高粘度改性瀝青流變性能研究

程金梁，熊子佳，黃沖，洪錦祥

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

排水瀝青路面是指壓實(shí)后空隙率在18%～25%，能夠在瀝青混凝土內(nèi)部形成排水通道的路面結(jié)構(gòu)，具有排水、防滑、降噪等使用優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今城市內(nèi)澇嚴(yán)重、國(guó)家大力發(fā)展“海綿城市”的大背景下具有重要推廣價(jià)值。由于排水瀝青路面特殊的大空隙結(jié)構(gòu)，因此需要高粘度的改性瀝青提供優(yōu)異的膠結(jié)作用[1]，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其路面使用功能。高粘度改性瀝青的粘彈性、粘度等信息對(duì)排水瀝青路面的抗車轍、抗飛散、高低溫等使用性能至關(guān)重要，研究不同瀝青的粘彈性很有必要。流變儀是一種精密、操作簡(jiǎn)便的測(cè)試儀器，通過(guò)對(duì)改性瀝青進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)可以獲得瀝青粘度等參數(shù)；通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)（DSR），可進(jìn)一步獲取溫度、頻率等對(duì)改性瀝青粘彈性的影響結(jié)果[2－3]。劉聰慧[4]通過(guò)對(duì)不同摻量的高粘度改性瀝青進(jìn)行流變性能研究，得到了改性劑最佳摻量等信息。駱建平等[5]通過(guò)對(duì)高模量瀝青和基質(zhì)瀝青進(jìn)行溫度、頻率和應(yīng)變掃描等流變學(xué)研究，驗(yàn)證了溫度、荷載等對(duì)改性瀝青抗車轍和抗疲勞能力的影響結(jié)果。目前關(guān)于不同種類瀝青制備的高粘度改性瀝青及其路面服役條件對(duì)流變性能的影響研究較少，通過(guò)流變性能對(duì)比研究，可以簡(jiǎn)潔快速獲得大量的高粘度改性瀝青粘彈性信息，有助于深入理解改性瀝青性能變化，并指導(dǎo)排水瀝青路面用改性瀝青的對(duì)比和選擇。

本文以基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青為基體膠結(jié)料，采用自主研發(fā)的高粘度改性劑（TPS－1）和國(guó)外某對(duì)比產(chǎn)品（TPS－2）為改性劑分別制備高粘度改性瀝青。用流變儀通過(guò)剪切速率掃描、溫度掃描、頻率掃描和應(yīng)變掃描等實(shí)驗(yàn)，考察改性瀝青的粘彈性等流變參數(shù)變化，探究了高粘度改性瀝青的高低溫性能，為高粘度改性瀝青的選擇和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

瀝青：分別為韓國(guó)SK70#基質(zhì)瀝青和中石化泰州石化SBS改性瀝青，基本性能見(jiàn)表1。自制高粘度瀝青改性劑（TPS－1）：由彈性體加以增粘、增容、增塑等組分，通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)共混造粒加工制備而成；對(duì)比高粘度瀝青改性劑（TPS－2）：日本某公司產(chǎn)品。

表1 瀝青的基本性能

1.2 改性瀝青制備方法

將70#基質(zhì)瀝青加入盛樣器中并保持溫度在180℃，分別加入瀝青質(zhì)量12%的2種不同高粘度改性劑。采用剪切機(jī)以4500 r/min高速剪切0.5 h，并放入180℃烘箱中發(fā)育0.5 h，完成后立即澆模進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)；用SBS改性瀝青制備高粘度改性瀝青的方法與以上制備方法相同，只是2種改性劑摻量均為瀝青質(zhì)量的10%。4種改性瀝青分別命名為：12%TPS－1、12%TPS－2、10%TPS－1（SBS）、10%TPS－1（SBS）。

1.3 流變?cè)囼?yàn)方法

采用Anton Paar MCR102流變儀對(duì)4種改性瀝青分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流變?cè)囼?yàn)和動(dòng)態(tài)流變?cè)囼?yàn)。

（1）穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)：采用PP25轉(zhuǎn)子，剪切速率掃描范圍為10－4～102s－1，溫度為 60 ℃。

（2）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)：①溫度掃描分別采用 PP08（－30～30℃）和PP25（25～80℃）轉(zhuǎn)子，應(yīng)變分別為0.1%和1%，升溫速率為1℃/min，頻率為10 Hz；②頻率掃描采用PP25轉(zhuǎn)子，應(yīng)變?yōu)?%，角頻率為1～100 rad/s，溫度為60℃；③應(yīng)變掃描采用PP25轉(zhuǎn)子，應(yīng)變?yōu)?%～50%，頻率為10 Hz，溫度為60℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 剪切速率對(duì)改性瀝青粘度的影響

高粘度瀝青的60℃粘度是一個(gè)很重要的指標(biāo)參數(shù)，對(duì)排水瀝青路面大空隙結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性、抗飛散能力等路用能力至關(guān)重要。目前高粘度瀝青粘度測(cè)試方法有動(dòng)力粘度、布氏粘度等，但是動(dòng)力粘度測(cè)試存在剪切速率不確定的問(wèn)題，而布氏粘度60℃測(cè)量方法繁瑣且粘度值采用間接外推的方法得到，以上2種粘度測(cè)試方法均會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。零剪切粘度[6－7]采用流變儀進(jìn)行剪切速率掃描測(cè)試，定義粘度平臺(tái)區(qū)域?yàn)榱慵羟姓扯?，測(cè)試結(jié)果具有簡(jiǎn)單快速、準(zhǔn)確性較高、合理性強(qiáng)的特點(diǎn)。圖1為4種改性瀝青的剪切速率掃描曲線。

圖1 不同改性瀝青的流變曲線

從圖1可見(jiàn)，在低剪切速率下改性瀝青粘度基本不變，之后隨剪切速率增大粘度逐漸降低，符合改性瀝青粘度的剪切變稀特性。其中在 10－3～10－2s－1剪切范圍內(nèi)，粘度基本為平臺(tái)區(qū)，將此范圍粘度平均值定義為零剪切粘度[6]。通過(guò)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出12%TPS－1樣品的零剪切粘度為51 406 Pa·s，遠(yuǎn)大于國(guó)外對(duì)比樣12%TPS－2的23 894 Pa·s。同等摻量下，自主研發(fā)高粘度改性劑制備的改性瀝青零剪切粘度為國(guó)外某對(duì)比樣品的2倍多。用SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青對(duì)高粘度改性劑改性后，10%TPS－1（SBS）樣品的零剪切粘度為 93 288 Pa·s，仍遠(yuǎn)大于 10%TPS－2（SBS）的 53 375 Pa·s。此外，以 TPS－1樣品為例，可以發(fā)現(xiàn)用SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青制備高粘度改性瀝青，在降低改性劑摻量的前提下，零剪切粘度從51 406 Pa·s大幅度增加至93 288 Pa·s?？傊ㄟ^(guò)剪切速率掃描實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)同等摻量條件下自主研發(fā)的高粘度改性劑在粘度方面有明顯優(yōu)勢(shì)；通過(guò)SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青制備改性瀝青，在保證零剪切粘度的前提下可以降低改性劑摻量，從而達(dá)到節(jié)省成本的目的。

2.2 溫度對(duì)改性瀝青高低溫性能的影響

瀝青是一種溫度敏感材料，使用性能受環(huán)境高低溫影響較大，因此研究溫度對(duì)改性瀝青性能的影響很有必要。圖2為在低溫條件下，4種改性瀝青的溫度掃描曲線。其中，通過(guò)耗能模量G″曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以得到改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）[8]。Tg是表征瀝青膠體從玻璃態(tài)到高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度，一般Tg越低，改性瀝青低溫性能越好[9]。

從圖2可以得出，12%TPS－1樣品的Tg為－21.5℃，低于12%TPS－2樣品的－17.0℃，說(shuō)明12%TPS－1樣品的低溫性能較好。同理，用SBS改性瀝青制備改性瀝青10%TPS－1（SBS）樣品（Tg為－22.7℃）的低溫性能仍好于 10%TPS－2（SBS）（Tg為－19.0℃）。此外對(duì)于同一種改性劑，用SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青后，Tg降低，低溫性能有相應(yīng)的提高。不同改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg見(jiàn)表2。

圖2 不同改性瀝青的低溫掃描曲線

表2 不同改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg

圖3和圖4分別為基質(zhì)瀝青和SBS瀝青制備的高粘度改性瀝青在高溫范圍內(nèi)的溫度掃描曲線。

圖3 基質(zhì)瀝青制備的高粘度改性瀝青高溫掃描曲線

圖4 SBS瀝青制備的高粘度改性瀝青高溫掃描曲線

由圖3、圖4可見(jiàn)：

（1）隨溫度升高，4種改性瀝青的車轍因子均逐漸減小，符合改性瀝青高溫軟化的特性。對(duì)于12%TPS-1和12%TPS-2樣品，可以發(fā)現(xiàn)在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，12%TPS-1的車轍因子大于12%TPS-2，說(shuō)明自主研發(fā)高粘度瀝青改性劑制備的改性瀝青高溫性能較優(yōu)。對(duì)于10%TPS-1（SBS）和10%TPS-2（SBS）樣品，同樣可以得出10%TPS-1（SBS）的車轍因子大于10%TPS-2（SBS），但兩者相差不大。

（2）TPS-1樣品制備的改性瀝青的相位角均小于TPS-2樣品。而相位角反映瀝青材料的粘彈性比例，相位角越小，材料彈性占比越強(qiáng)，在高溫條件下更不容易變形，與TPS-1抗車轍能力較強(qiáng)相符。

以TPS-1樣品為例，由SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青制備高粘度改性瀝青后可以發(fā)現(xiàn)，在40～70℃范圍內(nèi)，12%TPS-1樣品的車轍因子大于10%TPS-1（SBS），可能是在此溫度范圍內(nèi)改性劑摻量發(fā)揮主導(dǎo)作用；在70～80℃范圍內(nèi)12%TPS-1樣品的車轍因子小于10%TPS-1（SBS）樣品，可能是因?yàn)?2%TPS-1樣品在高溫條件下受溫度影響相對(duì)更大，抗車轍性能沒(méi)有 10%TPS-1（SBS）樣品穩(wěn)定。

總之，在高溫掃描范圍內(nèi)TPS-1改性劑的車轍因子均大于TPS-2，因而自主研發(fā)產(chǎn)品抗車轍能力較強(qiáng)。此外，可以根據(jù)路面實(shí)際環(huán)境溫度選擇是否用SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青制備改性瀝青；當(dāng)路面溫度大于70℃時(shí)，用SBS改性瀝青制備的高粘度改性瀝青其抗車轍性能更好。

2.3 頻率對(duì)改性瀝青高溫性能的影響

路面在實(shí)際服役情況下，會(huì)受到行車速度的影響。特別是排水瀝青路面，一般建設(shè)在城市快速路、高速公路等路面，但不可避免的會(huì)出現(xiàn)低速行車、急剎車的情況，此時(shí)可能對(duì)排水瀝青路面的損害更大。路面實(shí)際行車速度與角頻率有關(guān)，行車速度越慢，角頻率越小[5]。研究改性瀝青車轍因子隨角頻率的影響變化，有助于深入理解行車速度對(duì)瀝青路面服役性能的影響。圖5為在60℃條件下，4種改性瀝青的頻率掃描曲線。

圖5 不同改性瀝青的頻率掃描曲線

由圖5可見(jiàn)，隨著角頻率降低，車轍因子逐漸降低，也從一定程度說(shuō)明在低速行車時(shí)路面更容易產(chǎn)生車轍和破壞。不管是用基質(zhì)瀝青還是SBS改性瀝青制備的改性瀝青，TPS-1的車轍因子總大于TPS-2。說(shuō)明在急剎車、陡坡或低速行駛時(shí)，用TPS-1制備的改性瀝青抗路面車轍的能力更強(qiáng)，更不容易產(chǎn)生路面破壞。此外，隨著角頻率增加，兩種改性劑制備改性瀝青的車轍因子差距逐漸降低。以TPS-1為例，比較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青制備高粘度改性瀝青的區(qū)別，可以發(fā)現(xiàn)在低中頻區(qū)用SBS改性瀝青制備的改性瀝青抗車轍能力更強(qiáng)，而在高頻區(qū)基質(zhì)瀝青制備的改性瀝青抗車轍能力稍強(qiáng)?？傊?，在60℃溫度下用TPS-1改性劑制備的改性瀝青抗車轍能力大于TPS-2，且用SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青制備的改性瀝青在低頻區(qū)抗車轍能力更強(qiáng)。

2.4 應(yīng)變對(duì)改性瀝青高溫性能的影響

應(yīng)變與路面承受的荷載有關(guān)，應(yīng)變?cè)酱?，路面受到的荷載越強(qiáng)[5]。通過(guò)研究應(yīng)變與車轍因子的相互關(guān)系，可以進(jìn)一步分析荷載對(duì)路面使用功能的影響。圖6為4種改性瀝青在60℃溫度條件下的應(yīng)變掃描曲線。

圖6 不同改性瀝青的應(yīng)變掃描曲線

由圖6可見(jiàn)，4種改性瀝青隨應(yīng)變?cè)黾樱囖H因子先保持不變?nèi)缓笥邢陆档内厔?shì)。其中，在應(yīng)變測(cè)試范圍內(nèi)，TPS-1制備的改性瀝青其車轍因子均大于TPS-2樣品，說(shuō)明其抗車轍能力較強(qiáng)。以TPS-1樣品為例，隨荷載從1%增加至50%，12%TPS-1的車轍因子從44.8 kPa降低至39.3 kPa，降低了12.3%；而 10%TPS-1（SBS）的車轍因子從 39.0 kPa降低至37.1 kPa，只降低了4.9%。TPS-2樣品與TPS-1樣品存在同樣的變化趨勢(shì)?？傮w而言，4種改性瀝青在測(cè)試條件下的車轍因子均達(dá)到30 kPa以上，抗車轍能力均較強(qiáng)；其中用SBS瀝青替代基質(zhì)瀝青制備的改性瀝青，其抗車轍能力受路面的荷載變化的影響相對(duì)較小，一定條件下可以適應(yīng)路面行車荷載較大的情況。針對(duì)路面服役的荷載情況，可以有針對(duì)性的選擇合適的改性瀝青。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）同等摻量下，自主研發(fā)高粘度改性劑比國(guó)外某對(duì)比產(chǎn)品在零剪切粘度上有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青制備高粘度改性瀝青，在保證性能的前提下可降低至少2個(gè)百分點(diǎn)的改性劑摻量。

（2）TPS-1在低溫性能、高溫性能均優(yōu)于國(guó)外某對(duì)比產(chǎn)品。同一種改性劑，用SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青制備改性劑，其低溫性能更好；改性瀝青的高溫性能與工作溫度相關(guān)，可以根據(jù)路面溫度的不同選擇是否用SBS改性瀝青替代基質(zhì)瀝青制備改性瀝青。

（3）通過(guò)60℃條件下頻率掃描和應(yīng)變掃描，可以得出路面的抗車轍能力與頻率和應(yīng)變等條件密切相關(guān)。根據(jù)路面行車速度和荷載等實(shí)際服役路況，通過(guò)車轍因子與頻率、應(yīng)變等關(guān)系，可以有針對(duì)性的對(duì)比和選擇合適的改性瀝青。