聚合物改性沥青低温性能指标研究

验.结合灰色关联理论，对聚合物改性沥青的多个低温性能指标与混合料低温弯苗试验结果进行

了相关性分析.结果表明：聚合物改性沥青的玻璃态转变温度、低温流变性能指标、低温测力延度 试验的黏韧性指标与沥青混合料低温弯曲试验结果均具有良好的关联性，其中的玻璃态转变温度 关联度最高，能较好地反映聚合物改性沥青的低温性能，其次是低温流变指标和黏韧性指■标.关键词：改性沥青；低温指标；灰色关联理论；测力延度；玻璃态转变温度中图分类号:U414

文献标志码：A doi：10. 3969/j. issn. 1007-9629. 2020. 02. 035Low Temperature Performance Index of Polymer Modified AsphaltYAN Kezhen1 , WANG Daocheng1'2(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. Western Investment Co. , Ltd. of CCTEB, Chengdu 610000, China)Abstract: The conventional performance and low temperature rheological properties of four types of poly­mer modified asphalt binders were tested. In addition, the low temperature bending test of mixtures was

also carried out. Combined with grey correlational theory, the correlation between low temperature inde­xes of asphalt binder and performance of asphalt mixture was analyzed. For these kinds o£ modified asphalt binder, the results show that the glass transfer temperature, rheological index and toughness resulted from low temperature force-ductility test of polymer modified asphalt have good correlation with the low temperature performance of asphalt mixture. Glass transfer temperature has the highest relevance, which can better reflect the low temperature performance of polymer modified asphalt, followed by low tempera­ture rheological index and asphalt toughness.Key words: modified asphalt; low temperature index; grey relation theory; force-ductility; glass transfer temperature在车辆荷载与气候因素的共同作用下，沥青路

重要性能之一.目前对沥青低温性能的评价主要通 过常规物理指标或Superpave体系的低温流变指标

面容易出现高温车辙、低温开裂等破坏行为.为了提

高沥青路面服务质量，延长使用寿命,聚合物改性沥

青应用越来越广泛.(劲度模量、应力消散速率和PG低温等级)•沈金安 认为将15 9针入度与当量脆点作为评价基质沥青 的低温性能是合理的②，而随着聚合物沥青种类的

增加，这些指标是否适用于评价聚合物改性沥青值

沥青是典型的黏弹性材料，低温条件下弹性比

例降低，沥青路面容易发生低温开裂.根据美国

SHRP计划研究成果，沥青胶结料对沥青路面抗裂

能力的贡献度达到80%丙，因此低温性能是沥青的

得进一步研究•近年来，Radiziszeski⑷和孙大权 等⑷通过对传统延度试验进行优化，定义了低温黏 韧性的概念，从能量的角度反映沥青抵抗外力破坏收稿日期：2018-11-27；修订日期:2019-01-08基金项目：国家自然科学基金资助项目(51778224);湖南省交通科技计划项目(201705)第一作者:颜可珍(1975-),男，湖南桃江人，湖南大学教授，博士生导师，博士 .E-mail iyankz@hnu.edu.cn480建筑材料学报第23卷的能力•曹丽萍等［□通过混合料低温试验验证了玻

璃态转变温度适用于评价苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌

低温性能指标进行了有效性评价，提出了适用于聚

合物改性沥青的低温性能评价指标.段共聚物（SBS）改性沥青.Lenoble等国和Lu等页利

用沥青为典型黏弹性材料这一特性，将沥青在5 °C

1改性沥青性能试验根据近年来聚合物改性沥青的研究成果［卩旧，

时的损耗模量作为衡量沥青低温性能的重要指标.沥青胶结料性能指标是否可信,需要结合沥青 混合料的试验结果进行判断.常用的混合料低温性

本文选用4种具有代表性的改性沥青：SBS改性

沥青（SBSMA） .Terminal Blend/6%非晶态 a 烯婭

共聚物（APAO）复合改性沥青（TB6AMA）、15%废

能试验有断裂力学J积分试验和低温弯曲试验•前

者的测试结果受试件加工精度的影响较大，且试验

轮胎橡胶粉（WTR）/4% APAO/90#复合改性沥

青（WTRMA）、5%乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）/

过程中对裂缝发展速率的控制难度较高弘叫葛折圣 等⑷和詹小丽等［诃的研究成果表明，低温弯曲试验

得到的弯曲应变能密度可以很好地反映沥青混合料 的低温性能.90#改性沥青（EVAMA）. SBS改性沥青为成品沥 青‘Terminal Blend沥青取自同济大学道路试验室； APAO为辽宁某化工厂生产的非晶态塑性体材料； 90井基质沥青产自金陵石化;EVA为美国杜邦公司 生产的4 260热熔级EVA；醋酸乙烯（VA）质量分

数为28%，熔点为72 °C.所有自制改性沥青均采用

相同工艺，在170 °C、3 000 r/miri条件下，高速剪切

目前，多种聚合物改性沥青低温性能指标的研

究工作仍然有待完善.因此，本文基于4种聚合物改 性沥青，对沥青黏韧性、劲度模量、应力消散速率（加

值）、玻璃态转变温度等9种沥青低温性能指标进行 测试;结合灰色关联理论，以沥青混合料的弯曲应变

30 min,并在相同温度下保温发育20 min.改性沥青

的制备工艺如图1所示.能密度与破坏应变为参考依据,对聚合物改性沥青的

EVA/WTR/APAO Asphaltene ModifierAgitationfor 30 minSwellingCompletedfor 20 minNeat binder/Terminal blendAsphaltene and modifier fully crosslinked图1改性沥青制备工艺示意图Fig. 1 Schematic diagram of modified asphalts preparation根据T 0604—2011《沥青针入度试验方法》进行针 入度试验，得到15 °C针入度及当量脆点.根据文献

表1试验结果汇总表

Table 1 :Summary of test results［3-4］对沥青进行5 °C测力延度试验，得到延度及沥青

黏韧性值（toughness）.根据AASHTO T 313《美国国有 公路运输管理员协会标准》进行弯曲梁流变试验

IndexSBSMA TB6AMAWTRMA EVAMA17. Strain energy density/kPaFailure strain/(mm •

23. 3710. 618.21)3. 231 784. 283 582. 129 822. 327 75（BBR），得到沥青的劲度模量（stiffness）、应力消散速率

（祝值）、低温PG等级.通过动态剪切流变仪，利用动态

Toughness/(N • cm)1 924. 9581 973. 315579. 93344. 720. 7199. 42

323. 660Ductility/cmPenetration/ (0.1 mm)Stiffness/MPa34. 620. 2127. 0110. 512.62& 9311. 2123. 1306. 力学方法E对玻璃态转变温度进行测试，在3〜20 °C区

间进行温度扫描，升温速率1 °C/min,加载方式为控制 应变模式，根据Amplitude sweep确定材料的线黏弹性 应变区间，得到损失模量曲线（G）并确定玻璃态转变

m-value0. 246.456.05-220. 345. 366. 030. 21& 980. 209. 38T/CG7MPaPG grade/\"C5. 294. 93-28-16-16温度（耳）.相关的测试数据见表1所示.1）改性沥青制备时的加入量均以基质沥青的质量计.Equivalent britde point/X?-15. 95-21. 92-34. 21-25. 42第2期颜可珍，等：聚合物改性沥青低温性能指标研究481图2为4种改性沥青测力延度试验结果.由图 璃态转变温度较低，分别为6. 45 °C与5.36 °C；而

2可见:不同材料在延度值、拉力峰值、屈服点之后 的受力状态、黏韧性均有所不同；TB6AMA作为拉

力峰值最大的材料，其屈服点较低.但通过屈服点 后，随着延度的增加，后期拉力明显变大，表明其在 受到较大的拉力荷载后，虽然有一定程度的变形，但

仍保持了较高的受荷能力，最终断裂时，残留抗拉能 力达到峰值的75.6%； SBSMA峰值仅次于

WTRMA和EVAMA的玻璃态转变温度相对较

高，分别达到了 & 98 °C和9. 38 °C.763210

TB6AMA,断裂拉力为.6 N,残留抗拉能力为峰 值的77.8%；而WTRMA与EVAMA在通过屈服

点后，抗拉能力迅速下降，断裂时残留抗拉能力仅为

峰值的46.8%和&1%.8070605040302010・.\"SBSMA■EVAMA4 6

8 10 12 14 16 18 20 22Temperature/图3改性沥青的损失模量-温度曲线WTRMATB6AMAFig. 3 Loss modulus-temperature curves of modified asphalts11SBSMA2沥青混合料低温弯曲试验考虑到高等级公路普遍使用沥青玛蹄脂碎石混 合料(SMA),本文统一选取SMA-13设计级配，并进Fig. 2 Force-ductility test results of modified asphalts改性沥青的损失模量-温度曲线如图3所示.根 据文献M，随着温度的升高,沥青损失模量达到峰 值后会出现下降，而峰值点所对应的温度为材料的

玻璃态转变温度.由图3可见：4种沥青胶结料的玻

璃态转变温度相差较大;SBSMA与TB6AMA的玻

Sieve size/mm

Passing ratio (by mass)/% 100. 0

N/SMOEVAMA0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Ductility/cm行了配合比设计，确定最佳油石质量比OAC =

6. 24%.表2给出了沥青混合料的级配组成.集料取

自云中科技有限公司出产的玄武岩，填充剂采用木质 纤维,掺和质量比为0.3%,改性沥青混合料拌和温度

图2改性沥青测力延度试验结果为180 °C,碾压轮预热温度为100 °C,压实温度

150 °C.为统一制备过程中的系统误差,4种SMA混

合料拌和与压实采用相同的温度.压实后的车辙板与 切割后的小梁试件如图4、5所示.小梁试件尺寸符合

T 0715—201K沥青混合料弯曲试验》的相关规定.表2沥青混合料的矿料级配

Table 2 Aggregate gradation of asphalt mixture16 13. 2 95. 0

9.5 62. 5

4. 75 27. 0

2. 36 20. 5

1. 15 19. 0

0. 6 0. 3 0. 15 12. 0

0. 07516. 0 13. 0 10. 0图4车辙板试件Fig. 4 Rutting plate图5小梁试件Fig. 5 Beam specimen482建筑材料学报第23卷混合料弯曲试验温度为一io °C,各性能测试结

果如图6所示.由图6可见:TB6AMA抗弯拉强度

略低于SBSMA,但其破坏应变较大,弯曲应变能密 度最高;温度较低时，TB6AMA具有较好的变形能 力，发生脆裂的可能性较低.图6沥青混合料弯曲试验结果Fig. 6 Bending test results of asphalt mixtures3沥青指标关联度分析在对4种聚合物改性沥青及其混合料分别进行

低温性能测试后，基于灰色关联理论，可将沥青低温 性能测试结果与混合料低温性能进行灰色关联分

析，从而对沥青低温评价指标的可信度做出评价•灰

色关联方法可在小样本、贫信息条件下对数据进行

分析，并以关联度描述各个因素与系统发展态势之 间的关系，关联度越大，影响程度越大口沁0经过灰色关联计算，分别以弯曲应变能密度和 破坏应变为参考数列，得到各项沥青指标的关联度， 见表3.由表3可见:在2种参考标准下，劲度模量、

观值、玻璃态转变温度以及PG低温等级的关联度

均大于0. 8；当以弯曲应变能密度为参考标准时，关

联度由高到低依次为：玻璃态转变温度〉PG低温

等级〉劲度模量〉观值〉黏韧性〉延度〉损失模量 〉针入度 ＞ 当量脆点；当以破坏应变为参考标准时，

关联度次序为玻璃态转变温度〉PG低温等级＞劲 度模量＞机值〉损失模量〉延度〉黏韧性〉针入度

＞当量脆点.由此说明，用玻璃态转变温度表征文中4类聚

合物改性沥青的低温性能时，可信度最高，而Stipe—

pave体系的沥青低温性能指标与沥青混合料低温

性能之间仍有良好的关联度.黏韧性指标对沥青低

温性能的反映虽不及上述2种指标准确，但其混合表3关联度计算结果Table 3 Relevance calculation resultsRelevance based on Indexbending strain Relevance based on energy densityfailure strainToughness0. 7730. 746Ductility0. 7650. 7Penetration0. 6320. 656Stiffness0. 8100. 874m-value0. 8020. 842Tg0. 8620. 4G0. 7460. 781PG grade0. 8460. 1Equivalent brittlepoint0. 5720. 5料低温性能的相关性保持在0. 75左右，在实验室条

件有限时，仍能获得可以接受的可信度.通过灰色关联理论对沥青混合料低温性能指标

进行分析，无论以弯曲应变能密度还是破坏应变作

为参考数列，其关联度计算结果都不会发生大的变

化.玻璃态转变温度的关联度始终最高，而当量脆点

与针入度等指标对文中4类聚合物改性沥青低温性

能的反映并不准确.值得注意的是，2种Superpave 体系外的指标呈现出较大差异•黏韧性值与混合料

性能的关联度不及劲度模量、〃值等低温流变指标; 而玻璃态转变温度与沥青混合料性能的相关性高于

BBR试验结果.为了进一步探究黏韧性指标、玻璃

态转变温度与混合料性能之间的联系，分别将其与

弯曲应变能密度进行线性回归，补充验证二者对文

中4种聚合物改性沥青的适用性，结果如图7所示.10企=jz=-0.279x+l 1.743 ,0.979

“ /2 0009\\・ /一

X

1 500P 8目(•41000M乙

6C=119.9*600.5

、5001^=0.862 \\----------------------------------------------------0/SSQUqnoH5 10 15 20 25Bending strain energy density/kPa图7耳、黏韧性与弯曲应变能密度的相关性Fig. 7 Relativity between strain energy density and

Tg or toughness由图7可见:不同改性沥青的黏韧性差别很大, 所选的4种改性沥青最大值与最小值之差接近第2期颜可珍，等：聚合物改性沥青低温性能指标研究4831 500 N・cm；随着黏韧性降低，弯曲应变能密度同

时降低，沥青混合料的低温性能变差；Tg与弯曲应变能密度变化方向相反，Tg越低，弯曲应变能密度

mixture[M]. Beijing: The People's Communications Press, 2001:145-155. (in Chinese)「31 RADZISZEWSKI P. Force-ductility properties of polish modi­

fied b辻umens and their relation to the asphalt concrete fatigue resistance[C] \"Proceedings of the Eurasphalt & Eurobitume

越大，沥青混合料的低温性能越好；儿与弯曲应变

能密度线性拟合的疋达到了 0.979,二者线性相关

Congress. Strasbourg: The European Asphalt Pavement Asso­ciation and the European Bitumen Association, 1996,

程度很高;黏韧性与应变能密度的线性相关度较弱，

但也达到了 0.862.3：E5141.孙大权，吕伟民•用测力延度试验评定聚合物改性沥青低温性

综上所述，用几和黏韧性指标评价本文的4种

聚合物改性沥青的低温性能是合理、准确的•二者不

能口] •建筑材料学报,2007,10(1): 37-42.SUN Daquan, LU Weimin. Evaluation of low temperature per­formances of polymer modified asphalts by force-ductility test

仅有明确的物理意义，而且区分度很高，可以明显表

征不同改性沥青低温性能的差别，其评价结果与沥 青混合料的实测性能有良好的相关性.[5]

[J] • Journal of Building Materials, 2007, 10 (1) : 37-42. (in Chinese)LENOBLE C, NAHAS N C. Dynamic rheology and hot-mix

4结论(1) 玻璃态转变温度作为高分子聚合物低温性能的评价指标，在评价文中4种聚合物改性沥青的

低温性能时同样适用•本文通过灰色关联理论，验证了玻璃态转变温度与沥青混合料低温性能的关联度高于0. 85,在9项评价指标中居于首位.[6]performance of polymer modified asphalt(with discussion and

closure) 口] . Journal of the Asso&ation of Asphalt Paving Technologists, 1994,63:450-480.LU X,ISACSSON U. Rheological characterization of styrene- butadiene-styrene copolymer modified bitumens[J] • Construc­tion and Building Materials, 1997,11(1) ：23-32.[7]

刘栋,李立寒•沥青混合料抗裂性能评价指标的试验研究D1. 建筑材料学报,2012,15(4):503-507.(2) 相比于BBR试验所得评价指标，沥青黏韧

性与混合料弯曲应变能密度的相关性较低，灰色关

联度在0. 75左右.与其他试验不同的是，测力延度是将外力做功与试件破坏相联系，从能量角度评价

LIU Dong, LI Lihan. Research on evaluating index of anti­cracking performance of asphalt mixtureQU .Journal of Build­ing Materials, 2012,15(4) ：503-507. (in Chinese)E8]张兴友，胡光艳,谭忆秋•硅菓土改性沥青混合料低温抗裂性

了沥青低温路用性能.在保证了关联度水平可接受

能研究[J] •公路交通科技，2006,23(4) :11-13,的情况下,测力延度试验设备与操作相对简单，对试 验室条件要求较低，可推广性更高.ZHANG Xingyou, HU Guangyan, TAN Yiqiu. Study of low temperature anti-cracking performance of diatomite modified

asphalt mixture [J] . Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2006,23(4) : 11-13. (in Chinese) 葛折圣，黄晓明,许国光•用弯曲应变能方法评价沥青混合料 的低温抗裂性能东南大学学报(自然科学版)，2002,

(3) 劲度模量、m值、PG低温等级与混合料性

能的灰关联度均达到0.8,表明在评价文中4种聚 「9]

合物改性沥青时,Superpave体系的低温性能指标仍然具有较高的适用性.而此类指标存在的不足是

32(4):653-655.GE Zhesheng, HUANG Xiaoming, XU Guoguang. Evaluation of asphalt-mixture's low^temperature anti-cracking perform­ance by curvature strain energy method [J] . Journal of Sout-

对试验设备要求较高.(4) 聚合物改性沥青种类众多，由于篇幅与条件 所限,本文的研究主要基于4种聚合物改性沥青，未

来期待其他学者对更多种类的改性沥青进行相关hest University(Natural Science Edition), 2002, 32(4)： 653- 655. (in Chinese)詹小丽，张肖宁,谭忆秋,等-改性沥青低温性能评价指标研究

公路交通科技,2007,24(9):42-45.参考文献：[1]曹丽萍，谭忆秋，董泽蛟，等•应用玻璃化转变温度评价SBS

ZHAN Xiaoli, ZHANG Xiaoning, TAN Yiqiu, et al. Study on the low temperature performance evaluation indexes of modi­

fied asphalt DQ . Journal of Highway and Transportation Re­

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