0 引言

近年来，随着交通量的迅猛增加以及渠化现象加剧，导致沥青路面病害情况日渐严峻，不仅影响驾驶舒适性，对路面的服役寿命、道路安全等都产生了严重影响^[1-3]。特别是车辙病害已成为公路工程面临的一个重要问题，因此，研究兼具高模量及施工和易性的改性沥青以提高重载或超重载路段的抗车辙性能有着重大的工程意义^[4-6]。

由法国提出的高模量沥青混合料经过半个世纪的不断发展和应用，已经被证实是解决沥青路面车辙问题的有效手段之一^[7-9]。高模量沥青混合料在国内也具备一定的研究及应用基础。周庆华等^[10]从多个角度研究高模量沥青混合料，并指出高分子改性剂对沥青混合料性能影响显著。王立志等^[11]通过动态剪切流变试验、红外光谱等分析手段研究高模量沥青混合料的强度形成过程，证实了高模量添加剂能够有效增加沥青弹性成分，增强混合料内聚力。综上所述，沥青性能的改善对混合料路用性能的提高起到了关键作用，因此，着力于高模量改性沥青制备及性能研究具备重要工程意义。

高模量沥青是高模量混合料的核心组分，韩冰等^[12]总结了高模量沥青的评价指标，Fang等^[13]指出复数模量G^*(60 ℃，10 Hz，12%)≥10 kPa是区别高模量沥青和普通沥青的关键指标。目前高模量沥青的制备主要包括使用硬质沥青、高模量改性剂或复合改性沥青^[14-16]。然而，国内硬质沥青产量小，而高模量添加剂又面临价格高、低温性能不足等缺点，难以大规模应用^[17]。鉴于当前成熟的聚合物改性沥青技术，采用废旧胶粉并利用岩沥青高黏、抗氧化性强、与沥青配伍性好等特点，制备高模量胶粉/岩沥青复合改性沥青，不仅可以保证沥青路面的服役寿命，同时控制了制备工艺成本^[18-19]，具备良好的应用价值，且胶粉等固废资源的利用也减少了对环境的威胁。

基于此，本研究选择废胶粉及青川岩沥青进行复合改性高模量沥青的制备，并研究胶粉和岩沥青作为改性剂对复合改性沥青高低温性能、老化特性、高温储存稳定性、流变特性的影响，进而确定二者的推荐掺量。利用红外光谱、荧光显微镜等分析手段对胶粉及岩沥青在沥青中的存在状态以及复合改性沥青的微观结构特征进行分析，进而探究胶粉和岩沥青的复合改性机理，从而为后续聚合物/岩沥青复合改性沥青体系的研究及应用提供参考。

1 胶粉/岩沥青复合改性高模量沥青性能试验 1.1 原材料

(1) 基质沥青

基质沥青采用70^#A级道路石油沥青，其各项技术指标见表 1。

(2) 岩沥青

岩沥青为青川岩沥青(QRA)，其技术指标和化学组分情况如表 2和表 3所示。

(3) 胶粉

用于制备复合改性沥青用的胶粉选用60目废旧胶粉，表 4为相关技术指标测试结果，且满足规范要求。

1.2 复合改性高模量沥青的制备

岩沥青和废旧胶粉作为改性剂用于制备高模量复合改性沥青。岩沥青和胶粉这2种改性剂掺入都会导致沥青黏度大幅增加而影响工作性，因此二者掺量不宜过大，同时应考虑改性剂对沥青性能的影响。试验方案确定胶粉的掺量为20%，25%，30%，青川岩沥青的掺量为0%，3%，6%，9%，12%。其中掺量的百分比是以基质沥青质量为参照, 对照组为70^#基质沥青、6%岩沥青改性沥青和12%岩沥青改性沥青。制备工艺流程如图 1所示，配比如表 5所示。

1.3 复合改性高模量沥青性能试验方法 1.3.1 常规性能试验

依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，对不同复合改性沥青的三大指标、布氏黏度、储存稳定性等性能进行测试。然后，参照JTG E20—2011中T0608以及T0609试验规程，通过质量损失比、残留针入度对经过短期及长期老化后的复合改性高模量沥青的老化特性进行研究。本研究采用旋转薄膜烘箱(RTFOT)在室内进行模拟短期老化，采用压力老化箱(PAV)在室内模拟长期老化；对已经过短期老化的试样进行长期老化试验，模拟沥青路面在实际使用过程中发生的长期老化。

1.3.2 流变试验

利用动态剪切流变仪对复合改性高模量沥青试样进行温度扫描、频率扫描和多应力蠕变恢复试验，分析其在不同条件下的流变特性和疲劳特征。其中，温度扫描的温度范围为58~106 ℃，梯度为6 ℃，加载应变为12%，加载角频率为10 rad/s。频率扫描的温度范围为64~100 ℃，梯度为6 ℃，频率范围为1~100 rad/s。MSCR测试温度为64 ℃。

1.3.3 微观分析

利用荧光显微镜对复合改性高模量沥青的微观结构进行观测，利用红外光谱仪探讨复合改性高模量沥青的改性机理。

2 结果与讨论 2.1 胶粉/岩沥青复合改性沥青性能试验 2.1.1 常规性能指标

改性沥青三大指标结果如图 2所示。岩沥青使得沥青质地更硬，且掺量的增加致使改性沥青针入度的降低幅度变大，对于胶粉来说亦是如此。而当保持胶粉掺量不变时，岩沥青用量的增加反而使得沥青的针入度下降趋势放缓。这也说明改性沥青的性能受到改性剂种类及掺量的综合影响^[20]。胶粉/岩沥青的复合改性有效增加了沥青的黏度。通过图 2(b)可以看出，由于岩沥青和胶粉的加入，沥青的软化点有了明显的提升。当胶粉(岩沥青)的掺量一定时，岩沥青(胶粉)掺量的变化会导致改性剂对软化点的提升效果逐渐下降。因此，在使用胶粉和岩沥青对沥青进行改性时，应考虑二者的用量对沥青性能的综合影响。根据图 2(c)中不同改性沥青的延度数据可知，岩沥青的加入使得沥青的低温性能明显下降。反而20%胶粉，25%胶粉，30%胶粉改性沥青的延度分别提高了150%，202%，275%，表明胶粉的加入能够减弱岩沥青对于沥青低温性能的负面作用。通过三大指标结果可知，相较于基质沥青，加入岩沥青和胶粉后的复合改性沥青质地明显变硬，软化点提高明显，且低温性能有所改善。

2.1.2 布氏黏度

图 3为不同改性剂掺量的沥青在180 ℃条件下的布氏黏度试验结果。由图 3可知，相较于基质沥青，加入岩沥青和胶粉之后，复合改性沥青黏度大幅提高，从而可以提升沥青在高温下的抗变形能力。与岩沥青相比，胶粉的掺量增加对沥青黏度的影响更加显著。当改性沥青中胶粉用量达到25%和30%时，无论岩沥青用量如何变化，沥青黏度都基本已经超过了3.0 Pa·s，导致沥青工作性能变差。因此，为获得性能优良且易于施工的高模量沥青，应将胶粉的用量控制在20%以内。

2.1.3 测力延度

测力延度试验能够对沥青的低温性能进行较为准确的评价^[21]。图 4为不同改性沥青在10 ℃条件下的测力延度试验曲线。

通过图 4可知，5种改性沥青的曲线变化类似。由第1阶段(AB段)可以看出，几种沥青整体体现出弹性特征，但随着岩沥青掺量的增加，曲线的斜率越大，低温性能也随之变差，可以看出20C低温性能最优，而12R20C最差。随着拉伸长度进一步增加，沥青进入BC段，并表现出屈服特征，随着拉伸量的均匀增加，拉力近似线性下降，类似应力松弛的特征，其原因主要为岩沥青及胶粉改性剂的高分子结构逐渐由无序变为定向，从而导致荷载减小^[22]。当曲线进入CD段时，复合改性沥青随着拉伸量的均匀增加，拉力趋于线性增长，20C的韧性最差，而掺入了岩沥青的改性沥青韧性均优于20C。由此可见，岩沥青的掺入对沥青的韧性有了较为明显的提高。岩沥青的掺入对复合改性沥青低温性能的劣化作用较为明显，因此需要结合沥青性能的综合测评，系统考量岩沥青的推荐掺量。

2.1.4 老化性能

(1) 质量损失比

本研究采用短期老化前后的沥青样品的质量损失比来表征沥青的抗老化性能。由图 5可知，在相同胶粉掺量的前提下，岩沥青掺量为12%时，复合改性沥青的质量损失比相较于胶粉沥青下降了0.078%。这是因为岩沥青自身是在天然环境条件下形成的，具备强抗氧化性，加入后会改善沥青的老化性能^[23]，且岩沥青能够吸收沥青中的轻质组分使得复合改性沥青的质量损失比绝对值下降。

(2) 残留针入度

本研究对老化前后复合改性沥青进行25 ℃针入度试验。图 6(a)和图 6(b)分别表示短期老化和长期老化后复合改性沥青的针入度比。短期老化和长期老化后，复合改性沥青的针入度比随岩沥青用量增加都在逐渐增加。岩沥青用量12%时，短期老化复合改性沥青针入度比提高了10%，长期老化复合改性沥青针入度比提高了9%，这表明岩沥青掺入能够有效提高复合改性沥青的抗老化性能。

2.2 胶粉/岩沥青复合改性沥青流变特性 2.2.1 DSR温度扫描

在高温条件下，相位角δ越小，沥青弹性成分越多，复数模量G^*越大，表明材料高温抗剪能力越强。如图 7~8所示，由于温度升高，沥青材料的弹性成分比例减小，沥青逐渐由弹性向黏弹性转变，抗剪切变形能力逐渐降低。而岩沥青的加入则有效改善了沥青的高温抗变形能力，相较于胶粉改性沥青，复合改性沥青的G^*有明显提高。对于δ而言，岩沥青的加入提高了改性沥青的黏度，增加了沥青的弹性成分，因此随着岩沥青的掺量增加，复合改性沥青的δ一直呈现下降趋势。

沥青经过短期老化后，轻质组分减少，沥青质增加，导致沥青变硬变脆，弹性成分明显提高。车辙因子(G^*/sin δ)的大小能够反映沥青高温抗剪能力的强弱。由图 7(c)可知，老化后沥青的G^*值均有所提高。然而，岩沥青掺量的提高使得沥青的车辙因子值变化幅度降低，这也说明了岩沥青的加入能够改善沥青抗老化性能。综合图 7、图 8(a)和图 8(b)可以看出，当岩沥青掺量为6%时，沥青样品的高温抗变形能力提升最为显著，而继续提高掺量，则对沥青高温性能的改善效果逐渐减弱。疲劳因子(G^*sin δ)可以反映沥青抗疲劳性能的强弱。根据图 8(c)和图 8(d)所示，所有沥青样品经过老化之后，疲劳因子有明显提高，沥青中的黏性成分减少，沥青柔性变差，抗疲劳能力减弱。相较于单掺胶粉的改性沥青，加入岩沥青后，沥青整体质地更硬，导致改性沥青的抗疲劳性能降低，因此应综合考虑岩沥青对沥青性能的影响，从而选取适宜的配比。

2.2.2 MSCR试验

如图 9所示，样本1~5分别为20C，3R20C，6R20C，9R20C，12R20C。复合改性沥青中岩沥青的含量增长时，在2种加载应力下，复合改性沥青的累积变形在同一加载循环次数下都在相应减小。试验结束时不同复合改性沥青在重复荷载作用下累计变形的增长程度逐渐降低，这主要由于胶粉和岩沥青的加入使沥青的弹性成分增加，在相同应力及加载循环次数下，沥青弹性恢复能力增加，产生的永久变形明显减少。

图 10为不同应力条件下MSCR的试验结果。R_0.1和R_3.2与岩沥青用量的增长呈现正相关，而J_nr0.1和J_nr3.2与岩沥青用量的增长呈现负相关，复合改性沥青的变形可恢复能力逐渐提高，而产生的永久变形在逐渐减小。应力加大会使沥青的变形恢复能力减弱，但岩沥青掺量逐渐增加的过程中可以看出，应力的改变对复合改性沥青的变形恢复能力的负面影响减弱。20C的R_0.1比R_3.2大19.78%，J_nr0.1比J_nr3.2小0.071 kPa^―1，而当岩沥青用量增加到12%时，12R20C的R_0.1仅比R_3.2大了4.73%，J_nr0.1仅比J_nr3.2小了0.004 kPa^―1，可知岩沥青能够增强沥青的弹性恢复能力，抵抗较大荷载下的形变，使其应力的敏感性降低。

2.3 胶粉/岩沥青复合改性沥青高温储存稳定性 2.3.1 软化点差试验

在163 ℃下对6R20C和20C进行12，24，36，48，60，72 h高温储存，模拟实际应用中的离析状态。图 11显示了6R20C和20C在163 ℃下储存12，24，36，48，60，72 h后上下部的软化点及差值。无论是20C还是6R20C，随着储存时间的延长，软化点差都在增长，这说明高温条件下储存2类改性沥青均会发生离析。然而，在各储存时间段内，相较于20C，6R20C的软化点差明显减小，储存72 h时，20C的软化点差为16.8 ℃，而6R20C的软化点差为8.0 ℃，降低了8.8 ℃。这说明岩沥青改善了复合改性高模量沥青高温存储的离析情况。

2.3.2 离析指数

为了进一步分析岩沥青对改性沥青抗离析能力的影响，本研究引入离析指数以评价沥青的储存稳定性^[24]，其定义是经高温储存后离析管下部改性沥青的车辙因子与上部沥青车辙因子之比，离析指数越大，改性沥青离析越严重。图 12是不同储存时间的沥青离析指数随温度的关系曲线。可以看出，温度越高，沥青离析指数越大，且储存时间越长，离析指数的起始数值和增长率都在增加，但是，6R20C的离析指数始终小于20C的离析指数，说明经岩沥青和胶粉复合改性后，有效改善了改性沥青的储存稳定性。当储存时间为12 h时，6R20C的离析指数的初终值仅差0.06，这表明掺6%岩沥青的复合改性沥青此时的高温储存稳定性能较为优异。

2.4 胶粉/岩沥青复合改性沥青微观结构及改性机理 2.4.1 荧光显微分析

本研究利用电动荧光显微镜观测沥青的微观形貌，对基质沥青、20C和6R20C进行观测试验，结果如图 13所示。如图 13(b)及图 13(c)所示，胶粉和岩沥青在基质沥青中进行复合改性之后，胶粉颗粒相对分散地存在于沥青中。由于胶粉颗粒会发生溶胀而体积增大，致使凝胶膜相互接触，从而形成了针状或丝状分布。由于橡胶颗粒远程分子力之间的相互作用效果要比聚合物之间化学键力的效果小很多^[25]，胶粉颗粒在沥青中溶胀分散之后不易形成三维网络结构，而是由针状或丝状发展形成局部空间网络结构，岩沥青颗粒则能够嵌入这些小范围网络结构，从而间接对网络结构的稳定性起到增强作用，而岩沥青的加入会增大沥青黏结力，容易出现团聚现象，如图 13(d)所示。

2.4.2 红外光谱分析(FTIR)

70^#沥青岩沥青及20C和6R20C的红外光谱图像见图 14。复合改性沥青与基质沥青相比并没有出现新的吸收峰，说明岩沥青和胶粉的掺入只是物理的混合并未发生化学反应。这是由于岩沥青和胶粉均属于石油类衍生产物，其主要吸收峰为饱和烷烃中亚甲基的C—H键伸缩振动产生的在2 800~3 000 cm^―1波数区2个强的吸收峰。在1 600 cm^―1，1 457 cm^―1和1 376 cm^―1处烯烃C=C双键伸缩振动、芳环C=C双键伸缩振动以及C=N双键伸缩振动所产生的吸收峰为较弱的吸收峰。由于岩沥青的掺入使得改性沥青2 800~3 000 cm^―1波数区的吸收峰得到加强，而胶粉的掺入对其影响较为微弱，由于采用了脱硫胶粉，所以胶粉的加入并不会产生与硫元素有关的吸收峰。

3 结论

本研究利用废旧胶粉、岩沥青制备高模量复合改性沥青，并对改性沥青的基本性能、老化特性、流变特性、储存稳定性的变化规律展开研究。进一步利用微观分析手段研究了改性沥青的微观结构和胶粉/岩沥青的复合改性机理，主要结论如下：

(1) 岩沥青和胶粉能够有效提高沥青的高温性能，但岩沥青对沥青的低温性能劣化较为严重。因此，可加入胶粉以减小岩沥青带来的负面效果，从而提高复合改性沥青的低温延展性。

(2) 胶粉和岩沥青的复合改性一方面增加了沥青的弹性成分，令其具备良好的弹性恢复能力，同时也提高了沥青的黏度，增强了复合改性沥青的高温抗剪能力。

(3) 岩沥青和胶粉复合改性能够与沥青更好地相溶，岩沥青对复合改性沥青的抗离析效果有显著影响，有效地改善了复合改性沥青的高温储存稳定性。由于岩沥青自身较为优异的抗老化性能，复合改性沥青的抗老化性能比单一胶粉改性沥青有明显提高。

(4) 胶粉及岩沥青与沥青进行物理共混，二者在沥青中相互独立存在，胶粉能够在沥青中吸收轻质组分而发生溶胀并形成大胶粉颗粒，从而形成局部网络结构。岩沥青则可以进一步增强结构稳定性，提高沥青黏结力和模量。