Rollpave专用改性沥青制备及路用性能研究

董元帅，曹东伟，刘清泉，张艳君，侯 芸

（1.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；3.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097；4.中国交建公路路面养护技术研发中心，北京 100083）

传统的沥青路面维修方法，维修时间长，需要多种施工机械相互协作，这严重干扰了道路交通，加重了道路的堵塞程度，影响了人们的出行及安全.对于城市道路的修复，为了避免道路维修对交通产生不利影响，一般多采用夜晚施工，施工时间从封闭交通开始至解除交通封闭只有6h左右，这虽然可以缓解道路维修对交通产生的压力，但仍然会对施工人员和周围居民产生一定的不利影响，同时使施工质量变异性增大.

针对这一问题，荷兰公共设施和水利工程管理局在一项持续至今的“Roads to the Future”研究计划中提供了一种全新的技术路线，即在工厂内预制可卷曲沥青路面（Rollpave）铺装层，施工时则在现场如铺地毯一样铺设安装沥青路面（见图1），从而快速完成路面维修作业并迅速开放交通［1－2］.

图1 Rollpave施工图Fig.1 Rollpave construction

从2001年起，Dura Vermeer－Intron 公司和代尔夫特大学先后在荷兰De Brink附近的A50公路、Hengelo附近的A35 公路铺筑了多条Rollpave试验段.但由于预制沥青路面的沥青胶结料力学性能较差，该技术在荷兰基本停留在研发阶段，没有大面积应用［3－4］.除荷兰外，未见其他国家有相关报道.本文借鉴了Rollpave研发思路，开发了Rollpave专用改性沥青（以下简称为专用改性沥青），测试了其路用性能，并与其他沥青路用性能相对比，以为预制沥青路面的发展提供技术支持.

1 试验材料与试验设计

1.1 试验材料

基质沥青：SK－70沥青；高分子改性剂：自行研发的Rollpave专用粒子GTA（乙烯－醋酸乙烯酯共聚物）和SBS颗粒；软化剂：糠醛抽出油、环烷复合油；助剂：增塑剂A（碳五石油树脂）和相容稳定剂B（硫）.

1.2 改性沥青研发思路

常温或较低温度（0～30℃）条件下，为确保沥青混合料在卷曲的过程中不开裂，其沥青胶结料需具备足够的柔韧性.常规改性沥青设计思想为将高分子改性剂添加到沥青中并加入相容稳定剂，使高分子材料成为均匀、稳定的分散相［5－6］.在温度较低时，基质沥青呈脆性，既不柔韧也无强度，作为分散相的高分子材料（如硫化橡胶和乙烯类塑料等）无法充分发挥自身良好的柔顺性和韧性.因此这种改性沥青体系不适用于对沥青柔韧性有更高要求的可卷曲沥青路面.

为充分发挥高分子改性剂的作用，可增加高分子改性剂的掺量，使得高分子材料形成连续相，而沥青则以充油和／或分散状态参与其中.这样制备的改性沥青才能保证沥青混合料具有足够柔韧性，能够类似于地毯一样的卷铺，同时又能具有良好的力学性能.

1.3 专用改性沥青制备工艺

在专用改性沥青制备过程中采取了加热沥青、添加软化剂和强力剪切搅拌等步骤，以解决自行研发的专用粒子GTA 和SBS颗粒在沥青中的分散问题.专用改性沥青制备步骤如下：

（1）将一定剂量的SBS 颗粒、环烷复合油与加热至软化流动状态的500g基质沥青拌和搅匀，然后在170～180℃下用高速剪切机剪切10min，剪切速率为5 000r／min；

（2）将一定剂量的专用粒子GTA、糠醛抽出油与步骤（1）制备的改性沥青拌和搅匀，然后在170～180℃下用高速剪切机以5 000r／min 速度剪切20min，使专用粒子GTA 充分溶胀；

（3）依次加入一定剂量的增塑剂A 和相容稳定剂B，然后在180 ℃下再剪切30 min，剪切速率为5 000r／min；

（4）将步骤（3）制备的改性沥青置于165℃的烘箱中发育30min，便得到专用改性沥青.

1.4 微观结构分析

使用蔡司Axio Vert光学显微镜观察不同高分子改性剂掺量（质量分数）的改性沥青微观结构，结果见图2（a）～（c）.

由图2（a）可以看出，当SBS和GTA 复配改性剂总掺量为8%时，沥青（深色）呈连续相，高分子改性剂（浅色）分散在沥青当中，且部分开始聚集，形成半连续相.由图2（b）可以看出，当SBS和GTA 复配改性剂总掺量增至10%时，高分子改性剂已经完全呈连续相，而沥青作为分散相存在.由图2（c）可以看出，随着SBS和GTA 复配改性剂总掺量进一步增加，高分子改性剂连续相面积增大，沥青分散相面积减小.

本文选择5%SBS＋7%GTA 复配改性剂制备专用改性沥青.

图2 不同高分子改性剂掺量的改性沥青微观结构Fig.2 Microscopic morphologies of modified asphalts with different polymer modifier's contents（by mass）

1.5 路用性能评价

本文依照有关规程［7］进行了沥青的三大性能指标试验，测得了沥青的针入度（15，25，30 ℃）、延度（5℃）及软化点.以沥青针入度（15，25，30℃）作为其感温性的评价指标，以沥青延度（5 ℃）作为其低温性能的评价指标，以沥青软化点作为其高温性能的评价指标.依据有关规程［7］测试了沥青的135，175℃布氏黏度并以此来评价沥青的黏温流变特性［6］.

根据有关规程［7］的要求，利用DSR 试验（动态剪切流变试验）测试原样沥青和经沥青薄膜烘箱（RTFOT）老化沥青的动态剪切模量G＊和相位角δ，以原样沥青的抗车辙因子G＊／sinδ＞1.0kPa，老化沥青的抗车辙因子G＊／sinδ＞2.2kPa来表征沥青的高温性能；利用BBR 试验（低温弯曲蠕变试验）测试原样沥青和经压力老化（PAV）沥青的蠕变劲度S 和蠕变速率m，以60s时的S＜300MPa，m＞0.3s－1来表征沥青的低温性能［6－8］.

按照1.3节步骤制备专用改性沥青（复配改性剂为5%SBS＋7%GTA），然后进行各种路用性能试验测试，比较专用改性沥青与基质沥青和SBS改性沥青的路用性能差异.

2 试验结果与分析

2.1 沥青三大性能指标试验结果

3种沥青的三大性能指标试验结果见表1.由表1可以看出，相比基质沥青，SBS改性沥青由于SBS的掺入使得其软化点和延度（5℃）均有提高，针入度（25℃）降低.专用改性沥青中含有5%SBS，其三大性能指标变化规律理应和SBS改性沥青一样，然而7%GTA 的掺入使得其针入度（25℃）与基质沥青基本相同，软化点和延度（5℃）却远远高于基质沥青.专用改性沥青的软化点（表征高温性能）较基质沥青和SBS改性沥青分别提高了2.21 倍和1.86倍.由于当延度（5℃）测试到61.8cm 时，专用改性沥青与端模脱离而非在试模中间发生断裂（见图3），故专用改性沥青延度（5℃，表征低温性能）分别较基质沥青和SBS改性沥青至少提高了14.71倍和2.59倍.专用改性沥青的针入度（25℃）并没有因为改性剂的添加而升高，表明其劲度模量水平与基质沥青相同.

表1 沥青三大性能指标试验结果Table 1 Experiment results of three performance indicators of asphalts

图3 专用改性沥青脱模示意图Fig.3 Schematic drawing of dedicated modified asphalt demolding

2.2 布氏黏度试验结果

采用Brookfield V6.3型黏度计测试沥青于135，155，175℃时的布氏黏度（η），建立了沥青布氏黏度（η）－温度（t）关系方程，结果见表2.由表2可见，温度每提高20℃，3种沥青的布氏黏度平均降幅在50%左右，专用改性沥青布氏黏度对温度的敏感性介于基质沥青和SBS改性沥青之间.根据专用改性沥青布氏黏度－温度关系方程，按照（0.17±0.02）Pa·s布氏黏度确定专用改性沥青的拌和温度范围为230～235℃，按照（0.28±0.03）Pa·s布氏黏度确定专用改性沥青的压实温度范围为217～222℃.由于专用改性沥青具有明显的非牛顿流体性质，利用上述方法确定专用改性沥青的拌和温度和压实温度明显偏高.本文参考高黏沥青的软化点、布氏黏度等技术指标，并结合工程经验，最终确定专用改性沥青拌和温度范围为180～185℃、压实温度范围为165～170℃.

表2 沥青布氏黏度－温度关系方程Table 2 Brookfield viscosity－temperature relationship equation of asphalt

2.3 DSR 试验

在恒定角速度（10rad／s）条件下进行沥青DSR试验.沥青抗车辙因子测试结果如表3所示.

由表3可以看出：（1）在RTFOT 老化前，基质沥青的高温等级为64，而SBS改性沥青的高温等级为82，比基质沥青提高了3 个温度等级.（2）RTFOT 老化前后专用改性沥青在88℃下的抗车辙因子分别为7.88kPa和8.51kPa.从抗车辙因子随温度升高的变化规律来看，专用改性沥青破坏失效时的温度至少在100℃以上，表明专用改性沥青的高温性能较基质沥青和SBS改性沥青有显著提高.

表3 沥青抗车辙因子测试结果Table 3 Experiment results of anti－rutting factors of asphalts

2.4 BBR试验

本研究采用ATS公司生产的BBR 试验仪进行沥青BBR 试验，从－12℃开始以每6℃为1级，测试3种沥青的蠕变劲度S 和蠕变速率m.当试验温度为－12℃时，专用改性沥青在荷载作用下的形变大于4mm，根据有关规程［7］该试验结果无效.

不同试验温度（t）下沥青的S 和m 值见表4.

从表4可以看出：（1）－18℃和－24℃时，压力老化前基质沥青与SBS 改性沥青的低温弯曲蠕变特性比较接近，而专用改性沥青的蠕变劲度S 远远小于其他2 种沥青.（2）压力老化后的基质沥青和SBS改性沥青分别在－18℃和－24℃时无法满足S＜300MPa或m＞0.3s－1的要求，而专用改性沥青在－30℃时能满足S＜300 MPa或m＞0.3s－1的要求，至－36℃时才会出现S＞300MPa的情况.说明压力老化前后专用改性沥青的低温性能均十分优异，较SBS改性沥青提高了2个低温等级.

表4 不同试验温度下沥青的蠕变劲度和蠕变速率Table 4 Creep stiffness and creep rates of asphalts at different test temperatures

对比SBS 改性沥青和专用改性沥青的低温蠕变特性可以看出，以高分子改性剂作为分散相的改性沥青受基质沥青低温脆性的影响较大，无法充分发挥高分子改性剂的柔韧性，而以高分子改性剂作为连续相的专用改性沥青几乎不受基质沥青低温脆性的影响.BBR 试验结果也间接地验证了本文改性沥青研发思路的正确性.

由于专用改性沥青呈现较小的S 值和较大的m值，因此专用改性沥青混合料在低温下承受弯拉时不易产生裂缝，这意味着Rollpave能够在低温下施工、铺装，解决了沥青路面无法在冬季修补的难题.

2.5 感温性指标

沥青的感温性是沥青的重要性能之一，目前常用的评价方法有针入度指数（PI）法、针入度黏度指数（PVN）法、复数模量指数（GTS）法等.有关研究［8－9］表明不宜采用PVN 法评价含蜡量较多的沥青的感温性，故本文采用PI法和GTS法评价专用沥青的感温性.

在15，25，30℃下进行不同沥青针入度测试，计算不同沥青的PI值，结果见表5.

表5 沥青针入度指数Table 5 Penetration indexes of asphalts

PI值越大，表示沥青的感温性越低.常见沥青的PI值在－1～1之间，如基质沥青和SBS改性沥青（见表5）.专用改性沥青的PI值高达3.86（见表5），其感温性远远优于基质沥青和SBS改性沥青.

有研究［8］表明，PI只能在较窄的温度区间内表征沥青的感温性，其外延性较差；受人为因素的影响PI测试误差有可能会加大，因而本文利用测试温度区间更为宽泛、测试数据更为稳定的GTS法来进一步评价专用改性沥青的感温性.

有关研究［9］认为沥青复数模量双对数与温度对数呈以下线性关系：

由lg lg G＊－lgt直线斜率，可求出GTS.GTS反映了测试温度区域内沥青复数模量随温度的变化情况.GTS绝对值越大，表明沥青复数模量随温度的变化越大.

本文通过DSR 试验测试3种沥青在不同温度下的复数模量，试验中采用正弦波方式加载，剪切频率为10rad／s，应力水平为100Pa，测试温度为30～80℃.

沥青复数模量随温度的变化如图4所示.沥青GTS的计算结果见表6.

图4 沥青复数模量随温度的变化Fig.4 Change of complex modulus of asphalt with temperature

表6 GTS计算结果Table 6 Calculation results for GTS

由图4 可知，在更宽泛的测试温度区域（30～80℃）内，专用改性沥青G＊受温度的影响较基质沥青和SBS改性沥青要小，表明专用改性沥青感温性较好.

由表6可见，在30～80℃温度区域中GTS数据的变异系数较小，表明GTS 法的测试数据较稳定、外延性较好.

3 结论

（1）开发了Rollpave专用改性沥青.该专用改性沥青由基质沥青、专用粒子GTA 和SBS颗粒、软化剂及助剂组成.

（2）专用改性沥青微观结构与常规改性沥青不同.专用改性沥青中的高分子改性剂是以连续相的形式存在.

（3）专用改性沥青的软化点和延度（5 ℃）远远高于基质沥青和SBS改性沥青，而针入度（25℃）则与基质沥青接近.

（4）依据布氏黏度－温度关系方程计算得到的专用改性沥青的拌和温度和压实温度偏高，参考高黏沥青的各项技术指标，初步确定专用改性沥青的拌和温度范围为180～185℃、压实温度范围为165～170℃.

（5）与基质沥青和SBS 改性沥青相比，专用改性沥青的高、低温等级大大提高.

（6）在15～80℃温度区间，专用改性沥青的感温性优于基质沥青和SBS改性沥青.

［1］INGRAM L S，HERBOLD K D，BAKER T E，et al.Superior materials，advanced test methods and specifications in Europe［R］.Washington D.C.：Federal Highway Administration U.S.，2004.

［2］HOUBEN L J M，van der KOOIJ J，NAUS R W M，et al.APT testing of modular pavement structure‘Rollpave’and comparison with conventional asphalt motorway structures［C］∥2nd International Conference on Accelerated Pavement Testing.Minneapolis：APT，2004：1－24.

［3］MOLENAAR J M M，MONTFORT J.Super stille deklaagrubber Rollpave［R］.Delft：Road and Hydraulic Engineering Institute，2011.

［4］DOMMELEN A E，van der KOOIJ J，HOUBEN L J M，et al.LINTRACK APT research supports accelerated implementation of innovative pavement concepts in the Netherlands［C／OL］∥Paper Submitted for 2nd International Conference on Accelerated Pavement Testing.Minneapolis.［2004－09－21］.http：∥www.mrr.dot.state.mn.us／research／MnROAD＿Project／index＿files／pdfs／VanDommelen.

［5］张宝昌.弹性体及其复合材料改性沥青的性能研究［D］.沈阳：东北大学，2008.ZHANG Baochang.Study on compound mineral fillers modified asphalt and its mixtures paving performance［D］.Shenyang：Northeastern University，2008.（in Chinese）

［6］张金升，张银燕，夏小裕，等.沥青材料［M］.北京：化学工业出版社，2009：242－246.ZHANG Jinsheng，ZHANG Yinyan，XIA Xiaoyu，et al.Asphalt materials［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2009：242－246.（in Chinese）

［7］JTG E 20—2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.JTG E 20—2011 Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering［S］.（in Chinese）

［8］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2005：125－165.SHEN Jinan.Road property of bitumen and bituminous mixtures［M］.Beijing：Chinese Communications Press，2005：125－165.（in Chinese）

［9］于新，孙文浩，罗怡琳，等.橡胶沥青温度敏感性评价方法研究［J］.建筑材料学报，2013，16（2）：266－270.YU Xin，SUN Wenhao，LUO Yilin，et al.Research on the evaluation index of temperature sensitivity of CRMA［J］.Journal of Building Materials，2013，16（2）：266－270.（in Chinese）