APAO改性瀝青性能試驗研究

摘要：為分析非晶態聚α烯烴（APAO）對瀝青流變性能的影響，文章制備了不同摻量（2%、4%、6%和8%）的APAO改性瀝青，采用多重應力蠕變恢復（MSCR）試驗、線性振幅掃描（LAS）試驗、彎曲梁流變儀（BBR）試驗和傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗，分別研究瀝青的高溫穩定性、中溫抗疲勞性能、低溫抗裂性能和微觀特性。試驗結果表明，APAO降低了瀝青的不可恢復蠕變柔量和m值，提高了瀝青的恢復率、疲勞壽命和蠕變剛度，即APAO改善了瀝青的抗車轍性能和抗疲勞性能，而APAO改性瀝青的低溫性能有所下降；FTIR分析表明APAO與瀝青之間存在新的化學反應。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；APAO；流變性能；紅外光譜

0引言

非晶態聚α烯烴（APAO）是一種低分子量的飽和塑性非極性材料，近年來，APAO在瀝青改性中的應用正逐漸成為研究的熱點［1-2］。以往的研究表明，APAO的添加明顯改善了瀝青的高溫穩定性和老化性能，而且以往針對APAO改性瀝青的研究大多是采用三大指標試驗、黏度試驗或溫度掃描試驗等，即根據三大指標、車轍因子或疲勞因子來表征瀝青的路用性能［3-4］。然而，有研究表明上述指標不能真實表征瀝青的流變性能［5］。

基于此，需要針對瀝青改性性能研究引入更先進的試驗，如多重應力蠕變恢復（MSCR）和線性振幅掃描（LAS）試驗，以更準確地表征APAO改性瀝青的高溫穩定性和疲勞性能。盡管目前的研究對APAO改性瀝青的性能表征已經進行了大量的工作，但基于流變學的APAO對瀝青性能的影響還有待深入研究，同時，APAO與瀝青基體之間的微觀機理也可進行進一步分析［6-7］。因此，本研究采用不同摻量的APAO（2%、4%、6%和8%）對瀝青進行改性，通過MSCR、LAS、BBR等流變試驗和FTIR微觀試驗，對APAO改性瀝青的性能進行綜合評價。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究選用茂名70#A級道路石油瀝青作為基質瀝青，其技術指標如表1所示。瀝青改性劑選用2 385型APAO，其性能如表2所示。

1.2 改性瀝青的制備

APAO改性瀝青的制備工藝如下：（1）將500 g基質瀝青加熱至流動態；（2）在基質瀝青中緩慢加入APAO，在高速剪切攪拌機中以4 000 rpm的轉速剪切0.5 h，制備過程中溫度控制為165 ℃。在本研究中使用4種比例的APAO（分別為基質瀝青質量的2%、4%、6%和8%），0摻量APAO改性瀝青為基質瀝青，且對其也采用上述制備過程進行處理，以減少制備過程中的老化對結果對比的影響誤差。

1.3 試驗方法

基于ASTM D7173標準，采用聚合物改性瀝青離析試驗表征APAO改性瀝青的儲存穩定性。將裝有瀝青的鋁箔管置于163 ℃的烘箱中垂直放置48 h，隨后將鋁箔管的頂部和底部剪開，測試頂部瀝青和底部瀝青的軟化點，并將差值作為儲存穩定性指標。每個試樣進行3次平行試驗。

根據AASHTO TP 70標準，基于動態剪切流變儀進行MSCR試驗。將試驗溫度設置為58 ℃～70 ℃，測試的瀝青則是經過旋轉薄膜烘箱試驗后的樣品。MSCR試驗在兩種應力水平下進行，分別為0.1 kPa和3.2 kPa，共10個循環。

采用LAS試驗對APAO改性瀝青的疲勞性能進行評價。根據AASHTO TP 101-14標準，試驗溫度設置為25 ℃。LAS試驗由兩個階段組成：第一階段，在0.1%的極低應變幅值下進行頻率掃描試驗，以表征未損傷狀態下瀝青的流變特性；第二階段，以0.1%的正弦應變加載100個循環來進行LAS試驗，并以1%的應變增長速率開始加載，加載達到30%的應變結束循環。基于LAS試驗，采用式（1）計算APAO改性瀝青的疲勞壽命：

Nf=A（γmax）B（1）

式中：Nf——瀝青的疲勞壽命；

[KG7mm]γmax——最大瀝青應變水平，根據粘彈性連續損傷理論，確定常數A和B。

基于AASHTO T313采用彎曲梁流變儀（BBR）進行試驗，以蠕變剛度（S）和蠕變速率（m）作為評價指標，研究長期老化狀態下APAO改性瀝青的低溫性能。測試溫度分別設置為-12 ℃和-18 ℃。采用FTIR試驗對APAO改性瀝青的化學性質進行研究，所有FTIR光譜在4 000 cm-1～400 cm-1波數范圍內掃描32次，分辨率為4 cm-1。

2 試驗結果與分析

2.1 儲存穩定性試驗

為了評價APAO改性瀝青在高溫攪拌條件下的離析性能，對其進行了儲存穩定性試驗，試驗結果見表3。由表3可知，APAO改性瀝青的底部和頂部軟化點差異較小，且差值均＜2.5 ℃，說明APAO的摻入并未在瀝青基體中產生嚴重的離析效應，這可能是由于APAO增強了瀝青的相容性和黏度。但當APAO摻量增大到8%時，瀝青的儲存穩定性下降，軟化點差值為2.3 ℃且接近2.5 ℃。綜上所述，APAO易于在瀝青基體中混合，APAO改性瀝青的儲存穩定性適宜，不過應注意控制摻量，減少團聚現象。

2.2 MSCR試驗

采用MSCR試驗對APAO改性瀝青的高溫性能進行評價，評價指標為不可恢復蠕變柔量（Jnr）和彈性恢復率（R）。在58 ℃～70 ℃條件下，分別在0.1 kPa和3.2 kPa的應力水平下進行試驗，與R值相比，Jnr值的變化程度更大。瀝青的Jnr值試驗結果如圖1所示。如表4所示為64 ℃時APAO改性瀝青的MSCR試驗結果。

由圖1可知，試驗溫度的升高會增加瀝青的Jnr值，而降低其R值，這是因為隨著溫度的升高，瀝青變得更加粘稠，因此瀝青的彈性和高溫性能下降。由表4可知，在同一應力水平下，APAO的摻入降低了瀝青的Jnr值，表明經APAO改性后的瀝青具有更高的抗車轍性能。同時，APAO摻量越高，瀝青的抗車轍性能越好。摻入8%APAO的瀝青高溫穩定性最高。此外，由表4可知，在兩種應力水平下瀝青的R值存在差異，且隨著應力水平的增加，瀝青的R值降低；APAO的摻入提高了瀝青的R值，R值可以表征瀝青在高溫狀態下的彈性恢復程度。因此可以得出結論，與基質瀝青相比，APAO改性瀝青具有更優越的高溫穩定性。

2.3 LAS試驗

LAS試驗能顯示瀝青在不同應變水平下的疲勞壽命，如表5所示為APAO改性瀝青的LAS試驗結果。由表5可知，摻入APAO對瀝青進行改性有效降低了高應力水平下的剪切應力。該結果還表明添加APAO可提高瀝青的疲勞壽命，這是因為APAO的摻入增強了瀝青的彈性，該結論也與MSCR試驗結果一致。同時還可以發現，APAO的摻入提高了疲勞壽命公式（1）中的A系數，而降低了B系數，且6%APAO改性瀝青的A值最大，B值最小。在低應變水平下，8%APAO改性瀝青的疲勞壽命明顯高于基質瀝青的疲勞壽命，這是因為APAO的摻入使瀝青的黏度提高，與高應變水平下的狀態相比，瀝青在低應變水平下具有更高的抗疲勞性能，因為在高應變水平下瀝青受重載作用會發生較大變形。所以，可以認為，經APAO改性后的瀝青具有更高疲勞壽命。

2.4 BBR試驗

采用BBR試驗來確定不同試驗溫度下APAO改性瀝青的低溫性能，評價指標為蠕變速率（m）和蠕變剛度（S），BBR試驗結果見表6。試驗結果表明，隨著APAO摻量的增加，瀝青的S值有所提高，說明APAO提高了APAO改性瀝青的開裂潛力，對其低溫抗裂性能有負面影響。m值隨著APAO摻量的增加而降低。一般來說，瀝青的m值與溫度應力有關，若瀝青的m值較大，在溫度降低的條件下，瀝青路面的溫度應力會迅速釋放，容易出現低溫裂縫。在這種情況下，m值的下降說明APAO的摻入不利于瀝青的低溫性能，這與S值的現象分析一致。APAO對瀝青材料低溫性能的影響有待進一步研究。

2.5 FTIR試驗

如圖2所示為基質瀝青與APAO改性瀝青的FTIR試驗結果。由圖2可知，2 850 cm-1和2 920 cm-1兩處的吸收峰分別是由瀝青烷基（C-H）的對稱與不對稱伸縮振動引起的；1 590 cm-1和1 650 cm-1的吸收峰是由芳烴的C=C振動引起的；在1 455 cm-1的吸收峰是由CH3和CH2的C-H伸縮振動引起的；1 375 cm-1的吸收峰是由CH3振動中的C-H伸縮振動引起的；720 cm-1～910 cm-1處的吸收峰與苯環中的C-H振動有關。還可以發現，APAO的添加提高了720 cm-1峰的強度，這是因為APAO存在亞甲基基團，該峰取代芳烴產生了彎曲振動，從而增大了峰值。與基質瀝青相比，APAO改性瀝青在960 cm-1和740 cm-1兩處出現了新吸收峰。新吸收峰的產生意味著APAO在瀝青中發生了化學反應，分析原因為APAO分子存在C-H鍵，可以與瀝青分子連接組合。

3 結語

（1）MSCR試驗結果表明，經過APAO改性后的瀝青具有較高的抗車轍性能，且APAO摻量越高，瀝青的Jnr值減少而R值增加，說明其高溫抗車轍性能得到改善。

（2）LAS試驗結果表明，APAO的摻入可以增加瀝青的疲勞壽命，改善其抗疲勞開裂性能，并且隨著APAO摻量的增加，改善效果也越明顯。

（3）BBR試驗結果表明，APAO摻量的增加提高了瀝青的S值而降低了m值，說明APAO的使用在一定程度上增加了瀝青的低溫開裂風險，即對瀝青的低溫開裂性能有負面影響。

（4）FTIR試驗和儲存穩定性分析表明，APAO與瀝青基體之間的相容性較好，與基質瀝青相比，APAO改性瀝青出現了960 cm-1和740 cm-1兩處新吸收峰，說明APAO與瀝青之間存在化學相互作用。

參考文獻：

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作者簡介：周理宏（1978—），工程師，主要從事公路工程施工監理工作。