高粘度改性瀝青的制備與性能研究

金塬上

遼寧省交通科學研究院有限責任公司 遼寧沈陽 1 1 0 0 0 0

1 高粘度改性瀝青相關(guān)論述

排水瀝青路面是指壓實后空隙率在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，在當今城市內(nèi)澇嚴重、國家大力發(fā)展“海綿城市”的大背景下具有重要推廣價值。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，進一步實現(xiàn)其路面使用功能。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）和國外某對比產(chǎn)品（TPS-2）為改性劑分別制備高粘度改性瀝青。用流變儀通過剪切速率掃描、溫度掃描、頻率掃描和應變掃描等實驗，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用提供參考。

2 實驗

2.1 試驗材料

瀝青：分別為韓國SK70#基質(zhì)瀝青和中石化泰州石化SBS改性瀝青。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，通過雙螺桿擠出機共混造粒加工制備而成；對比高粘度瀝青改性劑（TPS-2）：日本某公司產(chǎn)品。

2.2 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。采用剪切機以4500r/min高速剪切0.5h，并放入180℃烘箱中發(fā)育0.5h，完成后立即澆模進行相關(guān)實驗；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）。

2.3 流變試驗

方法采用AntonPaarMCR102流變儀對4種改性瀝青分別進行穩(wěn)態(tài)流變試驗和動態(tài)流變試驗。

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

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

3 結(jié)果與分析

3.1 剪切速率對改性瀝青粘度的影響

高粘度瀝青的60℃粘度是一個很重要的指標參數(shù)，對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試方法有動力粘度、布氏粘度等，但是動力粘度測試存在剪切速率不確定的問題，而布氏粘度60℃測量方法繁瑣且粘度值采用間接外推的方法得到，以上2種粘度測試方法均會影響測試結(jié)果的準確性。零剪切粘度采用流變儀進行剪切速率掃描測試，定義粘度平臺區(qū)域為零剪切粘度，測試結(jié)果具有簡單快速、準確性較高、合理性強的特點。

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)，粘度基本為平臺區(qū)，將此范圍粘度平均值定義為零剪切粘度。通過數(shù)據(jù)可以計算出12%TPS-1樣品的零剪切粘度為51406Pa·s，遠大于國外對比樣12%TPS-2的23894Pa·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外某對比樣品的2倍多。用SBS改性瀝青替換基質(zhì)瀝青對高粘度改性劑改性后，10%TPS-1（SBS）樣品的零剪切粘度為93288Pa·s，仍遠大于10%TPS-2（SBS）的53375Pa·s[2]。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51406Pa·s大幅度增加至93288Pa·s。

3.2 溫度對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。

圖1 不同改性瀝青的低溫掃描曲線

其中，通過耗能模量G″曲線的轉(zhuǎn)折點可以得到改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。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。

從圖1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，低溫性能有相應的提高。

圖2和圖3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2 基質(zhì)瀝青制備的高粘度改性瀝青高溫掃描曲線

圖3 SBS瀝青制備的高粘度改性瀝青高溫掃描曲線

由圖2、圖3可見：

（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。對于12%TPS-1和12%TPS-2樣品，可以發(fā)現(xiàn)在測試溫度范圍內(nèi)，12%TPS-1的車轍因子大于12%TPS-2，說明自主研發(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，在高溫條件下更不容易變形，與TPS-1抗車轍能力較強相符。

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，可能是因為12%TPS-1樣品在高溫條件下受溫度影響相對更大，抗車轍性能沒有10%TPS-1（SBS）樣品穩(wěn)定[3]。

4 結(jié)語

通過剪切速率掃描實驗，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；通過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，從而達到節(jié)省成本的目的。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。此外，可以根據(jù)路面實際環(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；當路面溫度大于70℃時，用SBS改性瀝青制備的高粘度改性瀝青其抗車轍性能更好。