RET改性沥青高低温性能试验分析

熊 刚，刘 焰

(1.新疆交通建设集团股份有限公司， 乌鲁木齐 830000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)



RET改性沥青高低温性能试验分析

熊 刚1，刘 焰2

(1.新疆交通建设集团股份有限公司， 乌鲁木齐 830000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

采用沥青3大指标试验、DSR试验和BBR试验比较不同掺量RET改性剂的改性沥青技术性能，对RET改性沥青混合料进行高温车辙试验和低温小梁3点弯曲试验，验证RET改性剂对沥青高、低温性能的影响作用。试验结果表明：RET改性剂掺入沥青后，25 ℃针入度值降低，软化点和5 ℃延度值均有所增加；RET改性沥青的高温临界温度和沥青混合料动稳定度值均随着RET掺量的增加而提高；随着RET掺量增加，改性沥青蠕变劲度降低、蠕变曲线斜率增加，且混合料的弯曲应变能密度也会不断增加。

RET改性沥青；动态剪切试验DSR；弯曲蠕变劲度试验BBR；路用性能

随着我国经济水平迅速发展，道路交通量快速增加，超载现象较为普遍，其加剧了我国沥青路面早期病害的形成，部分新建公路甚至在通车1～2年内就出现了坑槽、麻面、车辙和开裂等病害，造成路面服务水平大幅下降，难以满足使用要求[1]。为最大限度地避免早期病害发生，延长沥青路面的使用寿命，高性能改性沥青材料成为一种有效选择，其中尤以聚合物改性沥青应用居多[2]。按照聚合物改性剂的不同，聚合物改性沥青可分为SBS、SBR、EVA及PE类等[3]。

近年来，对应于聚合物改性沥青，RET改性沥青由于其独特的优势和全新的改性理念，已得到业界人士的关注。相关研究表明[4]，RET改性沥青与传统聚合物改性沥青相比其优势明显：1) RET改性沥青有良好的储存稳定性；而聚合物改性沥青属于物理改性，易发生离析现象，储存稳定性较差，不利于远距离运输和工程施工。2) RET改性沥青加工方便，直接进行机械搅拌即可，不需采用特殊加工设备；而聚合物改性沥青需要诸如胶体磨和高速剪切机进行剪切研磨以便将聚合物打碎，从而使其均匀分散到沥青中。3) RET改性沥青价格相对聚合物改性沥青价格更为便宜，其经济效益可观。

RET改性沥青作为一种新型改性沥青在国外受到了普遍关注[5-6]，但国内目前对其研究和认识还较为有限。本文为明确RET改性剂对基质沥青的影响作用，基于沥青3大物理指标试验、剪切流变(DSR)试验和弯曲梁流变(BBR)试验对比研究RET改性沥青和基质沥青的技术性能，并采用车辙试验和低温弯曲试验分别验证RET改性沥青混合料的高温和低温路用性能。

1 试验原材料

1.1 基质沥青

试验所用基质沥青为壳牌70#A级沥青，其技术指标如表1所示。

表1 壳牌70#A级沥青性能试验结果

1.2 RET改性剂

RET的含义是一种由乙烯主链与2种共聚物单体聚合而成的弹性体，本次试验采用的RET改性剂由美国杜邦公司生产，其物理指标试验结果如表2所示。参照文献[7]工艺制备RET改性沥青：首先把基质沥青加热到185 ℃，然后将一定掺量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)的RET改性剂缓慢加入基质沥青，并持续搅拌3.5 h；之后缓慢加入质量为沥青质量0.2%的多聚磷酸PPA，其主要起催化作用；加完PPA并搅拌1 h后停止，最后发育2 h即可得到RET改性沥青。

1.3 矿料

集料为石灰岩碎石和机制砂，矿粉由石灰岩磨细而成，矿料级配为AC-13型。矿料密度试验结果如表3所示，合成级配曲线如图1所示。

图1 AC-13矿料级配曲线

检测指标颜色气味密度/(g·cm-3)熔融温度/℃熔流率(190℃/2.16kg)/(g/10min)结果白色无味0.9377312

表3 矿料密度试验结果

2 试验方法

2.1 沥青试验2.1.1 3大物理指标试验

对制备好的RET改性沥青进行25 ℃针入度、软化点和5 ℃延度试验，参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青与沥青混合料试验规程》规定方法进行试验。

2.1.2 DSR试验

DSR试验可以测定沥青材料的复数剪切模量G*和相位角δ以表征沥青材料的粘弹性质。本文采用DSR试验得到Superpave沥青规范定义的车辙因子G*/sinδ以评价RET改性沥青的高温稳定性能。通常其值越大沥青的高温性能就越好[8]。试验过程中，采用大旋转轴试验板，板间距1 mm，在应力控制模式(0.12 kPa)下施加频率为10 rad/s的正弦震荡荷载，以确保沥青变形控制线粘弹性区域。试验温度设定为64、70、76、82和88 ℃。

2.1.3 BBR试验

BBR试验可以测试沥青在低温下的劲度，沥青低温劲度越大，其脆性特性就越明显，路面就越容易在低温下开裂。BBR试验利用梁理论来计算沥青小梁试件在蠕变荷载作用下的劲度，用蠕变荷载来模拟温度下降时路面产生的应力，其蠕变劲度计算公式如下：

(1)

式中：S为蠕变劲度模量；P为集中荷载；L为梁跨距，取102 mm；b为梁宽，取12.5 mm；h为梁高，取6.25 mm；δt为跨中挠度。

BBR试验劲度模量典型曲线如图2所示。根据图2还可以得到沥青在各时刻曲线斜率的绝对值m值，m值反映了沥青劲度模量随变形的反应情况，其值越大越好[9]。本文在-18 ℃下，对RET改性沥青进行BBR试验，测得沥青在240 s内的跨中挠度、60 s时的劲度S和m值，以评价采用不同掺量RET改性剂时复合改性沥青的低温性能。

图2 BBR试验劲度模量S和劲度模量曲线m值

2.2 沥青混合料试验2.2.1 车辙试验

车辙试验是我国评价沥青混合料高温稳定性最常用的方法。本文按照JTG E20—2011中规定的方法进行车辙试验并得到动稳定度指标DS，以比较不同RET掺量沥青混合料的抗车辙能力。

2.2.2 低温弯曲试验

采用电液伺服万能材料机MTS在-10 ℃下对沥青混合料进行低温弯曲试验。根据试件在破坏时刻的荷载、跨中挠度并采用JTG E20—2011中的公式便可计算小梁的弯拉强度σ0和破坏应变ε0。目前我国主要采用破坏应变ε0来评价沥青混合料的低温抗裂性能，但部分学者认为该指标仅考虑了沥青混合料在低温下的变形能力，而忽略了抗拉强度的作用[10-11]。近年来，基于能量角度，综合考虑了变形和强度2个指标的应变能密度逐渐应用于沥青混合料低温性能评价中，其计算方法为根据小梁试件的σ-ε曲线，得出峰值荷载之前曲线的包络面积。小梁弯拉试验应力应变典型曲线如图3所示。本次试验中，各混合料在低温下弹性特征明显，在峰值荷载前弯拉应力σ与弯拉应变ε基本呈正比例关系，所以应变能密度按公式(2)近似计算：

(2)

式中：W为应变能密度。

图3 小梁弯拉试验应力应变曲线

3 试验结果与分析

3.1 物理指标试验结果

不同掺量RET改性沥青针入度、软化点和延度试验结果如表4所示。由表4可知，RET掺量为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的改性沥青其针入度分别比基质沥青降低了0.4、0.5、0.6、0.8 mm，表明随着RET掺量的增加，沥青针入度不断减小，稠度逐渐增加，常温下其抗变形能力不断提升。从表4还可看出，随着RET改性剂掺量的增加，沥青软化点均有不同程度的增加，掺量为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的RET改性沥青其软化点比基质沥青分别增加了12.7、17.9、21.2、22 ℃，说明 RET 改性剂能够较好地改善沥青的高温稳定性。同时还发现RET掺量在增加到2.0%之前时，软化点增幅均较为明显，而掺量由2.0%增加至2.5%时变化不大。比较基质沥青与不同RET掺量改性沥青的5 ℃延度指标可知，掺入RET后沥青的延度值有所提升，但RET掺量超过1.5%后，延度值基本保持稳定。表明RET可改善沥青的低温性能，但过量的RET对沥青低温性能改善作用并不显著。

表4 不同RET掺量改性沥青3大指标试验结果

注：0%～2.5%均代表RET掺量。下同。

3.2 DSR试验与车辙试验结果

对不同RET掺量的改性沥青进行DSR试验，不同温度下对应的车辙因子结果如表5所示。从表5可以看出，在不同温度下，基质沥青中加入RET后车辙因子均有明显提高，基质沥青的高温PG分级为70 ℃，而掺入RET后，改性沥青的高温PG分级已达到82 ℃，说明RET有助于提升沥青的高温性能。但从PG分级角度看，RET掺量变化并未改变RET改性沥青的高温等级，为此，本文对各掺量下的改性沥青临界温度进行比较。

表5 车辙因子试验结果

临界温度表征沥青的高温失效温度，其计算原理如下[12]：根据试验得到对应温度下的车辙因子，按方程进行拟合得到系数a、b，然后反算车辙因子为1 000 Pa时对应的温度即为该沥青的临界温度。本次试验中，4种不同RET掺量的改性沥青的临界温度分别为82.2、83.7、86.8和86.9 ℃。试验结果再次说明，RET掺量增加有助于提升RET改性沥青的高温性能。但同时也可以看出，RET掺量大于2.0%时，改性沥青高温性能提升速率较小，即掺量增加对高温性能的增强作用也将不再明显。

为进一步验证RET对基质沥青的高温改善作用，对基质沥青和掺加RET的改性沥青混合料进行了车辙试验，得到的动稳定度结果如图5所示。从图5可以看出，RET改性沥青混合料的动稳定度值明显高于基质沥青混合料，证明RET掺入对沥青混合料高温性能具有明显改善作用。同时随着RET掺量的增加，沥青混合料高温性能提升趋势与沥青的临界温度增加趋势基本吻合。

3.3 BBR试验与低温弯曲试验结果

对各类改性沥青进行了-18 ℃BBR试验，并得到劲度模量S和m值，结果如表6所示。

由表6数据可以看出，与基质沥青相比，RET改性沥青蠕变劲度模量S变小，m值变大，表明RET能改善沥青的低温性能。随着RET掺量增加，改性沥青的劲度模量S随之降低，蠕变曲线斜率m值随之降低，表明复合改性沥青的弯曲流变性能在逐渐变好。深入分析数据还可以看出，RET掺量分别为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%时，RET改性沥青相对基质沥青蠕变劲度模量分别降低了18.1%、37.2%、39.8%和40.7%，蠕变曲线斜率m值分别增加了3.5%、6.5%、7.1%和7.1%，说明RET掺量较低时，S值和m值变化幅度较大；但随着RET掺量超过1.5%，则S值和m值已无太大变化。

图5 混合料动稳定度结果与沥青临界温度对比

测试指标0%1%1.5%2%2.5%S/MPa226185142136134m值0.3100.3210.3300.3320.332

为验证RET对基质沥青低温性能的影响作用，还进行了沥青混合料低温弯曲试验，计算应变能密度如表7所示。从表7可以看出，随着RET掺量增加，沥青混合料的应变能密度随之增加，从而再次说明基质沥青中加入RET会对沥青低温性能产生积极作用。同时RET掺量对沥青混合料低温性能影响的趋势与对基质沥青的影响趋势较为接近。

表7 应变能密度计算结果

4 结论与建议

1) 与基质沥青相比，RET改性沥青25 ℃针入度值降低，软化点和5 ℃延度值均有所增加。

2) RET改性沥青的高温临界温度和沥青混合料的动稳定度值均随着RET掺量的增加而提高，表明RET改性剂能提升沥青的高温性能，但RET掺量大于2%时，掺量增加对沥青高温性能增强作用不再明显。

3) 与基质沥青相比，RET改性沥青蠕变劲度模量S降低，蠕变曲线斜率m值增加，同时RET改性沥青混合料低温应变破坏能比基质沥青混合料的增幅大得多，表明RET可显著改善沥青及其混合料的低温性能。随着RET掺量的增加，改性沥青和沥青混合料低温性能增强；但RET掺量超过1.5%后，RET的改善作用不再明显。

4) 综合考虑RET对基质沥青高、低温性能的影响及经济性，工程应用中采用RET对基质沥青进行改性时建议其掺量不超过2%。

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Test and Analysis on High/Low Temperature Performance of RET Modified Asphalt

XIONG Gang1, LIU Yan2

This paper icarries out high temperature rutting test and low temperature 3 point bending test on small beam to RET modified asphalt mixture. The tests were based on 3 indices test for asphalt, DSR test and BBR test, to compare technical performance of modified asphalt at different content of RET modifier, so to verify influence of RET modifier to high/low temperature performance of asphalt. Test results show that when adding RET modifier into asphalt, penetration value at 25 ℃ is reduced, while the softness value and ductility value at 5 ℃ increased. In addition, the high temperature critical temperature of RET modified asphalt and dynamic stability value of asphalt mixture improves with the increment of RET content. As RET content increased, the modified asphalt has lower creep stiffness, higher creep curve rate and the bending strain energy density of the mixture continuously increases.

RET modified asphalt; dynamic shearing test DSR; bending creep stiffness test BBR; road performance

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.011

2016-03-14

熊 刚(1970-)，男，四川省乐至县人，本科，高工。

1009-6477(2016)05-0041-05

U416.217

A