美国道路沥青材料研究综述

美国道路沥青材料研究综述
张允华
（同济大学汽车学院上海201804）
摘要：沥青材料在道路铺设中有着广泛的应用，尤其是美国，沥青路面占道路总里程的93%以上，使其在沥青材料的研究及应用方面积累了大量的经验，对其他国家的道路沥青材料的研究具有重要的指导意义。

本文对美国道路沥青材料的研究现状进行了综述，涉及沥青材料的改性研究，沥青材料的老化研究以及沥青材料的微观研究。

关键词：沥青材料；道路；美国；改性；老化；微观研究
Key words: asphalt materials; road; the US A; modification; aging; microscopic
Abstract:Asphalt materials are applied in the field of road building broadly. Especially in the United States of America, the asphalt pavement accounted for more than 93% of the total road mileage, which contributes to accumulating rich experience in research and application of the asphalt materials and it has important guiding significance for other countries. In this paper, the research status of road asphalt materials in the United States of America is reviewed, including the modification research of the asphalt materials, the aging research of asphalt materials and the microscopic research of the asphalt materials.
0.引言
美国道路总里程达643万公里，其中，沥青路面约占93%，美国每年在沥青道路修建和养护方面的费用就超过100亿美元。

如此数额巨大的沥青路面里程数和沥青路面投资，使得美国沥青路面科研人员积累了丰富的设计和试验经验。

而近年来，随着科技的不断进步，纳米材料的使用更加广泛，各种试验设备、检测技术推陈出新，美国在道路沥青材料的设计、改性、检测等方面都有了更大的进步。

以下将从沥青材料改性剂、沥青材料老化、沥青材料的微观研究等方面对美国近来年的在沥青材料的研究方面取得的成果进行了综述。

1. 沥青材料改性剂研究
为提高沥青的路面性能，通常在沥青或沥青混合料中加入一些天然的或人工的有机的或无机的材料，即改性剂。

根据改性剂的不同，一般将其分为三类，即非聚合物改性剂、聚合物改性剂和复合改性剂[1-3]。

改性剂的添加可改善沥青路面的高、低温性能、耐老化性能、抗水损害和抗疲劳开裂等性能。

近些年，美国研究人员在沥青改性材料方面进行了广泛的研究，也取得了很多研究成果。

Magdy Abdelrahman等[4]研究了纳米黏土作为沥青改性剂给沥青混合物带来的优点，研究过程中采用动态力学分析、弯曲蠕变刚度测试以及弯曲测试来对纳米黏土沥青混合物进行测试。

此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）被用来评估纳米黏土和沥青之间的相互作用。

测试结果表明，沥青中纳米黏土的浓度越高，沥青的温度敏感性越强，沥青的复数模量和相角也会越大。

傅里叶变换红外光谱测试结果表明来自纳米黏土中的Si─O振动会有明显改变，这说明Si─O四面体结构与沥青之间存在强烈的非键相互作用。

此外，X射线衍射测试（XRD）结果表明纳米黏土结构中渗入了沥青，因为层间距扩大到超过43.17埃，而含有纳米黏土时其层间距减小。

这些实验表明沥青中添加纳米黏土对于调整不同用途沥青的性质有着巨大的潜力。

Hui Yao等[5]研究了纳米硅改性沥青的流变特性和化学成键。

研究中，纳米硅被添加到沥青含量为4%和6%的沥青粘结剂中。

高性能沥青路面粘结剂及混合测试被用于评估纳米改性沥青粘结剂及其混合物的特点。

旋转粘度计（RV）、动态剪切流变仪（DSR），弯曲测试仪（BBR），傅里叶变换红外光谱（FTIR），扫描电镜（SEM），沥青路面分析仪（APA）、动态模量（DM）和流数量（FN）测试被用来分析纳米改性沥青粘结剂的流变特性和化学成键变化以及纳米改性沥青混合物的特性。

此外，还评估了经旋转薄膜烘箱（RTFO）短期老化以及压力老化容器长期老化的纳米改性沥青粘结剂的特性，同时评估了纳米改性沥青粘结剂的流变特性。

沥青粘结剂的测试结果，可以发现，添加纳米硅添加剂后，可控沥青粘结剂的年度有所下降，低温特性基本相同，抗氧化性有所提升。

沥青混合物的测试结果表明，添加纳米硅后，纳米改性沥青混合物的动态模量以及流数有所上升，沟槽敏感性有所下降。

总的来说，添加纳米硅材料后，纳米改性沥青粘结剂的抗老化性以及疲劳特性得带提升，纳米改性沥青混合物的动态模量，流数以及抗沟槽性得到加强。

Luz S.等[6]研究了MWCNT / SBS纳米复合材料对沥青的改性效果。

研究过程中对比分析了改性沥青的流变特性以选择最好的复合材料来对沥青进行掺杂改性。

主要采用扫描电镜法来对SBS聚合物纳米复合材料以及纳米复合物改性沥青的微观结构进行观察，发现纳米复合材料改性沥青中的纳米管分布较好，同时，纳米复合材料中的纳米管的直径也有所增大。

从实验结果可以看出，纳米管的分布对改性沥青的抗老化特性有很大程度的影响。

沥青混合物与MWCNT / SBS纳米复合材料混合改性后不易产生水分流失，而SBS改性沥青混合物则产生68%的永久变形改性。

实验结果进一步表明纳米复合材料改性沥青可被用于较高模量的高性能沥青路面的铺设。

Elham H. Fini等[7]研究了猪粪制生物粘结剂的生产、改性及其特征。

运用水热过程将猪粪制成生物油。

生物油进一步脱水，除去生物残渣以及一些有机化合物，最终的粘性物质被用来替代沥青粘结剂。

研究过程中比较了石油制沥青粘结剂和生物粘接剂的生产及化学和流变特性。

猪粪制生物粘结剂被认为是一种具有前景的石油制粘接剂的部分替代产品，可以带来环境利好并具有一定的经济效益。

并且，应用这种猪粪制生物粘结剂可以提升石油制沥青粘结剂的低温特性，并可以减少沥青路面的结构损失，带来了较好的经济效益。

Munir D. Nazzal等[8]研究了沥青黏土纳米复合材料的纳米结构以及微观结构和力学行为。

研究过程中使用原子力显微镜和X射线衍射试验法对不同纳米黏土材料改性沥青粘结
剂进行了测试。

AFM和XRD试验结果表明，纳米黏土在纳米复合材料中存在片状破落结构，除此之外，AFM图像还显示纳米黏土层和沥青区域有较好的相互作用，称之为“蜜蜂状结构”。

这种力光谱试验结果显示纳米黏土材料的的存在可以显著提升沥青材料的粘附力。

尽管它对内聚力会带来些许不利影响。

此外，纳米黏土材料可以提高沥青粘接剂的刚度和硬度并且这种促进作用受到温度和参混比例的影响。

研究结果同样表明沥青黏土纳米复合材料的力学行为可以被行成的一层由片状剥离纳米黏土层以及沥青质聚集形成的刚性渗透网络所解释。

刚性渗透的开始依赖于沥青质聚集的有效半径并且和纳米黏土层之间的空间有关，相关结论需要进一步的研究证实。

Hui Yao等[9]研究了一种改进的主曲线来对纳米材料改性沥青粘结剂复合剪切模量进行测量。

研究采用5种不同的纳米材料（非聚合物改性纳米黏土，聚合物改性纳米黏土，微碳筛，纳米蒙脱土，以及纳米硅），每种纳米材料都已2%和4%的浓度添加到沥青当中，根据高性能路面规定要求，运用动态剪切流变仪（DSR）来检测纳米改性沥青粘结剂的复合剪切模量，研究中修正了传统的反曲主曲线并且优化了主曲线模型，结果表明提出的主曲线更适合预测和测量纳米改性沥青粘结剂。

Mohammad J. Khattak等[10]研究了碳纳米筛改性沥青团和沥青混泥土的制备及其机械特性。

沥青团由石灰石骨料和三种沥青混凝土（纯的，加工过的以及改性的）制成，沥青混凝土通过不同掺混比例的纳米筛制成。

研究中为了实现碳纳米筛在沥青混凝土中的均匀分布，将碳纳米筛在规定时间内被超声粉碎，再用机械方法从低温到高温对其进行混合，使用动态剪切流变仪检测一定温度范围和载荷频率下的沥青混凝土和沥青团混合物的复合剪切模量和蠕变柔量。

复合剪切模量主曲线和蠕变柔分析揭示碳纳米筛可以显著提升沥青混凝土和沥青团的粘弹性。

Larisa Shiman等[11]认为纳米物质可以强化纳米颗粒和它们周围环境的相互作用，研究了纳米复合材料对PG58沥青粘结剂的高温流变特性的影响。

研究发现，相比于相同条件下的原沥青，纳米复合材料改性沥青的高温特性以及性能等级都有明显提高。

这些高温性能的改变主要依赖于沥青粘结剂中纳米复合材料存在导致的形态改变有关，并且直接与纳米复合材料的纳米管以及其在沥青粘结剂中的分布有关。

2. 沥青材料的老化研究
道路沥青在加工、贮存、施工及使用过程中由于长时间暴露于空气中，在高温及自然条件如风雨、光照、温度变化等作用下，会发生一系列的物理及化学变化，使得沥青变硬变脆、易开裂，严重影响了道路沥青的使用性能。

沥青所表现出来的这种理化性能的不可逆变化被称之为老化。

沥青的老化严重影响了道路的服务功能，因此研究道路沥青的老化过程，深入探讨其老化机理具有重要意义。

道路用沥青可分为基质沥青和改性沥青，沥青的老化过程也可分为基质沥青的老化和改性沥青的老化。

沥青老化的研究方法很多，其中实验室模拟是一种非常重要的研究方法[12,13]。

（1）沥青老化的实验室模拟[14]：
为模拟道路沥青的老化过程，便于实验室研究，SHRP提出了沥青结合料的老化研究方法。

该评价方法是沥青经不同方式老化后，对老化沥青的力学性能的测定。

沥青经旋转薄膜老化（RTFOT）或薄膜老化（TFOT）以模拟沥青的短期老化；而长期老化则在短期老化的基础上再经压力老化试验（PA V），模拟沥青铺在路面至少五年的情况。

在研究沥青老化的过程中，其力学性能的表征及其重要，其表征方法众多。

（2）老化沥青力学性能的表征[15]：
沥青经老化后变脆表现在路用性能上，路面高温易车辙、低温易开裂和疲劳易开裂。

评价老化沥青的力学性能，就是为了反映其路用性能指标。

按照SHRP 提出的标准，可以采用动态剪切流变仪（DSR）、弯曲梁试验（BBR）和直接拉伸试验（DTT）来评价沥青耐老化性能。

采用DSR可测得沥青的复合模量（G*）、相位角（δ）、车辙因子（G*/Sinδ）和疲劳因子（G*×Sinδ）达到极限时的温度，表征沥青的高温抗车辙能力和抗疲劳开裂能力。

弯曲梁试验可测量沥青达到极限蠕变劲度S和蠕变硬变速率m值时的温度，以表征沥青的低温抗开裂能力。

直接拉伸试验是用于测量沥青达到极限拉伸应变时的温度，可表征沥青的低温抗开裂能力。

除了上述SHRP 提出的评价方法外，许多研究者提出了许多其它的实验方法。

通过分析沥青老化后残留物的质量、针入度和粘度等参数的变化，可研究沥青的老化性能。

据此，提出了许多表征沥青老化性能的指标如：沥青老化前60℃时动力粘度的变化、温度敏感性指标（可用针入度比、针入度指数、60℃和135℃针入度粘度温度指数（PVN）以及粘度温度指数（VTS）来评价）。

有的学者也提出用诸如老化指数（老化后和老化前的沥青物理或流变学参数的比值）和粘度硬化（沥青老化后旋转粘度增大的现象）等指标来表征沥青的老化性能。

其实这些方法在本质上是一致的，只不过表述的方式不一样而已。

通常用于表征基质沥青方法（如：针入度、软化点和粘度等），对于改性沥青，已显得不足，这主要是由于聚合物的热降解和裂解组分的形成可能会使测得的结果不一致。

沥青材料的老化研究中还涉及到其化学组成和机构的表征。

（3）老化沥青化学组成及结构的表征[16,17]：
沥青老化前后宏观上性能的优劣取决于沥青化学组成和结构的变化，因而，对沥青化学组成和结构进行表征具有重要意义。

按表征层次的不同可分为沥青的组分表征和深层次的微观表征。

采用四组分分析获取戊烷沥青质含量的变化可较好的表征沥青的老化过程，并可进行沥青老化的动力学研究。

通过凝胶色谱分析方法测定沥青老化前后分子量分布变化规律来研究沥青的老化机理也可获得较好效果，采用制备型色谱柱较分离型色谱柱而言，可获得更为精细、直观的分子量分布曲线。

沥青老化过程中胶体形态结构可能产生变化，据此可用胶体不稳定指数（Ic=（饱和分含量+沥青质含量）/（胶质含量+芳香份含量））来评价沥青的老化过程。

组分分析的方法对沥青老化的研究是宏观层次上的研究，在表征上是粗糙的，特别是对聚合物改性沥青而言不太适合。

目前，采用波谱分析的方法，通过对沥青老化前后化
学结构的变化来分析沥青的老化特征已日益被重视。

适合于沥青老化研究的波谱分析方法主要有：红外光谱（IR）分析法（包括FTIR 及全反射红外ATR-FTIR等）、核磁共振（H-NMR 和C-NMR）、光电子能谱（XPS）和X光衍射（XRD）等。

美国研究人员在沥青老化及抗老化方面基于以上研究方法开展了大量研究，也取得了众多的研究成果。

Hongying Liu等[18]基于实验室加速老化试验研究了不同老化时间和温度对沥青物理化学性能的影响。

评估角度包括沥青粘结剂的饱和烃、芳香烃、树脂、沥青质以及渗透率软化点等特性以及沥青的分子分布。

采用了凝胶渗透色谱法，傅里叶变换红外光谱法、沥青组分分数分析法和流变测试法来分析来自不同原油的沥青的抗老化特性。

研究发现沥青老化反应完全符合一阶动力学方程，并且在老化过程中，沥青有较高的活化能和较低的反应速率。

此外，老化过程同样会使沥青的分子量增加，分散度降低。

整个沥青老化过程分为两个阶段：第一阶段是从脂肪族硫化物到亚砜，另一个阶段是苄基碳到羰基。

沥青的抗老化性主要受到沥青浓度，蜡含量以及分子量的影响。

Rafiqul A. Tarefder等[19]研究了不同类型和掺混比例的聚合物对沥青老化过程的影响。

试验中，通过不同比例苯乙烯丁二烯和热塑性丁苯聚合物对沥青粘结剂进行改性，用旋转薄膜烘箱对其进行短期老化，用压力老化箱对其进行长期老化，用通风焗炉对其进行中期老化。

采用动态剪切流变仪（DSR），多重应力蠕变恢复试验（MSCR），布鲁克菲尔德旋转粘度计（RV）和弯曲梁流变仪（BBR）对改性沥青的刚度特性进行测试，通过比较储能模量和损耗模量的老化指数发现，老化对复合剪切模量的弹性模量或者储能模量部分的增强作用大于粘性模量或损失模量。

试验结果同时表明，聚合物掺混比例增大，SB和SBS改性沥青粘结剂的老化将会延缓，并且SB改性沥青的抗老化性要好于SBS改性沥青。

Baron Colbert等[20]研究了RAP粘接剂以及人工老化沥青粘结剂的低温性质。

研究过程中使用滚动薄膜烘箱（RTFO）和压力老化容器（PAV）对沥青粘结剂进行超过三个PAV 老化周期的老化，并使用沥青粘结剂裂解装置（ABCD）对低温沥青粘结剂特性进行探究，研究结果表明，RAP粘结剂热裂纹温度和应变随RAP粘结剂的添加量的增多而增大，并且RAP粘结剂热裂纹温度基本等于经历一个或两个老化周期的PAV热裂纹温度。

Rafiqul Tarefder等[21]研究了云母材料对沥青材料老化过程的影响。

云母和沥青粘结料可以合成胶黏剂。

研究过程中，胶黏剂老化成四个不同的阶段，并且采用纳米压痕法分别检测其弹性模量和硬度，结果表明，不含云母的胶黏剂经过长期老化后变得更加坚硬，其硬度大于含有少量云母的老化后的胶黏剂硬度。

当胶黏剂中云母含量少于5%，其性能与粘结剂相近，但如果云母含量超过7.5%，其弹性模量在长期老化后就会有所增加，云母含量为5%的胶黏剂样本的弹性模量值最高。

可以看出，低浓度的云母可以减少胶黏剂硬度，但会增加老化后胶黏剂的弹性模量，因此，云母可以用来控制沥青混凝土的长期老化行为。

Shin-Che Huang等[22]通过动态剪切流变仪（DSR）和核磁共振（NMR）检测探究了老
化前后熟石灰磷酸改性沥青粘接剂的流变特性和化学特性。

10%重量的熟石灰混合 1.5%重量的PPA改性沥青粘结剂。

在60℃下对未掺水沥青以及多次改性沥青进行压力老化容器老化，用动态剪切流变法对老化前后的改性沥青的流变特性进行测量，用核磁共振法检测熟石灰是否和PPA反应。

流变结果表明，PPA改性沥青粘结剂中添加熟石可以消除PPA的硬化，换句话说，沥青中添加PPA可以提高其高温性能等级，熟石灰可以消除PPA对沥青粘结剂高温特性的提升作用。

此外，熟石灰还减慢了沥青粘结剂的氧化老化硬化速率，熟石灰、PPA和沥青粘接剂之间的相互作用主要依赖于沥青类型，sol型沥青、熟石灰以及PPA之间的相互作用区别于gel类型沥青。

Dharamveer Singh等[23]通过LTO对一个选择的温拌沥青混合物进行老化，运用动态模量作为性能指标来确定老化时间。

而动态模量是通过将不同温度和频率进行组合对未老化以及经LTO老化的样本进行测量获得的。

可以看出，老化将会增大热拌沥青的动态模量，增幅在50%至80%之间。

同时，基于通用老化系统模型GAS来预测不同时间和不同路面厚度（6.25 mm，12.5 mm和25 mm）的路面的老化动态模量，经预测的老化动态模量值与实验室测得的经LTO老化动态模量具有较好的一致性。

研究发现，6%空隙含量，6.25mm厚路面在14个月内发生老化，12.5 mm和25 mm厚路面则要分别经历2年到6年后发生老化。

由于沥青粘结剂供应萎缩，而对它的需求却迅速增加，因此导致沥青价格的快速增加。

而随着沥青粘结剂价格的增加，可替代和可再生粘结剂应运而生。

因此，Ellie等[24]研究了四种不同生物粘结剂（玉米秸秆、芒草颗粒、猪粪以及木球）对沥青老化过程的影响。

研究过程中运用旋转粘度计(RV)和动态剪切流变仪（DSR）测试结果来评估不同生物添加剂改性沥青的流变行为。

从流变特性角度分析，木材制生物粘结剂在未老化沥青材料中性能最优，但是，这种趋势在老化过程中有所反转，表明球型生物粘结剂具有较高的氧化敏感性。

采用FTIR光谱法对每个样品的化学组分进行定量测量并比较其老化程度，通过追踪由于老化形成的羰基和亚砜基团来确定氧化老化。

结果表明，老化敏感性会因不同来源改性剂明显变化。

实验结果显示猪粪制生物粘结剂最不容易老化，其次依次是玉米秸秆、芒草颗粒和木球。

M. Mohammadafzali等[25]通过延长老化时间的高性能沥青路面等级测试来研究可再生沥青粘结剂的长期老化问题。

沥青回收是沥青再生的重要组成环节。

通常采用基于粘度和渗透性测试建立的软化曲线来评估沥青的再生效果。

这些标准的缺点是未考虑长期老化效果。

M. Mohammadafzali等旨在评估可再生沥青粘接剂的长期老化过程。

通过PG测试获得新的以及老化后的可再生沥青的老化速率，并对其进行比较。

老化方法为压力老化容器（PA V）老化。

通过添加四种不同的还原剂对老化后粘结剂进行还原，还原后再进行老化。

每个样本失效时对应的PA V老化时间被认为是衡量粘结剂寿命的量度。

研究结果表明：通过不同再生剂还原的长期老化的样本表现出明显的不同，一些样本老化速度较慢，而其他样本老化速度较快。

对老化速率的分析表明选择合适的再生剂可以延长沥青粘结剂的使用寿命，延长年数最多可以超过十年。

该研究可被应用于提升再生剂的性能，从而可以延长沥青粘结剂的使
用寿命。

3. 沥青材料的微观研究
随着沥青材料的不断发展，单纯的宏观研究方法在揭示沥青材料性能方面已不能完全满足科学研究的需求，而微观研究技术日趋成熟，正在为沥青材料的微观研究提供新的途径。

尤其是将宏观研究方法与微观研究方法相结合的新型研究方法，在揭示沥青材料规律、性能微观形貌等方面具备十分明显的优势。

美国在沥青材料微观研究领域起步早、发展快，取得了丰富的研究成果。

近年来，基于原子力显微镜等微观研究方法应用广泛，研究成果颇多。

Yong-Rak Kim等[26]提出了一种计算微观力学建模方法来预测沥青混合料的损伤诱导力学响应。

在使用有限元建模技术和粘弹性材料模型时考虑了异构几何特征和非弹性力学行为。

该模型还包括使用界面断裂来代表裂纹增长和损伤演化，界面断裂是通过使用微机械非线性粘弹性粘性区的关系进行建模。

材料基本特性和断裂特性是通过简单的实验室检测方法检测，然后整合入模型来预测沥青混合料的随速率变化的粘弹性损伤行为。

仿真结果表明，各模型参数显著影响整体的沥青混合料的力学性能。

在微观机械理论框架下，这个研究适于仅仅通过测量混合料的材料特性和断裂特性来评估沥青的损伤诱导的性能，而不用通过价格昂贵的实验室测试判断其性能。

R. Grover Allen等[27]使用原子力显微镜法半定量评估了沥青结合料的微观流变特性。

同时，也提出了沥青粘合剂内各种微结构之中特性差异，另外，也探究了氧化衰老对这些特性的影响。

基于沥青相微型网眼中的纳米压痕实验确定了其微机械性能，如刚度，粘合性，弹性/塑性行为。

该评估的材料包括沥青AAB，AAD和ABD，之所以选择它们，是因为他们来源不同，化学成分和元素分析均不同。

相对于相分离区域的纳米压痕蠕变测量分析揭示了沥青异质结构区域具有不同的机械性能，同时，氧化老化导致了这些结构区域内的大幅微观变化，包括相结构变化，性质变化，和分布变化。

然而，这些变化的形式与程度对于每一种沥青是不同的。

通过对本研究中的原子力显微镜实验所获得的数据的研究，加深了对沥青粘合剂的微观结构组合物和负载下沥青粘合剂的微观相结构的理解，以及随着老化，机械响应相位上是如何改变的。

R. Grover Allen等[28]利用纳米压痕方法研究沥青不同长度与其性能之间的关系。

采用原子力显微镜（AFM）成像和纳米压痕的组合方法来确定沥青微相双峰和三峰分布的松弛模量，以评估宏观尺度和复合纳米尺度粘弹行为之间的差异。

从相同沥青的不同老化相得出的松弛模量数值能够在给出AFM图像中的微观结构变化和实验所测得的复合粘弹特性之间的重要关系。

这项研究提供了关于沥青微观流变的关键信息，将会改善沥青预测模型的输入值和路面特性。

根据对研究中得到的较大沥青长度时其复合粘弹性值的比较发现看，当长度规模增大，松弛模量值减小，这一发现将为纳米压痕研究，化学映射，以及基于AFM的纳米损伤模型研究提供基础。

Martin H. Sadd等[29]采用有限元技术仿真了沥青混凝土中骨料和粘结剂之间的微机械相。