1. 前言
硅烷偶联剂作为沥青抗剥落剂的一种，加入硅烷偶联剂的沥青具有较好的水稳定性能，这种改善效果的耐久性有待提升。而采用岩沥青改性的沥青由于其含氮量的提升，明显改善了沥青与集料的黏附性能，且高温性能和耐久性均较好，但由于岩沥青的脆性，使其改性的沥青的低温性能较差。美国联邦公路局指出岩沥青和硅烷偶联剂混合使用产生叠加效应，会产生互补效果 [1]。为验证硅烷偶联剂和岩沥青复合使用对沥青的改善程度，研究通过青川岩沥青和硅烷偶联剂配制复合改性沥青，并对70-A道路石油沥青、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩改沥青及偶岩复合改性沥青(0.3%硅烷偶联剂 + 5%青川岩沥青复合改性沥青)进行对比研究，通过常规沥青性能试验、SHRP沥青流变性能试验及其与花岗岩集料的黏附性试验，对比研究各种方案改性沥青性能，分析偶岩复合改性沥青较单一改性方案改性沥青的改善效果。
2. 试验方法
2.1. 原材料
1) 基质沥青
研究采用齐鲁石化生产的70-A道路石油沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)测定了沥青的相关性能指标，如针入度(25℃)、延度(10℃和15℃)、软化点、密度(15℃)和短期老化后的指标；各项性能指标的检测结果见表1。
Table 1. Technical indexes of base asphalt
表1. 基质沥青技术指标
2) 岩沥青
岩沥青是一种天然沥青，黑色固体，与基质沥青有相似的成分，且掺配到基质沥青中属于石油基与石油基的混溶。岩沥青本身的软化点较高，经过青川岩沥青改性后的沥青中的沥青质增加，有利于提高沥青的高温性能。依据山东省地方标准《岩沥青路用技术要求》(DB37/T-25-2014)的要求进行了青川岩沥青性能检测，青川岩沥青的性能指标见表2。
Table 2. Technical performance of qingchuanyan asphalt
表2. 青川岩沥青技术性能
3) 硅烷偶联剂
选用山东淄博生产的硅烷偶联剂，规格型号为KH-550，呈碱性，为棕黄色透明液体，分子量为220，密度为0.942g/cm3，沸点为215℃，可溶于有机溶剂，但丙酮、四氯化碳不宜作为稀释剂，在水中水解，呈碱性，聚合形成硅氧烷，与沥青有较好的相容性，对提高沥青和集料的粘附性起到了重要的作用。
2.2. 沥青改性方案
项目为对比分析硅烷偶联剂与岩沥青双重作用对基质沥青性能的影响，分别选用基质沥青和3种改性沥青方案 [2]，包括0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩沥青改性沥青、0.3%硅烷偶联剂 + 5%岩沥青复合改性沥青(以下简称偶岩复合改性沥青)。
2.3. 试验方法
研究对4种方案沥青分别进行了针入度、软化点、延度、135℃布氏粘度、沥青流变性质试验(DSR)、沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR)及与花岗岩集料的黏附性，并对试验结果进行分析。
沥青动态剪切流变试验(DSR)是参照美国AASHTO T 315-09的试验方法，结合国内多年来的使用情况设计的用以评价沥青的高温性能和疲劳性能的方法，所采用仪器为动态剪切流变仪，主要对原样沥青和不同老化程度的沥青进行动态剪切试验，以获得沥青的车辙因子(G*/sinδ)和疲劳因子(G*sinδ)，用以评价沥青的高温性能和疲劳性能 [3]。试验结果要求见表3。
Table 3. Requirements for dynamic shear rheological test results
表3. 动态剪切流变试验结果要求
沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR)是参考ASTM D 6648-01和AASHTO T 313-09的方法，结合国内使用情况制订的一种测试沥青低温流变性质的试验方法，主要测定沥青的动态剪切模量和相位角 [4]，用以评价沥青抵抗低温收缩开裂的性能，一般要求在最低路面设计温度以上10℃时，60秒对应的蠕变劲度S ≤ 300 kPa，蠕变速率m ≥ 0.3 [5]。
3. 试验结果
3.1. 沥青常规性能
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对70-A、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩改沥青及偶岩复合改性沥青进行沥青相关试验，试验结果见表4。
Table 4. Routine performance test results of asphalt of various schemes
表4. 各种方案沥青常规性能试验结果
由表4可以看出，各种改性沥青的针入度较基质沥青减小，说明改性沥青的抗变形能力有所提高；偶岩复合改性沥青的延度比基质沥青的小却比5%岩改沥青的大，说明偶岩复合改性沥青中硅烷偶联剂弥补了青川岩沥青低温差的缺点。
由图1可以看出，基质沥青的针入度指数最小，温度敏感性最差；岩改沥青与硅烷偶联剂改性沥青的温度敏感性比基质沥青增大，温度敏感性降低。
Figure 1. Penetration index of each modified asphalt
图1. 各改性沥青针入度指数
Figure 2. Softening point of each modified asphalt
图2. 各改性沥青软化点
由图2可以看出软化点性能优劣的排序：岩改沥青 > 偶岩复合改性沥青 > 偶联剂改性沥青 > 基质沥青。
由图3可以看出，偶岩复合改性沥青的延度介于硅烷偶联剂和岩改沥青之间，说明硅烷偶联剂的介入改善了岩沥青低温性能差的缺点。
由图4得出各种沥青的135℃布氏粘度均小于3 Pa·s，而且岩改沥青、硅烷偶联剂改性沥青及偶岩复合改性沥青的布氏粘度又远大于基质沥青，说明它们不仅有较高的高温性能，而且有较高的粘度和良好的施工和易性。综合上述性能指标，偶岩复合改性沥青的性能最优。
3.2. 沥青流变性能试验结果
3.2.1. 沥青动态剪切模量
根据AASHTOT315-06对70-A道路石油沥青、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩改沥青及偶岩复合改性沥青进行动态剪切流变试验和弯曲蠕变劲度试验，试验结果分别见表5所示。
Table 5. DSR test results of asphalt
表5. 沥青DSR试验结果
Figure 5. Complex modulus of each modified asphalt
图5. 各改性沥青复数模量
Figure 7. Rutting factors of modified asphalt
图7. 各改性沥青车辙因子
由表5、图5和图6可以看出，在同一温度下，与基质沥青相比较，5%岩改沥青、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、偶岩复合改性沥青的复数模量G*逐渐增大，说明改性沥青具有较强的抗变形能力，其中偶岩复合改性沥青比硅烷偶联剂改性沥青和岩改沥青的复数模量都高，说明岩沥青和硅烷偶联剂复合叠加产生正效应；
同一温度下，改性沥青的相位角较小，说明该温度下基质沥青改性后表现出较强的弹性，在相同的承载力条件下，相位角越小，越不容易发生塑性变形，抗车辙能力越高。
由图7得出，4种沥青随温度增加车辙因子都呈现递减的趋势，各种改性沥青的G*/sinδ车辙因子均比基质沥青的大，说明上述几种抗剥落措施均具有较强的高温性能。复数模量和车辙因子排序为：偶岩复合改性沥青 > 0.3%硅烷偶联剂改性沥青 > 5%岩改沥青 > 基质沥青。
3.2.2. 低温弯曲流变试验
根据AASHTOT313-09对70-A道路石油沥青、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩改沥青及偶岩复合改性沥青进行低温弯曲流变试验，试验结果分别见表6及图8、图9所示。
Table 6. Low temperature bending rheological (BBR) test results
表6. 低温弯曲流变(BBR)试验结果
Figure 8. Creep stiffness of each modified asphalt
图8. 各改性沥的蠕变劲度
Figure 9. Creep rate of each modified asphalt
图9. 各改性沥青的蠕变速率
由表6、图8及图9可以得出，相同温度条件下，基质沥青的蠕变劲度最小，岩改沥青的蠕变劲度最大，说明青川岩沥青使基质沥青的脆性加大；蠕变劲度的排序为硅烷偶联剂改性沥青 < 偶岩复合改性沥青 < 岩改沥青，说明硅烷偶联剂的加入弥补了青川岩沥青的低温抗裂性差的缺点。偶岩复合改性沥青中由于硅烷偶联剂的加入使其低温流变性比岩改沥青有所提高。
3.3. 不同类型沥青与花岗岩集料的黏附性
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对70-A、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩改沥青、偶岩复合改性沥青采用延时水浸法进行沥青与集料黏附性试验，对比分析其抗剥落性能 [6] [7] [8]。试验结果见表7和图10。
Table 7. Adhesion test results of asphalt and aggregate
表7. 沥青与集料黏附性试验结果
通过表7和图10可以得出，随着水浸时间的延长，各沥青的剥落面积逐渐增加，花岗岩集料与沥青的黏附性有所降低，其中70-A基质沥青浸水0.5 h时与沥青的黏附性为3级，不满足规范要求，而且随着水浸时间的增加黏附等级逐渐降低说明基质沥青的较软，耐久性较差 [7]；5%岩改沥青、0.3%硅烷偶联剂浸水1 h时黏附性等级为5级，而浸水1.5 h后均降为4级，而偶岩复合改性沥青在经过1.5 h浸水后与花岗岩的黏附性仍可达到5级，说明偶岩复合改性沥青发挥了岩沥青与硅烷偶联剂的双重效果，与花岗岩集料黏附性能优异，可以达到了多雨潮湿地区对沥青黏附性等级的要求。
Figure 10. Adhesion grade of each modified asphalt cloth
图10. 各改性沥青布的黏附性等级
4. 小结
通过对70-A道路石油沥青、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩改沥青及偶岩复合改性沥青的常规性能、流变性能及其与花岗岩集料的黏附性能研究，可以得出以下结论：
1) 偶岩复合改性沥青不仅具有较高的高温性能，温度敏感性较低，且有较高的粘度和良好的施工和易性。
2) 偶岩复合改性沥青不仅具有较高的高温抗车辙能力，还具有一定的低温抗裂性。沥青的流变性能较真实的体现出路面设计时需求的性能，高低温性能与常规试验发展规律一致 [9]，流变性能在温度梯度变化中性能增减速率较直观，综合多种改性沥青的常规指标与流变性能指标，偶岩复合改性沥青体现了较好的高低温性能。
3) 偶岩复合改性沥青与花岗岩具有较优异的黏附性能，有利于花岗岩在沥青路面中的推广应用。