学术研究报告：基于低温流变特性评价蜡基温拌沥青结合料的物理硬化
一、 作者与发表信息 本研究由西南交通大学土木工程学院、四川省公路工程重点实验室（西南交通大学）的研究团队完成。主要作者包括Yuan Hai、Liu Junhao、Ding Haibo（通讯作者）、Xie Qingshan和Qiu Yanjun。研究成果以题为“Evaluation of physical hardening of wax-based warm mix asphalt binders from low-temperature rheological properties”的论文形式，发表于国际学术期刊《Construction and Building Materials》第419卷（2024年），文章编号135496，已于2024年2月22日在线发表。
二、 研究背景与目的 本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青结合料的低温性能评价。温拌沥青（Warm Mix Asphalt, WMA）技术可降低沥青混合料的生产与压实温度，从而减少能耗与温室气体排放，并改善寒冷地区的施工质量。其中，有机添加剂（蜡类）是实现温拌效果的重要技术途径之一。然而，蜡类添加剂在低温下的结晶与析出现象，会显著增加沥青结合料的劲度和物理硬化程度，严重损害其抗低温开裂性能，这成为限制蜡基温拌技术广泛应用（尤其是在发达国家）的主要障碍。尽管已有研究证实了蜡类添加剂对沥青低温性能的不利影响，但针对多种代表性商业蜡对沥青结合料在长期低温储存后物理硬化效应的系统性、综合性评估仍显不足。
因此，本研究的核心目标是：通过扩展弯曲梁流变仪（Extended Bending Beam Rheometer, ExBBR）试验、热应力计算及统计分析等手段，全面评估八种具有代表性的商业蜡基温拌添加剂对沥青结合料在长期低温储存（物理硬化）后低温流变性能的影响，旨在明确不同类型及掺量蜡添加剂的影响差异，为蜡基温拌沥青的合理应用提供科学依据。
三、 详细研究流程 本研究遵循了严谨的材料制备、试验测试、数据计算与统计分析流程。
1. 材料准备： * 研究对象与样本量： 研究采用一种在中国西南地区常用的70#基质沥青（针入度等级60/80，低温性能等级-22℃）作为基础沥青。在此基础上，掺入八种不同类型的商业蜡制备改性沥青。这八种蜡根据其主要成分或工艺缩写为：F1（费托蜡）、F2（费托蜡）、P（棕榈蜡与聚乙烯蜡合成物）、N（环烷烃蜡）、M1（蒙旦蜡）、M2（蒙旦蜡）、A（酰胺功能化烃蜡）和L（直链脂肪烃蜡）。为研究蜡含量和类型的影响，为每种蜡设置了1%和3%两种掺量。因此，共制备了16种蜡改性沥青样本（8种蜡 × 2种掺量），加上基质沥青对照组，共计17种沥青结合料样本。 * 样本处理： 所有蜡改性沥青样本均在165℃下与蜡混合1小时制备。随后，所有样本（包括基质沥青）均按照标准程序进行了实验室长期老化，即依次经过旋转薄膜烘箱（Rolling Thin Film Oven, RTFO）和压力老化容器（Pressure Aging Vessel, PAV）老化，以模拟沥青在路面使用过程中的老化状态。
2. 试验与计算方法： * 扩展弯曲梁流变仪（ExBBR）测试： 本研究采用简化的ExBBR测试方法来评估物理硬化的影响。传统BBR测试仅在-18℃下调理1小时后进行测试，而ExBBR测试增加了长期低温调理条件。具体流程为：将沥青梁试件分别在-18℃下储存1小时和72小时，以模拟短期和长期低温暴露。随后，在-12℃和-18℃两个测试温度下进行BBR蠕变试验，测量加载60秒时的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m值）。每个条件进行三次重复试验。通过对比不同调理时间后的低温性能等级（Limiting Low-Temperature Performance Grade, LtPG）和等级损失（Grade Loss, GL，即72小时LtPG与1小时LtPG的差值），来量化物理硬化的程度。 * 热应力计算： 为了更精确地预测沥青路面的低温抗裂性能，本研究进行了热应力计算。采用基于粘弹性理论的Hopkins & Hamming算法和CAM模型进行计算。计算基于BBR试验获得的蠕变柔量数据，并假设冷却过程缓慢（冷却速率0.5℃/小时），使用高斯积分反卷积求解卷积积分，得到沥青结合料在-45℃至0℃温度范围内的热应力发展曲线。此外，还根据单渐近线法（Single Asymptote Procedure, SAP）计算了临界开裂温度（Critical Cracking Temperature, Tcr），该温度定义为热应力曲线与沥青材料抗拉强度包络线的交点对应的温度。 * 统计分析方法： 对热应力和Tcr结果进行了t检验（显著性水平设为5%），以统计学方法验证蜡的添加是否对沥青结合料的低温性能指标产生了显著影响。分析重点关注了-35℃至-20℃温度区间的热应力差异，因为此区间接近沥青的临界开裂温度范围。
四、 主要研究结果 1. ExBBR测试结果分析： * 低温性能等级（LtPG）： 1小时调理后，具有典型石蜡特性的F-T蜡和蒙旦蜡（F1, F2, M1, M2）的加入显著降低了沥青的低温性能等级（即低温性能变差）。而其他类型蜡的影响趋势不明显，甚至3%A蜡的加入略微提高了LtPG。然而，经过72小时长期低温调理后，物理硬化的效应凸显：所有蜡改性沥青的LtPG均有不同程度的提高（性能等级降低），其中两种F-T蜡（F1, F2）的影响最为显著。当掺量为3%时，掺F1和F2的沥青结合料LtPG从-22℃分别降至-16℃和-17.5℃，表明其低温抗裂能力大幅下降。 * 等级损失（GL）： 基质沥青的GL值为2.1℃。添加蜡普遍增加了GL值，进一步证实了蜡加剧了物理硬化。其中，两种F-T蜡改性沥青的GL值最高，分别达到6.2℃（F1）和4.5℃（F2）。当GL超过6℃时，意味着LtPG会降低一个等级。一个异常现象是，掺1%A蜡的沥青GL值小于基质沥青，但掺量增至3%时GL值显著增大。作者推测这可能是因为A蜡掺量超过了其在沥青中的溶解度上限，导致相分离，在样品制备过程中观察到3%A蜡改性沥青表面形成了明显的蜡膜。
2. 热应力与临界开裂温度分析： * 热应力曲线： 计算结果表明，72小时等温调理后，所有沥青结合料的热应力均显著增加，这直接证实了物理硬化的影响。经过长期储存后，大多数蜡改性沥青的热应力水平与基质沥青相似。作者解释为，长期储存后，过量的结晶蜡已析出，沥青在储存温度下重新达到相平衡，此时沥青自身的性质成为决定热应力水平的主要因素。再次观察到掺3%A蜡的沥青在72小时调理后热应力显著高于基质沥青，这与GL分析结果一致，支持了过量掺量导致不利影响的结论。 * 临界开裂温度（Tcr）： 物理硬化显著提高了所有沥青结合料的Tcr值，增加了低温开裂风险。就蜡的影响而言，添加蜡对Tcr的影响似乎不非常显著。基质沥青72小时调理后的Tcr为-31.4℃，而掺3%蜡的改性沥青Tcr在-31.0℃至-30.0℃之间变化。
3. 统计分析结果： 对热应力的t检验表明，在-35℃ ~ -20℃范围内，掺入F1、F2、N、M1、M2和A蜡显著增加了沥青结合料的热应力，尤其是A蜡。而掺入P蜡和L蜡则未引起热应力的显著变化。对Tcr的t检验结果与热应力分析结果一致。综合BBR测试和热应力分析，作者得出结论：P和L这两种蜡对沥青结合料的低温性能没有显著的劣化影响。
4. 关于m值（蠕变速率）与松弛能力的讨论： 研究还深入分析了传统m值（基于蠕变劲度曲线斜率，记为Ms）与基于松弛模量曲线斜率的Me值之间的差异。发现：对于1小时调理，当m值小于0.3时，Ms可近似替代Me；但当m值较高时，用Ms代替Me会低估沥青的应力松弛速率。对于72小时调理，当m值小于0.32时，Ms和Me几乎相同；当m值较高时，两条曲线的偏移程度变小，这表明物理硬化显著降低了蜡改性沥青的松弛能力。这为正确理解和使用m值指标提供了重要见解。
五、 研究结论与价值 本研究通过系统的试验与计算分析，得出以下主要结论： 1. CAM模型能够准确计算扩展时间范围内的蠕变劲度和m值。物理硬化会显著影响沥青的松弛特性，在评价低温性能时需考虑m值（Ms）与真实松弛速率（Me）的差异。 2. 短期（1小时）调理下，具有典型石蜡特性的F-T蜡和蒙旦蜡会显著损害沥青的低温流变性能。长期（72小时）调理揭示，所有蜡都会不同程度地加剧物理硬化，导致沥青低温性能等级损失，其中F-T蜡的影响最为突出（掺量3%时等级损失可达6.2℃）。 3. 热应力计算证实了物理硬化的影响。统计分析表明，F-T蜡、蒙旦蜡、环烷烃蜡和酰胺蜡的掺入会显著增加沥青的热应力，而P蜡（棕榈蜡与聚乙烯蜡合成物）和L蜡（直链脂肪烃蜡）的掺入则未引起显著变化。从低温性能角度看，P和L蜡对沥青影响较小，具有推广潜力。 4. 蜡的掺量需合理控制，超过其在沥青中的溶解度可能导致相分离，反而对低温性能产生严重的负面影响（如A蜡）。
本研究的科学价值在于，首次系统性地评估了多种代表性商业蜡对沥青长期低温物理硬化效应的差异性，并通过热应力计算和统计检验提供了量化依据。其应用价值在于为道路工程技术人员选择蜡基温拌添加剂提供了明确指导：应优先考虑对低温性能影响较小的蜡类型（如P、L），并严格控制F-T蜡等对低温性能有害的蜡的掺量，同时在沥青混合料设计及性能评估中必须充分考虑长期物理硬化的影响。
六、 研究亮点 1. 研究对象的系统性： 涵盖了合成蜡、矿物蜡和功能化蜡三大类共八种代表性商业蜡，并设置了两个掺量水平，研究全面且具有对比性。 2. 评价方法的综合性： 不仅采用了标准的ExBBR测试和等级损失评价，还结合了基于粘弹性理论的热应力计算和严格的统计分析（t检验），从多个维度深入揭示了蜡对沥青低温性能的影响机制和程度。 3. 对关键指标的深入探讨： 对行业内广泛使用但可能存在理解偏差的m值指标进行了深入分析，厘清了其与真实应力松弛速率的关系，特别是在物理硬化条件下的表现，具有重要的理论意义。 4. 明确的工程指导结论： 研究结论直接指出了对低温性能影响较小（P蜡、L蜡）和影响较大（F-T蜡等）的蜡种类，并强调了控制掺量的重要性，对温拌沥青技术的工程应用具有直接的指导价值。
七、 其他有价值内容 作者在结论部分提出了未来进一步研究的方向，包括：a) 测试更多类型的基质沥青（高蜡含量或无蜡）在不同条件（不同老化程序、低温调理时间和温度）下对商业蜡的耐受性；b) 使用调制差示扫描量热法（MDSC）、变温傅里叶变换红外光谱（VT-FTIR）和微观分析等技术评估蜡改性沥青的低温性能和蜡析出特性。这些方向为后续研究指明了道路。此外，文中还提及了基于Hansen溶解度理论对蜡在沥青中溶解行为的解释，以及使用红外光谱对蜡特征官能团进行的表征，丰富了研究的理论基础和表征手段。