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对于均质聚合物改性沥青的适用情况，评价了非均质聚合物改性沥青体系的研究现状，为后续聚合物改性沥青低温性能评价方法提供借鉴。

关键词：改性沥青 | 低温性能评价方法 | 均质体系

沥青路面凭借修建、养护周期短，路面平整，行车舒适等优势被广泛应用于道路建设。然而，部分地区冬季严寒(zui低温度达-30℃以下)，低温持续时间长，雨雪天气频繁，致使沥青路面受冻产生疲劳裂缝；此外，较大的昼夜温差使得路表变温显著，产生温缩裂缝，严重缩短了路面的使用寿命。在沥青中加入聚合物，借助聚合物本身的结构特性或聚合物与沥青间的相互作用，有助于提高沥青材料的软化点，降低其脆化温度，同时提高路面的耐久性能。

目前，对千提高聚合物改性沥青高温性能的看法比较一致；而对低温性能，尽管已有系列评价方法，但这些方法对不同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方法，分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方法。

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，均匀分散在沥青中形成的两相或多相共混材料。初始阶段，聚合物为分散相，沥青为连续相，聚合物吸收沥青中的轻质组分不断溶胀，部分转化为连续相，三维网络结构的形成为沥青材料提供了良好的物理和化学性能。

聚合物改性剂一般可分为三类：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在沥青中的分散及物理联结；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改性沥青的日常使用温度介于以上两者之间，具有优异的高低温性能，几乎成为改性沥青的代名词。从相结构分析，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，均匀分散在沥青中，形成均质体系，其微观组成如图1所示。然而，SBS成本较高且容易老化，不利于大规模推广[4]。

橡胶沥青不仅能有效改善沥青的耐疲劳、耐老化和耐低温性能，同时可以降低废旧轮胎堆积产生的不利影响。传统的橡胶沥青热储存稳定性差，储存和运输过程中胶粉颗粒容易沉降。这是因为热固性的胶粉颗粒与沥青的相容性较差，发生不完全溶胀，形成非均质体系。TerminalBlend胶粉改性沥青技术通过选用细胶粉(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溶解能力[6]。为了进一步控制胶粉的降解情况，Cheng等[7]采用低温搅拌就地热再生技术对胶粉进行脱硫活化处理，并研究了再生工艺对再生效果的影响。Wu等[8]研究发现改性胶粉在沥青中的分散性和稳定性明显改善，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坏，橡胶颗粒分散均匀，形成均质体系。橡胶沥青和再生胶改性沥青表面形貌见图2。

改性沥青的低温性能评价

改性沥青的低温性能评价方法主要由基质沥青沿用发展而来，5℃延度、弗拉斯脆点、低温针入度等经验性指标以及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，实际使用过程发现，改性沥青是一个复杂体系，聚合物的存在及其分散状态对试验结果有较大影响，部分指标并不能正确反映改性沥青的低温性能，甚至沥青试验结果与混合料的低温性能矛盾。因此，针对均质和非均质的改性沥青体系，详细分析其常用的低温性能评价方法，以期为改性沥青的工业性能评价提供理论指导。

均质体系评价方法

改性沥青均质体系指聚合物经过剪切和搅拌操作后在沥青中分散均匀且储存稳定的共混体系，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体系范畴。由千此时体系均一，改性沥青低温性能评价结果能基本反映整体改性沥青的状态，然而受到评价方法原理和操作的影响，不同的评价方法适用性不同。

(1)低温延度与测力延度

沥青的延度作为评价沥青常规性能的三大指标之一，由千操作简便，结果直观等优势被广泛使用。延度表示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进行的zui大伸长长度。我国现行的《公路改性沥青路面施工技术规范》采用5℃延度作为评价改性沥青低温抗裂性能的重要指标。相同温度时，延度越大，表明沥青的低温性能越好。不同含量SBS改性沥青的低温性能评价见表1。

沈金安[11]通过延度试验比较了多种改性沥青的低温性能，发现星型SBS改性沥青的低温性能明显优千线型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]采用灰色关联法研究SBS改性沥青的性能发现，改性沥青的低温延度与沥青混合料低温性能的关联度较差，王鹏等[12]利用灰色关联分析法也得到了类似的结论，说明低温延度不能准确评价SBS改性沥青的低温性能，但其结果对改性沥青低温评价具有参考意义。

从延度试验结果来看，延度试验的温度对其存在影响。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方法；第十八届国际道路会议确定了0℃延度的重要意义，而我国以5℃延度作为评价标准[13]。然而，这些标准温度均与寒冷地区沥青路面的实际温度有较大差距，而采用真实低温进行测试比较困难；此外，延度测试忽视了改性剂和沥青的低温敏感性对结果的影响。

测力延度在常规延度试验的基础上加装了力传感器和收据采集处理系统，通过测试可得到拉力关于延度的曲线图，见图3。曲线与横坐标构成的面积即为对应的测力延度，该过程实际拉力大小随温度变化明显，弥补了传统延度试验的不足。刘成等[14]采用测力延度研究了SBS掺量对改性沥青低温性能的影响，发现不同掺量的改性沥青测力延度差异明显。此外，陈佩林等[15]通过测力延度正确区分了基质沥青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不同类型聚合物改性沥青的判定，侧面说明测力延度可有效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经验性方法，缺乏明确的物理意义；同时，路面的低温开裂一定程度受路面材料老化影响，而延度测试的主要对象为改性沥青原样，因此延度的测试结果不能完全说明道路材料的低温变形能力[4]。

(2)弗拉斯脆点

弗拉斯脆点指等速降温条件下，涂附在钢片表面的一定质量的沥青薄膜弯曲受力时发生脆裂破坏对应的临界温度，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，沥青材料的低温性能越好。一般情况下，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，发现SBS的加入使得沥青的弗拉斯脆点降低；然而，继续增加SBS,改性沥青的脆点保持不变。此外，采用弗拉斯脆点评价不同结构的SBS改性沥青时结果区分度也不高[17]。

弗拉斯脆点的测试结果受沥青种类影响大，与沥青中沥青质的含量相关，我国出产沥青的沥青质含量远高千其他国家，因此比较不同种类的改性沥青时bi须以同品种的基质沥青为实验前提。此外，弗拉斯脆点的测试结果也受到实验操作的限制，改性剂在沥青中的良好分散以及涂覆均匀的沥青薄膜均有利千避免出现应力集中，提高测试结果的jing准性。不同SBS改性沥青的弗拉斯脆点见表2。

(3)玻璃化转变温度(Tg)

无定形聚合物的模量随温度变化表现出4种不同的状态，分别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，此时材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范畴，其低温开裂的实质是沥青在实际使用温度时处于玻璃态，从而发生脆性断裂，该现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。材料的玻璃化转变温度越低越好，当其远低千改性沥青的zui低服务温度时，沥青材料处于高弹性，通过变形可有效释放温度变化引起的内部应力，减少低温开裂的产生。

材料的玻璃化转变温度可由升降温过程中物理性质(如体积、热力学性质、电磁性质以及力学性质)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，被广泛用于材料玻璃化转变温度的确定。Zhang等(20]通过大量DSC试验证实改性沥青的玻璃化转变温度与其低温性能存在直接对应关系，说明采用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实际可行性。不同的聚合物改性沥青对应不同的玻璃化转变温度，这是因为聚合物存在不同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不同[19，21]。动态力学分析法(DMA)通过测定沥青材料的动态力学谱以确定玻璃化转变温度。牛岩等[22]利用DMA在弯拉受力模式下得到了基质沥青、SBS改性沥青以及橡胶沥青及其混合料的玻璃化转变温度。研究发现，不同改性沥青及其混合料的玻璃化转变温度区分明显，与混合料的低温性能相关性好；相比改性沥青的玻璃化转变温度，采用混合料的玻璃化转变温度评价其低温性能更加合理。然而，与延度和弗拉斯脆点法相比，采用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比较见表3。玻璃化转变温度和压缩应变能密度的相关性[19]见图5。

(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计划(SHRP计划)规定的沥青低温性能评价方法，其以沥青和聚合物的流变学为基础，是目前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，蠕变劲度表示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弛能力。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。

目前巳有大量采用BBR评价沥青低温性能的研究。Kok等[23]通过试验证实BBR的测试结果与混合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。结果表明，基质沥青的种类对改性沥青的低温性能起决定性作用，改性剂类型以及改性剂掺量的影响程度依次降低。该结论也间接说明BBR结果的jing确性远高于低温延度和Frass脆点。此外，董文龙等[26]分别采用线性和星型SBS改性沥青，并通过BBR分析了不同改性剂的改性效果，结果表明，星型SBS改性沥青的低温性能更佳，这是因为采用星型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。

尽管BBR试验可以有效评价沥青的低温性能，然而这种方法也存在一定的局限性。首先，BBR试验采用6℃的分级温度结果，分级的温度间差异较大，难以评价低温性能接近的改性沥青；此外，目前针对BBR试验的分析多采用劲度模量和蠕变速率等单一指标，缺乏对沥青变形情况和松弛能力的综合考量，因此得到的分析结果不够完整[27]。

非均质体系评价方法

非均质体系也称不稳定体系，在研究较多的聚合物改性沥青中特指橡胶沥青。这是因为废旧胶粉高温高剪切条件下降解形成溶胶和凝胶两部分，凝胶微观呈现三维交联的网络结构，颗粒达毫米尺度，容易聚集，导致沥青样品性能测试结果不稳定。

目前对橡胶沥青低温性能的评价方法仍参照均质的聚合物改性沥青进行。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况。结果表明，5℃延度的测试结果与实际矛盾，不宜用作橡胶沥青的低温性能评价指标；弗拉斯脆点一定程度可用于橡胶沥青低温性能评价，但部分样品的区分度不明显；BBR试验获得的评价结果与混合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，以上测试结果仅具备参考价值而无实际物理意义，bi须采用适当的工艺对胶粉进行脱硫处理，将橡胶沥青转化为均质状态才可用上述方法对其低温性能进行评价。如董瑞琨等[29]利用DSC和BBR研究了高温裂解工艺对橡胶沥青低温性能的影响，发现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]。

对于非均质沥青体系的低温性能评价，bi须将其制备成对应的沥青混合料，进行沥青混合料的低温抗裂性能试验，如等应变加载破坏试验、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、收缩系数试验、应力松弛试验以及等[31]。

总结与展望

a)改性沥青的低温延度测试未充分考虑不同聚合物的低温敏感性，测试结果与混合料低温性能相差大，但操作简便，应用较广；测力延度的测试原理相对低温延度有所改进，但物理意义不明确，过分关注原样沥青导致结果与路面实际有偏差。

b)弗拉斯脆点尤其适用千基质沥青的低温性能评价，其测试结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明显。

c)玻璃化转变温度从粘弹性角度分析改性沥青的低温性能，兼具理论和实际意义，可以有效反映改性沥青的低温性能；然而，采用该指标评价改性沥青的研究相对较少，其对不同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效评价改性沥青的低温性能，评价结果与混合料低温抗开裂测试结果的一致性高，不仅能够表征改性低温性能的好坏，还能gao效区分不同种类的改性沥青，然而其评价结果的连续性还有待研究。

e)传统的沥青低温性能评价方法得到的结果对非均质沥青体系仅有参考价值，对应混合料的低温抗开裂性能评价才能真实反映沥青材料的低温性能。

f)因沥青容易老化，评价其低温性能时有必要考虑老化后沥青的脆性指标。

全文完 发布于《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，从事道路用沥青材料的研究。

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