時變形無法立即恢復時的粘彈性指標；σ0為試驗荷載，σ0=0.293 MPa.

Burgers參數(shù)（E1、E2、η1、η2）通過 BBR 試驗數(shù)據(jù)得到，同時得到松弛時間λ=η1/E1和延滯時間τ=η2/E2指標.

對瀝青而言，體系的耗散能Wd（t）越高，存儲能Ws（t）越低，表征瀝青的低溫疲勞性能越好. 故采用耗散能比（Wd（t）/Ws（t））對瀝青進行低溫疲勞性能評價[19]，如式（2）.

1.3.2 官能團特征峰

為定量分析不同老化狀態(tài)下AER改性瀝青及其復合改性瀝青的特征官能團變化，采用兩點法得到特征官能團的特征峰面積（圖1）以計算其特征指數(shù)，以此對其紅外光譜下的特性進行分析. 所采用的特征峰峰位及譜峰歸屬見表3. 由于瀝青的結構較為復雜，性質差別很大，而且瀝青受到濃度和環(huán)境濕度的影響較大，因此直接對比紅外圖譜中的峰高和峰面積是沒有意義的，故選取一定的參比面積，對其參比值進行歸一，則引入了七大特征峰指標（表3）.

圖1 官能團特征峰面積示意Fig. 1 Diagram of characteristic peak area

表3 峰位置與譜峰歸屬Tab. 3 Peak position and belongingness

2 結果與分析

2.1 BBR試驗結果與Burgers模型參數(shù)確定

表4為不同老化狀態(tài)和不同試驗溫度下基質瀝青、AER改性瀝青以及AER/SBS復合改性瀝青的低溫BBR試驗數(shù)據(jù).

表4 不同老化狀態(tài)下的BBR結果Tab. 4 Low temperature bending bean rheology (BBR) test results under different aging conditions

通過表4對比分析可知，不同老化下AER改性瀝青、AER/SBS復合改性瀝青與基質瀝青相比其勁度模量S發(fā)生降低，蠕變速率m得到提升，且AER橡膠與SBS的摻量越大其S的降低程度和m的提升程度就越明顯，這表明AER橡膠和SBS改性劑可使瀝青材料的低溫性流變能得以改善和提升.

圖2為不同老化狀態(tài)下基質瀝青、AER改性瀝青及AER/SBS復合改性瀝青的PG （performance grade）低溫分級溫度.

圖2 低溫等級溫度Fig. 2 Low temperature performance grades

根據(jù)表4和圖2可知：1） 在未老化和短期老狀態(tài)下，AER改性瀝青和AER/SBS復合改性瀝青的低溫溫度相對于基質瀝青均得以改善，且短期老化的低溫溫度較未老化相比略有提升，且AER橡膠和SBS摻量越大其提升的越明顯；AER改性瀝青與AER/SBS復合改性瀝青相比，摻入SBS的AER/SBS復合改性瀝青在未老化和短期老化狀態(tài)下其低溫溫度相對于AER改性瀝青的低溫性能較好，且S降低m增大，如AER橡膠摻量為10%，SBS摻量分別為 2%、3%、4%的 10AER2SBS，10AER3SBS，10AER4SBS的復合改性瀝青其低溫溫度與10AER改性瀝青相比，未老化分別降低了2.7、2.9、3.2 ℃，短期老化降低了1.3、1.6、1.7 ℃，這表明摻入SBS的AER/SBS復合改性瀝青在未老化和短期老化狀態(tài)下其低溫性能要優(yōu)于AER改性瀝青.

2） 在長期老化狀態(tài)下，基質瀝青和AER/SBS復合改性瀝青的低溫性能發(fā)生顯著下降，表現(xiàn)為S顯著增大，m顯著降低，說明長期老化使得基質瀝青和AER/SBS復合改性瀝青的油性成分（芳香分和飽和分）減少[20]，瀝青材料中瀝青質所占的比例相對升高，這使得瀝青的塑性和延性發(fā)生降低，最終導致其低溫溫度有所上升，其中ESSO70、10AER2SBS、10AER3SBS、10AER4SBS改性瀝青上升的溫度分別為 0.7、1.7、1.2、1.4 ℃. 對于 AER 改性瀝青而言，在長期老化后，其低溫溫度卻有所降低，10AER、15AER、20AER改性瀝青在長期老化狀態(tài)下低溫溫度較短期老化降低了0.8、1.7、2.3 ℃，PG分級分別達到29、30、32 ℃，這說明AER改性瀝青的低溫抗老化性能優(yōu)于基質瀝青和AER/SBS復合改性瀝青. 究其原因可能是：① AER橡膠采用雙螺桿擠出工藝制得，其不僅能釋放出膠粉內部吸收的輕質組分，還能剪切破碎橡膠顆粒[11]，從而使得AER改性瀝青的低溫抗裂性得以改善；② 長期老化作用下AER/SBS復合改性瀝青中的輕質成分降低，同時SBS溶脹吸收了改性瀝青中的輕質成分，導致復合瀝青中輕質成分進一步減少，進而使AER/SBS復合改性瀝青低溫性能降低，AER改性瀝青低溫性能好；③ 長期老化作用下AER/SBS復合改性瀝青中的SBS可能產生了離析致使其低溫性能不如AER改性瀝青的低溫性能.

表5為基質瀝青、AER改性瀝青以及AER/SBS復合改性瀝青經(jīng)長期老化后得到的BBR試驗數(shù)據(jù)，以其-18 ℃為例進行數(shù)據(jù)分析，得到Burgers模型參數(shù)（E1、E2、η1、η2）、λ、τ、a黏彈性指標.

表5 Burgers模型的黏彈性指標（?18 ℃）Tab. 5 Burgers model of viscoelastic index (-18 ℃)

由表5可知：AER改性瀝青、AER/SBS復合改性瀝青與基質瀝青相比，其E1、E2參數(shù)都發(fā)生了降低，且AER橡膠摻量越大其下降程度越多，這說明AER橡膠和SBS的摻入使得瀝青發(fā)生了軟化，即降低勁度模量S；與基質瀝青相比，其η1、η2、λ發(fā)生減小，a發(fā)生了增大現(xiàn)象，且隨著AER橡膠和SBS摻量的增加，η1、η2、λ降低的程度和a增加的程度均增大，這說明AER橡膠和SBS能夠改善瀝青材料的低溫抗疲勞性能和抗變形能力，使其低溫性能得到保證與改善；與此同時，這些黏彈性指標所反映的規(guī)律與S、m的規(guī)律相符，說明采用黏彈性指標對基質瀝青、AER改性瀝青以及AER/SBS復合改性瀝青的低溫流變性能進行評價是較為合理的.

2.2 瀝青低溫性能與其化學組成的相關性分析

瀝青材料的低溫性能的優(yōu)劣受其本身化學組成和其各成分含量的影響，為了更好的從其化學組成及結構上對瀝青材料進行低溫性能分析研究，采用紅外光譜檢測方式對不同老化狀態(tài)下基質瀝青、AER改性瀝青以及AER/SBS復合改性瀝青的特征官能團進行了檢測，并將其與瀝青材料低溫指標進行了相關性分析，以期定量分析瀝青材料老化前后基質瀝青、AER改性瀝青以及AER/SBS復合改性瀝青官能團的變化規(guī)律.

表6為基質瀝青、AER改性瀝青以及AER/SBS復合改性瀝青在不同老化狀態(tài)下的特征峰指標. 由表6可知：基質瀝青、AER改性瀝青中不含有苯乙烯（苯乙烯指數(shù)IS），而AER/SBS復合改性瀝青含有，且隨著SBS摻量的增加IS的值越大，隨著老化程度的增加IS值也越大，這說明SBS改善了老化對AER改性瀝青的影響，SBS摻量越高改善效果越顯著；AER改性瀝青的脂肪指數(shù)IA和脂肪支鏈指數(shù)IAR與基質瀝青相比均有提高，AER橡膠摻量越高其指數(shù)越高，而摻有SBS的AER/SBS復合改性瀝青反而降低了AER改性瀝青的IA和IAR，這表明AER橡膠加入到基質瀝青中增加了瀝青材料的輕質組分，而在基質瀝青中加入AER橡膠、SBS后瀝青材料中的輕質組分有部分被SBS所吸收；AER改性瀝青和AER/SBS復合改性瀝青的脂肪長鏈指數(shù)IAL與基質瀝青相比發(fā)生明顯的降低，且AER/SBS復合改性瀝青的IAL降低的最為顯著，這說明AER橡膠、SBS摻入瀝青中其低溫性能與其IAL之間必然存在著一定關聯(lián)性.

表6 瀝青各官能團指數(shù)結果Tab. 6 Results of various functional groups of asphalt

表7為AER改性瀝青其官能團與其各低溫指標之間的相關性，其結果采用SPSS軟件進行皮爾遜相關性分析得到. 由表 7 可知：S、m、S/m，E1、E2、η1、η2、λ與低溫溫度T的相關性均達到0.9以上，說明這些低溫指標與低溫溫度T存在密切的關系；IA和IAL與S、m、S/m、E1、E2、η1、η2、λ具有很高的相關性，最高相關性達0.961，最低相關性達-0.812，這說明IA和IAL對AER改性瀝青的低溫性能起到?jīng)Q定性作用；IA與S、m呈正相關，相關性為 0.961、0.846，與低溫溫度T呈負相關性（-0.902），同時IAL與S、m呈負相關相關性，為-0.878、-0.936，與低溫溫度T呈正相關性，為0.811，這表明IA有利于AER改性瀝青的低溫性能，而IAL含量較高則反之，究其原因是由于IA和IAL中含有亞甲基（-CH2）、亞甲基鏈段（CH2）n（n≥ 4）、甲基（-CH3）致使瀝青材料中輕質成分增加，進而改善其低溫性能.

表7 黏彈性指標的相關性結果（?18 ℃）Tab. 7 Correlation results of viscoelasticity index (-18 ° C)

2.3 低溫指標擬合分析

對AER改性瀝青各低溫指標進行線性擬合，其擬合度較高，結果如圖3所示. 圖3（a）可知，無論是-12 ℃還是-18 ℃，AER改性瀝青的S/m指標與低溫溫度T有著緊密的關系，當S/m越小，其低溫性能越好. 圖3（b）可知，低溫溫度T與IAL較好的線性關系，當IAL越小，其含量越小，AER改性瀝青的低溫抗變形能力越好，其低溫性能越佳. 由表6可知，IAL和IA呈反比關系，因此在瀝青材料中增加脂肪系數(shù)的含量和降低脂肪長鏈的含量有助于提高瀝青材料的韌性，從而提高瀝青材料的低溫性能. 由圖3（c）可知，λ與a呈線性相關，λ和a的線性擬合達到0.953 4，同時a越大，松弛時間λ越小，說明AER改性瀝青的低溫性能較好，且采用a和松弛時間λ對其低溫性能進行評價是較為合理的.

圖3 低溫指標的擬合結果Fig. 3 Fitting results of low temperature indicators

3 結 論

1） 在短期老化與長期老化狀態(tài)下，AER橡膠、SBS摻入瀝青中均可改善瀝青的低溫性能，且AER橡膠摻量越多改性瀝青低溫流變性能越好；同時短期老化下AER/SBS復合改性瀝青的低溫性能優(yōu)于AER改性瀝青，但長期老化下AER改性瀝青的低溫性能優(yōu)于AER/SBS復合改性瀝青，表明AER改性瀝青的低溫抗老化性能較好.

2） AER橡膠、SBS的摻入能夠改善瀝青的勁度模量，且AER橡膠對瀝青勁度模量的影響程度要大于SBS；通過Burgers模型得到的低溫黏彈性指標可知，AER橡膠、SBS使得瀝青的彈性模量E1、E2下降，λ下降，a增加，說明AER橡膠、SBS使瀝青材料的低溫性能更佳，這與S、m、S/m指標評價結果相符且相關性較高，因此采用黏彈性指標評價AER改性瀝青及AER/SBS復合改性瀝青是合理的.

3） AER改性瀝青的低溫性能與脂肪系數(shù)和脂肪長鏈有較高的線性相關性，脂肪系數(shù)與其低溫性能呈正相關，且脂肪系數(shù)含量越高瀝青低溫性能越好，而脂肪長鏈則反之.