摘要
为了在有限样本条件下得到高黏改性剂优选基质沥青的控制指标，对境内外2种高黏改性剂与4种常用基质沥青进行配伍性试验，并以针入度、软化点、低温延度、60℃动力黏度及℃布氏黏度为控制指标，从而得出配伍性最佳的基质沥青，然后分别对每种基质沥青进行针入度、软化点、延度等全套常规性能试验和不同老化程度的温度扫描、频率扫描等流变性能试验，运用灰色关联度分析方法定量给出基质沥青性能指标对高黏改性沥青控制指标的影响。试验结果表明，不同来源基质沥青的常规性能、流变性能及其与高黏改性剂的配伍性各不相同。G2和TPS高黏改性剂与壳牌(泰国)基质沥青的配伍性最好，并且G2高黏改性剂的适配性比TPS高黏改性剂好。不同来源的基质沥青常规性能和流变性能各不相同，其中部分性能指标存在较大差异。同时，高黏改性沥青控制指标与基质沥青的常规性能指标和流变性能指标之间存在较好的相关性，通过控制基质沥青的常规性能指标和流变性能指标，可以优选出与高黏改性剂适配的基质沥青。其中，高黏改性沥青控制指标与基质沥青的流变性能指标灰色关联程度更高。
关键词
沥青结合料
高黏改性剂
配伍性
常规性能
流变性能
灰色关联度
已有研究表明，不同种类的聚合物改性剂对同一种基质沥青的改性效果不同，即使是同一种改性剂，对不同基质沥青的改性效果也不尽相同，有些时候改性效果可能还会相差甚远[1]。所以只有合理地选择最佳的基质沥青与改性剂搭配才能取得满意的改性效果，这就是聚合物改性剂与基质沥青的配伍性。高黏改性剂是一种以热塑性橡胶为主要成分，辅以树脂、黏结剂等成分的聚合物改性剂，通过添加在基质沥青中，可以将普通沥青改良成具有高黏结力、高弹性、耐高温等优良性能的沥青结合料[2]。但高黏改性剂与其他聚合物改性剂一样，不易分散于沥青中，与不同种类的基质沥青改性效果各不相同，故合理地选择与高黏改性剂相配伍的基质沥青，对制备性能优异、质量稳定的高黏改性沥青有重要意义。
当前，境外对透水性沥青路面的技术已经掌握非常成熟，并且形成了完整的产业链，开发出了性能优异的高黏改性剂[3]。而我国高黏改性沥青的研究与境外仍存在一定的差距，虽然取得了一定的进展，开发出了国产高黏改性剂，但是改性效果时好时坏，性质不够稳定。而导致这种情况出现的重要原因之一，就是我国高黏改性沥青的配伍性仍未得到有效解决，这极大地限制了我国透水沥青路面的发展。目前我国对高黏改性沥青的研究，大多数集中在性能研究和产品研发上[4-6]。如：焦晓龙等在基质沥青中加入TPS、阻燃剂、环保添加剂Sasobit制成安全环保型高黏改性沥青，研究表明掺加适量的Sasobit，可以提高沥青的高温性能，降低沥青的高温黏度，从而降低施工温度，达到节能环保的目的；徐世国等对深圳海川工程科技有限公司开发的SINOTPS高黏改性沥青进行室内试验和混合料试验，研究了高黏改性剂的特性，并且通过实体工程，验证了高黏改性沥青具有优良的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性等等。但境内外对高黏改性沥青配伍性的研究还鲜有报导。
因此，本文基于规范要求和高黏改性沥青的关键指标，优选了境内外2种高黏改性剂和4种常用基质沥青进行配伍性试验，从而得出配伍性最佳的基质沥青，然后分别对每种基质沥青进行全套常规性能试验和流变性能试验，以期在有限样本条件下得到高黏改性剂优选基质沥青的控制指标，为高黏改性剂的配伍沥青优选提供依据。
试验设计
试验原材料
通过实验室优选，本文选用2种高黏改性剂进行试验，分别为日本TPS高黏改性剂、国产G2型高黏改性剂，如图1所示。基质沥青分别采用进口壳牌基质沥青(新加坡产地)、进口壳牌基质沥青(泰国产地)、泰普克基质沥青及国创基质沥青。
为了方便表达，下面对制备的8种高黏改性沥青进行标记。即：TPS高黏改性剂＋进口壳牌基质沥青(新加坡产地)记为TPS-Q-S，TPS高黏改性剂＋进口壳牌基质沥青(泰国产地)记为TPS-Q-T，TPS高黏改性剂＋泰普克基质沥青记为TPS-T，TPS高黏改性剂＋国创基质沥青记为TPS-G，G2型高黏改性剂＋进口壳牌基质沥青(新加坡产地)记为G2-Q-S，G2高黏改性剂＋进口壳牌基质沥青(泰国产地)记为G2-Q-T，G2高黏改性剂＋泰普克基质沥青记为G2-T，G2高黏改性剂＋国创基质沥青记为G2-G。
改性沥青制备
将不同种类的基质沥青在℃的烘箱中加热1h，使其完全融化，然后加入相对于基质沥青质量分数的高黏改性剂搅拌均匀，在℃的温度下用高速剪切仪以r/min的转速剪切50min，直至高黏改性剂全部溶解，最后放入℃的烘箱中恒温发育2h，即可制得8种14％掺量的高黏改性沥青。
高黏改性沥青试验结果分析
为了探索不同种类高黏改性剂与不同基质沥青的配伍性，在参照规范和已有研究的基础上，分别对制备好的8种高黏改性沥青进行针入度试验、软化点试验、5℃延度试验、60℃动力黏度试验及℃布氏黏度试验。试验结果见表1和表2。
针入度试验
针入度反映了沥青材料的软硬及黏稠程度，针入度越小，代表沥青质地越硬；针入度值越大，则代表沥青质地越软[7]。通过分析表1和表2可知，当采用壳牌(新加坡)基质沥青制备2种高黏改性沥青时，其针入度值都偏大，其中TPS-Q-S高黏改性沥青甚至达到了60(0.1ｍｍ)，而其他基质沥青制备的高黏改性沥青针入度值则一般都在40～50之间。这说明壳牌(新加坡)基质沥青的质地较软，并且采用相同加工工艺的同一品牌基质沥青，性质也会因为产地的不同而发生变化。
软化点试验
软化点是表征沥青高温性能的重要指标，它表示沥青从黏塑性状态转变为黏流体状态的临界温度，沥青软化点越高，则代表沥青的高温性能越好[8]。通过分析表1和表2可知，不同基质沥青制备的G2高黏改性沥青软化点均比TPS高黏改性沥青高，而且均可达到℃以上，这说明G2国产高黏改性沥青的高温性能优异。在透水沥青路面设计时，若想最大程度地提高沥青高温性能，可优先考虑国产G2高黏改性剂。由表1、表2还可得，2种高黏改性沥青高温性能的最佳配伍性沥青均为壳牌(泰国)。
5℃延度试验
沥青低温延度代表沥青在低温条件下抵抗外力作用时的能力。沥青低温延度越大，则代表沥青的低温抗裂性越好；反之则越差[9]。
由图2可得，同种基质沥青制备的G2高黏改性沥青5°Ｃ延度均比TPS高黏改性沥青的高，这表明G2高黏改性剂的适配性比TPS高黏改性剂好。从图2中还可得，TPS高黏改性剂与不同基质沥青制备的高黏改性沥青5℃延度差异较大，而G2高黏改性剂与不同基质沥青制备的高黏改性沥青5℃延度差异较小。其中，TPS高黏改性沥青中TPS-Q-T的性能最好，G2高黏改性沥青中G2-G的性能最好。
60℃动力黏度试验
60℃动力黏度是评价高黏改性沥青的关键性指标之一，它与高黏改性沥青的抗飞散能力密切相关，可以表征高黏改性沥青在夏季抵抗永久变形的能力[10]。通过分析表1和表2可得，G2高黏改性沥青的60℃动力黏度均远比TPS高黏改性沥青高。其中壳牌(泰国)和壳牌(新加坡)基质沥青与G2高黏改性剂的配伍性最好，壳牌(泰国)和泰普克基质沥青与TPS高黏改性剂的配伍性最好。
布氏黏度
黏度代表沥青的黏滞性，直接反映沥青路面集料间黏结能力的强弱，反映沥青的高温性能[11]。一般而言，沥青的黏度性能对其施工、泵送、拌和等特性具有重要的影响，为了保证沥青在施工和拌和时具有足够的流动性，一般要求高黏改性沥青的℃布氏黏度不大于3Pa.s[12]。
从图3可得，G2高黏改性沥青的℃布氏黏度均比TPS高黏改性沥青高，但8种高黏改性沥青的℃黏度均不大于3Pa.s，满足要求。这表明在满足要求的提前下，G2高黏改性沥青的黏结能力均比TPS高黏改性沥青强，高温抗剪切变形能力更好。
综合考虑配伍后的各项性能可知：(1)不同来源基质沥青与高黏改性剂配伍效果相差较大，即使同一品牌的基质沥青，配伍性也会存在差异，应根据实际试验结果确定沥青的配伍性；(2)G2和TPS高黏改性剂的最佳配伍基质沥青均为壳牌(泰国)，并且G2高黏改性剂的适配性比TPS高黏改性剂好。
基质沥青试验结果分析
为了在有限样本条件下得到高黏改性剂优选基质沥青的关键控制指标及关键控制指标与高黏改性沥青性能之间的关系，分别对4种基质沥青进行全套常规性能试验和流变性能试验。
常规性能试验
在常规性能试验中，分别对4种基质沥青进行15℃、25℃及30℃针入度试验，10℃和15℃延度试验，软化点试验，60℃动力黏度试验，旋转薄膜烘箱老化试验，试验结果见表3。
通过分析表3可得，4种基质沥青均满足规范要求，其中各温度下针入度、软化点、当量软化点、25℃残留针入度、10℃残留延度及塑性温度基本相同，并无明显区别，故不进行深入分析。
通过对表3的常规性能试验结果分析还可得，4种基质沥青短期老化后的质量损失、15℃残留延度、10℃延度、60℃动力黏度、针入度指数及当量脆点均存在较大的差异。下面分别对以上各个指标进行详细分析。质量损失：4种基质沥青中，壳牌(泰国)和泰普克基质沥青短期老化后的质量损失均小于0.1％，而壳牌(新加坡)和国创基质沥青短期老化后的质量损失较大。这表明壳牌(泰国)和泰普克基质沥青的抗老化能力较强。
15℃残留延度：在4种基质沥青中，壳牌(新加坡)的15℃残留延度最大，达到55cm，而其他3种基质沥青则均在24cm左右。
10℃延度：在4种基质沥青中，国创基质沥青的10℃延度较低，而其他3种基质沥青均在25cm左右。60℃动力黏度：在4种基质沥青中，国创基质沥青的60℃动力黏度较大，而其他3种均维持在Pa.s左右。这表明国创基质沥青较其他3种沥青的黏稠度大。
针入度指数PI：壳牌(泰国)和国创基质沥青的针入度指数均比其他两种基质沥青小，温度敏感性较低；而壳牌(新加坡)基质沥青的针入度指数最大，温度敏感性最好。
当量脆点：在4种基质沥青中，壳牌(泰国)和泰普克基质沥青的当量脆点均为-11℃，处于国创和壳牌(新加坡)基质沥青的当量脆点之间，国创基质沥青当量脆点最高，壳牌(新加坡)基质沥青当量脆点最低。
流变性能试验
沥青是一种具有黏弹特性的材料，服从流变学的行为特征，在特定的情况下会产生剪切变稀、剪切攀附等流变现象，而不同的基质沥青，成分组成不同，从而会导致沥青的一系列流变特性发生改变[13]。故为了探索高黏改性剂适配沥青的流变规律，以期提出高黏改性剂适配沥青的流变控制指标，故采用英国malvern公司产型号为BolinADSCVO-的动态剪切流变仪分别对4种基质沥青进行不同老化程度的温度扫描试验和频率扫描试验。
(1)温度扫描试验将4种不同种类的基质沥青分别进行RTFO短期老化试验，将得到的老化残留物及原样沥青分别进行温度扫描试验。原样沥青和RTFO短期老化沥青温度扫描范围为46℃～82℃，试验结果如图4～图7所示。
由图4可得，壳牌2种基质沥青的图形基本重合。这表明虽然沥青产地不同，但采用同种工艺加工生产的基质沥青在原样时基本可以保持较好的温度稳定性。
对比图4和图5可得，4种基质沥青经过RTFO短期老化后，相位角的升温起点值均下降；泰普克和国创沥青的上限值略微下降，而壳牌2种沥青的上限值则基本不变。这是由于4种基质沥青经过RTFO短期老化后，轻质组分挥发，导致沥青中的黏性成分下降，弹性成分上升，相位角的升温起点值均下降。其中国创基质沥青的相位角升温起点值下降最多，这说明国创基质沥青老化较为严重，抗老化能力较弱。
由图4和图5可得，RTFO短期老化前后4种基质沥青的复数模量均随着相位角的增加而不断降低，并且降低的速率不断增加，其中壳牌的2种基质沥青降速最大。这表明随着温度升高，沥青中黏性成分不断增加，弹性成分不断减小，抵抗流动变形的能力不断下降；壳牌2种基质沥青相位角对温度较为敏感。
分析图6可得，4种基质沥青的耗损因子tanδ均随着温度的升高而增加，其中壳牌(泰国)＞壳牌(新加坡)＞泰普克＞国创。这表明4种基质沥青的黏性成分均随着温度的升高而增加，其中壳牌(泰国)基质沥青的黏性成分最多并且增加最快。这可能是[14]因为壳牌(泰国)基质沥青中的轻质组分较多，随着温度的升高，沥青中的黏性成分快速增加，并在82℃时达到峰值。在实际工程中，高黏改性剂选择适配沥青时，可以考虑采用82℃的耗损因子tanδ进行优选。
对比图6和图7可得，RTFO短期老化后，2种壳牌基质沥青的耗损因子tanδ变化趋向一致，泰普克和国创基质沥青的耗损因子tanδ变化趋向基本不变，其中壳牌(新加坡)＞壳牌(泰国)＞泰普克＞国创。这表明经过RTFO短期老化后，壳牌2种基质沥青的黏弹成分比趋向一致，泰普克和国创基质沥青黏弹成分比基本保持不变。
(2)频率扫描试验
弹性模量对数～存储模量对数关系图是年由Han提出，其目的是为了研究高分子材料的黏弹特性及相态结构[15]。根据不同沥青的60℃频率扫描结果，可得图8和图9。
通过分析图8可得，4种基质沥青的Han曲线均未出现明显的平台区，而且斜率基本一致。这表明4种基质沥青的均匀程度都较好，无明显的相分离现象出现。
由图9可得，4种基质沥青的复合黏度均随着频率的增加而减小，并且逐渐趋于稳定，其中泰普克＞国创＞壳牌(新加坡)＞壳牌(泰国)。这表明同一频率下，4种基质沥青中泰普克沥青复合黏度最大，沥青黏性流动最弱；壳牌(泰国)沥青复合黏度最小，沥青黏性流动最强。这是因为壳牌(泰国)沥青中轻质组分较多，从侧面验证了第3.2.1节中的结论。
(3)零剪切黏度试验
零剪切黏度(Zeroshear-rateviscosity,ZSV)是指在剪切速率接近于0时，沥青处于伪塑性流体在第一牛顿区域中所对应的黏度值，此时黏度趋于常数，并且达到最大[16]。
零剪切黏度试验温度采用60℃，对4种不同来源的基质沥青分别进行频率扫描，扫描范围为10-1～rad/s，采用程序OriGin8.0分别对扫描结果进行Cross模型和Carreau模型拟合。其中Cross模型和Carreau模型见公式(1)和公式(3)，拟合结果见图10、图11及表4。
由图10、图11及表4可得，通过Cross模型和Carreau模型对试验结果进行拟合均可得到合理的ZSV值，并且回归决定系数R^2均可达到0.96以上，其中Cross模型的拟合结果均比Carreau模型的大，但均在同一个数量级内，拟合值较为合理。由表4还可得，通过Cross模型拟合ZSV值的相关性系数R^2一般都比Carreau模型拟合ZSV值的相关性系数高，这表明Cross模型更适用于基质沥青的ZSV值拟合。
通过对比表4不同来源基质沥青的ZSV值可知，无论采用Cross模型还是Carreau模型对不同来源基质沥青的ZSV值进行拟合，均可得壳牌(泰国)基质沥青的ZSV值最小、泰普克基质沥青的ZSV值最大。这表明壳牌(泰国)基质沥青抵抗剪切变形的能力最弱，黏性流动最强。这与第3.2.2节的结论一致。
基质沥青与高黏改性沥青相关性分析
灰色关联度分析是一种根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素之间关联程度的方法。它可从众多因素中提炼出影响系统的主要因素、主要特征及因素间系统影响的差异，对于一个系统发展变化态势提供了量化的度量，非常适合动态历程分析[17]。故本文将不同来源的基质沥青性能看做分析配伍高黏改性沥青性能变化的灰色量，然后通过比较计算目标值(参考数列：本文指高黏改性沥青控制指标)与影响因素(比较数列：本文指基质沥青性能指标)的关联度，对关联度进行排序，以寻求影响目标值的主要因素，得出透水沥青路面优选基质沥青的控制指标，为提高透水沥青路面的性能及社会认可度起到一定的推动作用。灰色关联度分析方法的主要步骤如下所示。
(1)确定参考数列和比较数列。参考数列为：
(1)常规性能指标灰关联度分析。
采用灰色关联度法对基质沥青常规性能指标与高黏改性沥青控制指标进行分析，其中：x1为质量损失；x2为15℃残留延度；x3为10℃延度；x4为60℃动力黏度；x5为针入度指数；x6为当量脆点；为灰关联度平均值。分析结果见表5和表6。
由表5和表6可得，基质沥青常规性能指标与高黏改性沥青的控制指标之间存在较好的相关性，通过观察基质沥青x2(15℃残留延度)和x3(10℃延度)与2种高黏改性沥青的3大指标可知，它们之间的相关性最好且较为一致，这表明可以通过控制基质沥青的x2(15℃残留延度)和x3(10℃延度)，提升制备改性沥青的3大指标。通过分析还可知，TPS高黏改性沥青的60℃动力黏度与基质沥青x4(60℃动力黏度)相关性最好，达到0.96；而G2高黏改性沥青的60℃动力黏度与基质沥青x2(15℃残留延度)相关性最好。这表明不同种类高黏改性沥青60℃动力黏度与基质沥青的适配指标并不完全一致，应根据实际情况进行选择。同时通过观察x质量损失)还可得，基质沥青x1(质量损失)与2种高黏改性沥青的℃布氏黏度相关性最高，可以通过控制基质沥青的x1(质量损失)来调节高黏改性沥青℃布氏黏度。
(2)流变性能指标灰关联度分析。
采用灰色关联度法对基质沥青流变性能指标与高黏改性沥青控制指标进行分析，其中：x1为82℃耗损因子tanδ；x2为相位角δ值，范围为(46℃~82℃)；x3为60℃复合黏度；x4为Cross模型拟合ZSV；x为灰关联度平均值。分析结果见表7和表8。
由表7和表8可得，2种高黏改性沥青的针入度与基质沥青的x(60℃复合黏度)和x(ZSV)相关性最好，软化点和5℃延度与基质沥青的x2(δ值范围)相关性最好，这表明可以通过控制基质沥青的x2(δ值范围)、x3(60℃复合黏度)及x4(ZSV)，改善配伍高黏改性沥青的性能。从表7和表8还可得，对于60℃动力黏度，TPS高黏改性沥青与基质沥青的x4(ZSV)相关性最好，而G2高黏改性沥青则与基质沥青的x1(82℃耗损因子tanδ)相关性更好；对于℃布氏黏度，2种高黏改性沥青与基质沥青的x4(ZSV)相关性均最好。
通过对比表5和表7、表6和表8的平均相关系数可得，配伍高黏改性沥青的性能指标与基质沥青流变性能指标相关性更好。这表明通过控制沥青的流变指标，可以更好地优选高黏改性剂的适配沥青。
综合上述可得，通过控制沥青的常规性能指标(质量损失、15℃残留延度、10℃延度及60℃动力黏度)和流变性能指标(82℃耗损因子tanδ、δ值范围、60℃复合黏度及ZSV)，可以优选出与高黏改性剂配伍性最佳的基质沥青。其中，沥青的流变性能指标关联程度更高。
结语
(1)不同来源基质沥青与高黏改性剂配伍效果相差较大，即使同一品牌的基质沥青，配伍性也会存在差异，应根据实际试验结果确定沥青的配伍性。G2和TPS高黏改性剂的最佳配伍沥青均为壳牌(泰国)，并且G2高黏改性剂的适配性比TPS高黏改性剂好。
(2)不同来源的基质沥青常规性能与流变性能均不相同，其中沥青常规性能指标中的质量损失、15℃残留延度、10℃延度、60℃动力黏度、针入度指数和当量脆点，以及流变性能指标中的82℃耗损因子tanδ、δ值范围、60℃复合黏度和ZSV，均存在较大的差异。
(3)高黏改性沥青的控制指标与基质沥青的常规性能指标和流变性能指标之间存在较好的相关性。通过控制沥青的常规性能指标(质量损失、15℃残留延度、10℃延度及60℃动力黏度)和流变性能指标(82℃耗损因子tanδ、δ值范围、60℃复合黏度及ZSV)，可以优选出与高黏改性剂配伍性最佳的基质沥青。其中，高黏改性沥青控制指标与基质沥青的流变性能指标灰色关联程度更高。
全文完。首发于《公路》年第1期。添加主编