Sasobit温拌沥青高低温流变及抗疲劳性能试验分析

Experimental Study on High and Low Temperature Rheology and Fatigue Resistance of Sasobit Warm-mixed Asphalt

摘要

为研究Sasobit温拌沥青的高低温流变性能及抗疲劳性能，将温拌剂Sasobit掺入70#基质沥青，制备Sasobit温拌沥青。通过动态剪切流变试验和低温弯曲流变试验测试其高、低温流变性能和疲劳性能。结果表明：在相同温度条件下，温拌剂可显著提升基质沥青的初始模量与抗车辙因子，增强其高温流变性能。当Sasobit质量分数为2.5%时，临界温度可达67.1 ℃，较基质沥青提高约2.0 ℃；Sasobit温拌剂会使沥青劲度模量增大，蠕变速率大幅降低，导致沥青在低温状态下更硬更脆，应力松弛能力减弱，从而劣化其低温延展性。温拌剂的掺入可显著提升基质沥青的疲劳寿命，主要是通过其网状晶格结构的分散作用，增强沥青的高温与抗疲劳性能。建议温拌剂Sasobit的最佳掺量为2.5%~3.5%。

Abstract

In order to investigate the high and low-temperature rheological properties and fatigue performance of Sasobit warm-mixed asphalt, Sasobit warm-mix additive was incorporated into 70# base asphalt to prepare Sasobit warm-mixed asphalt. The high and low-temperature rheological properties and fatigue performance were tested through dynamic shear rheological tests and low-temperature bending rheological tests. The results show that under the same temperature conditions, the additive can significantly increase the initial modulus and rutting resistance factor of the base asphalt, thereby enhancing its high-temperature rheological properties. When the mass fraction of Sasobit is 2.5%, the critical temperature can reach 67.1 ℃, which is about 2.0 ℃ higher than that of the base asphalt. The Sasobit warm-mixed additive increases the stiffness modulus of the asphalt and greatly reduces the creep rate, making the asphalt harder and more brittle at low temperatures, weakening its stress relaxation ability, and thus deteriorating its low-temperature ductility. The incorporation of the warm-mixed additive can significantly increase the fatigue life of the base asphalt, mainly by enhancing the high-temperature and fatigue resistance properties of the asphalt through the dispersion effect of its network lattice structure. It is recommended that the optimal dosage of the Sasobit warm-mixed additive is 2.5%~3.5%.

Graphical abstract

关键词

Sasobit / 温拌沥青 / 流变学 / 高低温性能 / 抗疲劳性能

Key words

Sasobit / Warm-mixed asphalt / Rheology / High and low-temperature properties / Fatigue resistance

与传统的热拌沥青混合料技术(HMA)相比，温拌沥青技术(WMA)可将沥青混合料的拌合与摊铺温度降低约30 ℃，显著减少能源消耗和温室气体排放，同时保持与HMA相近的路用性能和施工和易性^[1]，因此受到道路工程领域技术人员的广泛关注。目前，温拌沥青技术主要通过在沥青中添加各类温拌剂来实现^[2]。Sasobit作为一种有机改性剂，熔点较低(98~100 ℃)，主要通过释放饱和分等成分降低沥青黏度，从而实现温拌^[3-4]。ROUZBEH等^[5]通过低温试验发现，Sasobit有机类温拌沥青具有更好的低温抗裂性。王言磊等^[6]对比Sasobit和Evotherm温拌剂对高黏沥青的温拌效果，指出Sasobit仅在温度高于110 ℃时才发挥温拌效果，而Evotherm温拌剂在任意温度区间均能发挥温拌效果。罗婷等^[7]研究温拌剂对高黏沥青老化性能的影响，发现Sasobit可增强高黏沥青的流动性，促使其氧化老化。KATAWARE等^[8]和李克南等^[9]研究不同温拌剂对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青性能的影响，结果表明，Sasobit可提高其车辙和抗疲劳性能。徐传浩等^[10]研究了表面活性型(BMH)温拌剂对废塑/SBS改性沥青的流变性能，认为BMH可改善其低温流变性能。

国内外学者已在Sasobit温拌沥青的三大指标、高低温性能、老化性能以及与其他温拌剂的对比等方面开展了较多研究。然而，从流变学角度出发，对其高低温流变性能、抗疲劳特性及微观特性等方面的研究仍较为匮乏。鉴于此，本文采用动态剪切流变仪、弯曲梁流变仪及荧光显微镜，对其流变特性、抗疲劳特性与微观分布特性进行试验研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

沥青，中海A级70号沥青，滨州中海沥青科技有限公司；Sasobit温拌剂，白色，南非沙索公司。表1为70#基质沥青的指标。

表2为Sasobit温拌剂性能指标。

1.2 仪器与设备

动态剪切流变仪，DSR-1，天津市港源试验仪器厂；弯曲梁流变仪，WXBBR-3 Pro，湖南旺轩科技有限公司；荧光显微镜，MF43-N，广州市明美光电技术有限公司。

1.3 样品制备

称取适量70#基质沥青，放入烘箱，在145 ℃下保温30 min。然后，将4种质量分数(0、1.5%、2.5%、3.5%)的Sasobit温拌剂加入加热好的基质沥青中，人工搅拌10 min，然后，置入烘箱，135 ℃加热20 min，取出备用。

1.4 性能测试与表征

流变试验：沥青是一种典型的黏弹性物质，受温度的影响其流变特性会产生显著变化^[11]。采用动态剪切流变仪对温拌沥青行温度扫描和频率扫描试验，获取复数剪切模量(G*)、相位角(δ)、车辙因子(G*/sin δ)、临界温度(t_HS)，以评价其高温性能。温度扫描试验温度30、40、50、60 ℃，转子直径25 mm，转速10 rad/s，应力水平100 Pa。频率扫描试验温度60 ℃，频率范围0.05~600.00 rad/s，转子直径25 mm，应力100 Pa。

利用弯曲梁流变仪(BBR)获取基质沥青与温拌沥青的蠕变速率(m)和蠕变劲度(s)及指标k(s与m的比值)评价其低温性能。试验条件为-12 ℃，60 s。

利用动态剪切流变仪对基质沥青与温拌沥青进行时间扫描，获取50%|G*|衰减位置、累积耗散能量比(DER)以评价其抗疲劳性能^[12-13]。时间扫描试验温度25 ℃，转子直径8 mm，控制应变10%，频率10 rad/s。

荧光显微镜试验：采用荧光显微镜对70#基质沥青及Sasobit温拌沥青微观形貌与作用机理进行分析。

2 结果与讨论

2.1 Sasobit温拌沥青高温流变性能分析

沥青是一种典型的黏弹性物质，具有高温变软易流淌，低温变硬变脆的特性^[14]。尽管软化点普遍用于评价沥青结合料的高温性能，但是流变学测试方法因模拟一定的荷载和剪切作用^[15]，因此更能准确评价沥青结合料在工作状态下的高温性能。

图1为温拌沥青的G*与δ曲线。G*越大，抵抗变形能力越强，高温状态下性能越稳定^[16-17]。从图1可以看出，无论是基质沥青还是不同掺量的Sasobit温拌沥青，其G*均随温度的升高而下降。在同一温度条件下，温拌剂掺量的增加会提高沥青的G*，表现为抗变形能力增强，高温性能提升。

δ可用于评估黏弹性材料中弹性和黏性成分的比例，弹性成分越高，δ越小^[18-19]。从图1可以看出，随着温拌剂的引入，温拌沥青的δ表现出不同程度的降低，并且掺量越高，δ下降趋势相对越明显。50 ℃时，温拌剂质量分数为2.5%的温拌沥青，其δ比基质沥青下降8.2°。这说明温拌剂的掺入降低了沥青中的黏性成分，提高了弹性成分比例，可在一定程度上有效抑制高温状态时沥青的分子运动，提高其高温流变性能。

图2为温拌沥青G*/sin δ随温度变化曲线。G*/sin δ能够表征沥青结合料在高温状态下抵抗塑性变形的能力。G*/sin δ越大，高温永久变形越小，抗车辙性能越强。从图2可以看出，无论是基质沥青还是不同掺量的温拌沥青，其G*/sin δ均随温度的升高而变小，这说明高温会削弱沥青的抗变形能力。在同一温度条件下，随着温拌剂掺量的逐渐增加，温拌沥青的G*/sin δ逐渐增大，说明温拌剂能够提升基质沥青的抗塑性变形性能。但是，当质量分数增大到2.5%之后，这种增强效果变弱。

t_HS越大，表示其沥青的高温性能越好^[20]。表3为温拌沥青的t_HS。从表3可以看出，t_HS随温拌剂掺量的增加呈升高趋势。基质沥青的t_HS为65.1 ℃，在温拌剂质量分数为2.5%时，t_HS达到67.1 ℃。

2.2 Sasobit温拌沥青低温流变性能分析

图3为温拌沥青的s和m。随着温拌剂掺量的增加，沥青的s增大，m降低。这表明沥青在低温状态下的应力松弛能力减弱，更易发生断裂，从而劣化了沥青的低温延展性。分析其原因，可能是因为温拌剂在高温条件下产生的轻质组分液体，在低温条件下降低了沥青的变形能力。此外，当温拌剂质量分数为1.5%时，基质沥青的s从67.4 MPa提高至96.2 MPa，增加了约42.7%。s的增大导致其柔韧性变差。随着温拌剂掺量的增加，m会大幅降低。当质量分数达到3.5%时，m降低至0.33，应力松弛能力显著降低，低温抗裂性受到较大影响。但该结果仍满足美国公路战略研究计划(SHRP)规范中关于沥青材料在60 s时，m应不小于0.30的要求^[21]。

参考徐加秋等^[22]和朱春阳等^[23]研究成果，同时考虑s与m两个参数的共同作用，构建指标k，进一步分析基质沥青和改性沥青在低温性能方面的区别。指标k越小，材料的低温变形能力越优。图4为-12 ℃下温拌沥青的指标k。从图4可以看出，温拌剂的掺入会增大沥青结合料的指标k，导致沥青结合料的低温变形能力和柔韧性降低。

2.3 Sasobit温拌沥青抗疲劳性能分析

2.3.1 50%|G*|

利用动态剪切流变仪对温拌沥青进行时间扫描试验，以G*衰减到初始值50%时的作用次数作为评价沥青抗疲劳性能的指标^[24]。图5为温拌沥青的50%|G*|曲线。从图5可以看出，基质沥青与温拌沥青的时间扫描曲线特征相似，均大致可以分为模量稳定区和模量衰减区两个阶段，且模量衰减均发生在荷载作用400~600次之间。在模量稳定区域，G*随荷载作用次数的增加呈单调递减趋势。当作用次数增大到某个数值时，即出现一个拐点，进入衰减区域，G*迅速下降。随着温拌剂掺量的增加，基质沥青的初始及整个材料服役阶段G*提高。且沥青结合料进入50%|G*|衰减区域的时间将延后。与基质沥青相比，温拌剂质量分数为1.5%时，可提高其50%|G*|衰减作用次数，但提升效果不明显；当提高至2.5%时，提升效果较为显著，当继续提高至3.5%时，其50%|G*|衰减作用次数进一步提升，但提升效果不明显。

综上所述，温拌剂可延缓基质沥青进入衰减(疲劳)区域的作用次数或时间，即提升基质沥青的抗疲劳性能。

2.3.2 DER

DER是评价沥青结合料及混合料疲劳性能较为有效的一项指标^[14,25]。其含义为单次荷载循环时材料的损失能量，可定量表示黏弹性体的抗疲劳性能^[26]。图6为温拌沥青的DER疲劳曲线。从图6可以看出，与温拌沥青相比，随着荷载加载次数的增加，基质沥青的DER损失值较大，而温拌沥青的累计耗散能量损失较小。这说明温拌剂的掺入对基质沥青的耐疲劳性能的提升有一定效果。温拌剂质量分数为1.5%可有效降低基质沥青的累计耗散能量；在相同荷载作用次数情况下，质量分数为2.5%与3.5%的温拌沥青累计耗散能损失值差别不明显。

2.3.3 抗疲劳性能

表4为温拌沥青的疲劳寿命数据。从表4可以看出，50%|G*|和DER数据均表明温拌剂的掺入可提升基质沥青的疲劳寿命次数。50%|G*|对应疲劳点数据表明，质量分数为1.5%、2.5%与3.5%的温拌剂可提升基质沥青疲劳寿命次数4.8%~14.7%；总疲劳寿命为20%的加载次数(DER N_20%)数据则分别提升15.5%~42.0%。温拌剂的掺入对基质沥青初始模量的提升非常显著，这体现了温拌剂作为石蜡结晶结构增强模量的特点。同时，其掺量存在一临界值，当掺量超限，石蜡结构易被荷载破坏，模量随即衰减。综合高温性能、耐疲劳性能，Sasobit温拌剂掺入质量分数在2.5%~3.5%。

2.4 Sasobit温拌沥青微观试验分析

图7为温拌沥青荧光照片。

从图7可以看出，由于基质沥青中没有显色成分，温拌剂主要成分为高聚合物，具有荧光特质。因此，可以以荧光显色浓度和位置来分析温拌剂在基质沥青中的分布形态。从图7可以看出，70＃基质沥青在荧光显微镜下没有光反应，但温拌剂呈现浅蓝色荧光。随着温拌剂掺量的增加，图中的荧光面积逐渐增大，且有相互连接的搭桥的趋势，但是当掺量持续增大时，某些位置会出现荧光颜色趋深，面积增大的集聚现象。这说明温拌剂经高温溶解于沥青中后，通过分散利用其网状晶格结构相互连接，增强沥青的高温稳定性与抗疲劳性能。

3 结论

以Sasobit为温拌剂，制备温拌改性沥青，综合评价Sasobit温拌沥青的高低温流变性能和抗疲劳性能。结果表明，温拌剂的掺入可有效提升基质沥青的初始G*；同一温度条件下，随着Sasobit温拌剂掺量的增加，温拌沥青的G*/sin δ逐渐增大，抗塑性变形性能增强。当Sasobit温拌剂质量分数增大至2.5%之后，这种增强效果变弱。基质沥青的临界温度t_HS为65.1 ℃；当Sasobit温拌剂质量分数为2.5%时，t_HS达到67.1 ℃，提高约2.0 ℃。低温流变试验结果表明，Sasobit温拌剂会导致沥青蠕变劲度增大，蠕变速率会大幅降低，使得沥青在低温状态下更硬更脆，应力松弛能力减弱，更易发生断裂，劣化其沥青的低温延展性。当Sasobit温拌剂的质量分数提高到3.5%时，蠕变速率会降低至约0.33，低温抗裂性存在较大损失。50%|G*|与DER数据均表明，温拌剂的掺入可提升基质沥青的疲劳寿命次数。50%|G*|数据表明，质量分数为1.5%、2.5%与3.5%的Sasobit温拌沥青，可提升基质沥青疲劳寿命次数4.8%~14.7%；DER数据则分别提升15.5%~42.0%。荧光显微镜试验结果显示，随着Sasobit温拌剂掺量的增加，荧光面积逐渐增大；但是当掺量持续增大时，部分位置会出现集聚现象。Sasobit温拌剂主要通过其高温溶解于沥青，利用自身网状晶格结构，增强沥青的高温与抗疲劳性能。建议Sasobit温拌剂的最佳质量分数为2.5%~3.5%。

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基金资助

国家自然科学基金项目(51708092)

住房和城乡建设部科技计划项目(2012-K4-32)

河北省高等学校自然科学研究青年基金项目(QN2020436)