高黏改性瀝青膠漿黏彈性力學(xué)行為分析

祝斯月， 臧 濛， 廖夢回， 秦先濤

(1.武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 武漢 430032; 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院, 武漢 430070)

現(xiàn)代膠漿理論認(rèn)為，瀝青混合料是一種多級空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系，其中以填料為分散相，分散在瀝青介質(zhì)中所形成的微分散系——瀝青膠漿的性能對混合料性能的影響最為顯著，是混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的關(guān)鍵所在[1-3]。排水瀝青混合料，其骨架空隙結(jié)構(gòu)決定了其瀝青結(jié)合料(高黏改性瀝青)與礦粉組成的高黏改性瀝青膠漿的組成結(jié)構(gòu)與黏彈性能對維護其混合料的穩(wěn)定及綜合路用性能的發(fā)揮起決定性作用[4-5]。高黏改性瀝青本身具有獨特的優(yōu)異黏彈特性，其性能受材料本身分子鏈結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，在高黏改性瀝青中加入礦粉，其微觀結(jié)構(gòu)變成非均質(zhì)體，性能變化非常顯著。通過研究高黏改性瀝青膠漿的黏彈力學(xué)行為，分析其黏彈力學(xué)指標(biāo)隨溫度、荷載等外部因素的變化規(guī)律，有利于揭示高黏改性瀝青膠漿在行車荷載作用過程中的實際力學(xué)表現(xiàn)，為優(yōu)化排水瀝青混合料的材料組成，提高其綜合路用性能打下基礎(chǔ)。

1 試驗用原材料

1.1 瀝青

為了分析瀝青性質(zhì)對高黏改性瀝青膠漿性能的影響，采用國創(chuàng)牌改性瀝青(GC)，Tafpack-Super高黏改性瀝青(TPS)，以及自主研制高黏改性瀝青(SHVA)，其主要技術(shù)性質(zhì)見表1。其中高黏改性瀝青的黏度指標(biāo)采用前期研究中提出的60 ℃零剪切黏度大于20 000 Pa·s為評價標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

表1 瀝青性能試驗結(jié)果Table 1 The test results of properties of asphalts

1.2 礦粉

礦粉采用磨細(xì)的石灰石粉，其技術(shù)性質(zhì)見表2。

表2 礦粉的技術(shù)性質(zhì)Table 2 The properties of mineral powder

2 試驗方法

采用Bohlin Gemin Ⅱ型動態(tài)剪切流變儀(DSR)對GC、TPS和SHVA三種改性瀝青分別在0.8、1.0、1.2、1.4和1.6五種粉膠比下制備的15種改性瀝青膠漿，進行溫度掃描試驗和頻率掃描試驗。溫度掃描試驗采用控制應(yīng)力模式，試驗板直徑為25 mm，間距為1 mm，頻率為10 rad/s，試驗溫度為40～80 ℃。頻率掃描的試驗溫度為70 ℃，荷載作用頻率的變化范圍為0.1～100 rad/s(0.015 9～15.9 Hz)。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 溫度掃描試驗

對上述15種改性瀝青膠漿進行溫度掃描試驗，分析溫度T對瀝青膠漿的相位角(δ)、復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和車轍因子(G*/sinδ)的影響。試驗結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 各瀝青膠漿相位角隨溫度的變化Fig.1 The change of the phase angles of different asphalt mortars with temperature

從圖1可以看出，三種瀝青膠漿的δ隨溫度變化曲線區(qū)別顯著。GC膠漿的δ隨溫度的升高而增大，這是因為膠漿中的瀝青隨溫度的升高逐步向流體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致膠漿的黏性成分比例逐漸增大，其高溫抗變形能力下降。而TPS膠漿與SHVA膠漿的δ起初隨著溫度的升高而增大，但溫度從70 ℃升高到80 ℃時，反而減小。這與高黏改性瀝青的性質(zhì)有關(guān)。此時，高黏改性瀝青膠漿的彈性基本上由高黏改性瀝青中的高性能聚合物改性劑所提供，在該臨界溫度下聚合物改性劑的活性被激發(fā)，因此兩種高黏改性瀝青膠漿的δ反而出現(xiàn)下降，表現(xiàn)出彈性突增的現(xiàn)象[8]?？梢?，瀝青的性質(zhì)對高黏瀝青膠漿的彈性性質(zhì)起主導(dǎo)作用。在相同溫度下，三種瀝青膠漿的δ均隨著粉膠比的增大而明顯減小，其高溫抗變形能力增強。綜合可見礦粉的加入并未改變高溫時高黏改性瀝青對膠漿彈性的主導(dǎo)地位，但礦粉的增加能有效提高膠漿的彈性成分，從而提高其高溫抗變形能力。

隨著溫度的升高，三種瀝青膠漿的δ變化幅度不同。其中，GC膠漿δ隨溫度的變化幅度最大；TPS膠漿其次；SHVA膠漿最小。而表1中SHVA的零剪切黏度最大，TPS其次，GC最小，可見增大瀝青的零剪切黏度可有效提高瀝青膠漿中的彈性成分的比例，降低彈性性能對溫度變化的敏感性，從而提高膠漿在高溫下的變形恢復(fù)能力。

圖2 各瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的變化Fig.2 The change of the complex shear moduli of different asphalt mortars with temperature

從圖2可以看出，三種瀝青膠漿的G*隨溫度變化曲線形狀基本一致，隨著溫度升高G*出現(xiàn)大幅度的減小，膠漿的勁度減小流動性增強，變形中不可恢復(fù)變形部分的比例增大，更容易產(chǎn)生永久變形。

相同溫度下，三種瀝青膠漿的G*均隨粉膠比的增加而顯著增大，直到粉膠比大于1.4后G*的增幅才逐漸減小。礦粉能夠勁化瀝青膠結(jié)料，提高其黏度，隨著礦粉含量的增加，瀝青膠漿受到剪切時的總阻力增加，抵抗變形的能力增強。當(dāng)粉膠比大于1.4后，繼續(xù)增加礦粉的含量對提高膠漿的G*作用不明顯。

溫度及粉膠比相同時，TPS膠漿與SHVA膠漿的G*要遠(yuǎn)大于GC膠漿。可見瀝青的性質(zhì)對G*影響顯著，采用高黏改性瀝青可以有效增加瀝青膠漿的G*，進而改善其高溫性能。

圖3 各瀝青膠漿車轍因子隨溫度的變化Fig.3 The change of rutting factors of different asphalt mortars with temperature

從圖3可以看出，相同溫度下隨著粉膠比增大，三種瀝青膠漿的G*/sinδ均顯著增大，直到粉膠比大于1.4后增幅才逐漸減小。這是因為隨著礦粉含量的增大，吸附的瀝青也就越多，瀝青中自由瀝青的數(shù)量相對減少結(jié)構(gòu)瀝青的比例逐漸增加，抵抗高溫變形的能力增強[9]。并且，膠漿中固體成分增多使膠漿的黏度增大，高溫時流動變形減小，抗車轍能力增強。

溫度及粉膠比相同時，TPS膠漿與SHVA膠漿的G*/sinδ遠(yuǎn)大于GC膠漿，可見高黏改性瀝青對膠漿G*/sinδ的改善作用明顯，增大瀝青的零剪切黏度可以大幅度提高瀝青膠漿的G*/sinδ。而SHVA膠漿的G*/sinδ又略大于TPS膠漿，這主要是因為SHVA膠漿中瀝青的彈性成分的比例要大于TPS膠漿。

溫度升高，所有瀝青膠漿的G*/sinδ曲線變化趨勢均一致，當(dāng)溫度從40 ℃上升至60 ℃時，各瀝青膠漿的G*/sinδ隨溫度的升高急劇下降，隨后G*/sinδ的下降幅度逐漸減小。其中SHVA膠漿的G*/sinδ隨溫度升高而減小的幅度要小于TPS膠漿和GC膠漿，其感溫性最小。

3.2 頻率掃描試驗

荷載作用頻率f對瀝青膠漿的力學(xué)性能影響顯著。在低頻作用下，瀝青膠漿的黏性性能更為突出，而在高頻作用下，瀝青膠漿彈性性能更為突出[10]。為了研究高黏改性瀝青膠漿在不同荷載頻率作用下的動態(tài)力學(xué)性能，對上述15種改性瀝青膠漿進行動態(tài)頻率掃描試驗。試驗結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 各瀝青膠漿相位角隨頻率的變化Fig.4 The change of the phase angles of different asphalt mortars with frequency

從圖4可以看出，頻率相同，三種瀝青膠漿的δ均隨粉膠比的增大而減小，這表明在一定范圍內(nèi)礦粉的含量越大，膠漿中彈性成分越大，可恢復(fù)變形的能力也就越強。但三種瀝青膠漿的δ隨粉膠比的減小幅度是不同的。GC膠漿和TPS膠漿隨粉膠比的增大δ的減小幅度要大于SHVA膠漿，這說明礦粉對這兩種瀝青膠漿彈性性能的增強作用要大于SHVA膠漿?？梢姡琒HVA膠漿中瀝青對彈性性能的主導(dǎo)作用要大于GC膠漿和TPS膠漿。

粉膠比相同，SHVA膠漿在低頻時的δ小于TPS膠漿和GC膠漿，其彈性性質(zhì)較強；高頻率時，SHVA膠漿的δ大于TPS膠漿和GC膠漿，其黏性性質(zhì)較強，可見SHVA在低頻和高頻作用下均具有良好的路用性能。

粉膠比從0.8增加到1.2時，GC膠漿和TPS膠漿的δ隨粉膠比的增大而顯著減小，直到粉膠比大于1.2后，δ的減小幅度才明顯放緩。說明在一定粉膠比范圍內(nèi)，增加礦粉對改善瀝青膠漿的彈性性能作用明顯，之后改善效果明顯減弱。而SHVA膠漿的δ隨粉膠比的增大，其增幅比較均勻，這可能是因為SHVA膠漿中瀝青對膠漿的彈性性能的主導(dǎo)性較強，致使對粉膠比變化的敏感性減弱。

從圖5可以看出，三種瀝青膠漿G*隨頻率變化曲線形狀基本相同，G*均是隨著頻率的增加而增大。頻率越大，荷載的作用時間也就越短，此時膠漿的變形量也就越小，從而表現(xiàn)為模量增大。

圖5 各瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量隨頻率的變化Fig.5 The change of the complex shear moduli of different asphalt mortars with frequency

在較低的頻率下，TPS膠漿和SHVA膠漿的G*均大于GC膠漿。且粉膠比越大這種現(xiàn)象越為突出。在較低的頻率下G*越大說明瀝青膠漿的勁度越大，抵抗荷載作用能力越強。表明高黏改性瀝青在低頻下對膠漿模量的增強作用要優(yōu)于普通改性瀝青。當(dāng)粉膠比大于1.4后，繼續(xù)增大粉膠比G*的增幅明顯放緩，可見此時繼續(xù)增大粉膠比對膠漿的高溫性能改善作用有限，這與溫度掃描所得到的結(jié)果一致。

在較高的頻率下，TPS膠漿的G*要大于SHVA膠漿。這說明SHVA膠漿在高頻時的硬度小于TPS，對低溫抗裂性能有利。在較高的頻率下，三種瀝青膠漿的G*均隨粉膠比的增大而急劇增加，尤其是粉膠比大于1.2后，TPS膠漿和SHVA膠漿G*的增幅要遠(yuǎn)大于GC膠漿，可見瀝青的性質(zhì)對瀝青膠漿模量的影響顯著。過大的G*會對瀝青膠漿的低溫抗裂性能產(chǎn)生影響，因此從低溫性能考慮在使用高黏改性瀝青時粉膠比不宜大于1.2。

圖6 各瀝青膠漿車轍因子隨頻率的變化Fig.6 The change of rutting factors of different asphalt mortars with frequency

從圖6可以看出，隨著頻率的增加，所有瀝青膠漿的G*/sinδ曲線變化趨勢均一致，均是在一定頻率范圍內(nèi)緩慢增加，隨后出現(xiàn)大幅度的增長。這是因為，各瀝青膠漿中瀝青結(jié)合料的G*及δ均隨著頻率的增加而增大，當(dāng)頻率增大到一定程度時，瀝青中聚合物改性劑性能接近彈性固體，削弱了瀝青的黏性流動能力，從而使膠漿的模量大幅度提高。

兩種高黏改性瀝青膠漿G*/sinδ隨頻率的增長幅度均大于GC膠漿，且TPS膠漿的G*/sinδ隨頻率的增長幅度要大于SHVA膠漿，尤其是在較高的頻率下這種現(xiàn)象更為突出。這說明與普通改性瀝青相比，高黏改性瀝青的G*/sinδ對頻率的變化更為敏感性，且SHVA膠漿對頻率的敏感性要低于TPS膠漿。

在相同頻率下，三種瀝青膠漿的G*/sinδ均隨著粉膠比增大而增大。說明礦粉的含量越大，對瀝青膠漿的增黏作用越明顯。但過多的礦粉會對膠漿的低溫性能產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

(1)礦粉能夠勁化瀝青膠結(jié)料，提高其黏度。在同一溫度下，瀝青膠漿的彈性性能及模量均會隨著粉膠比的增加而增大，表現(xiàn)為δ減小G*增加，即高溫抗變形能力增強。隨著溫度的升高，各瀝青膠漿的勁度減小，流動性增強，G*降低、δ增大。礦粉的加入并未改變高溫時高黏改性瀝青對膠漿彈性的主導(dǎo)地位，但礦粉的增加能有效提高膠漿的彈性成分，從而提高其高溫抗變形能力。

(2)在同一溫度和粉膠比下，不同瀝青膠漿的G*/sinδ從大到小排序依次為：SHVA膠漿、TPS膠漿和GC膠漿。可見，增大瀝青的零剪切黏度可以大幅度提高瀝青膠漿的G*/sinδ。高溫時SHVA膠漿中彈性成分比例較大、變形恢復(fù)能力強是其高溫性能優(yōu)越的主要原因。

(3)在較高頻率下，隨著粉膠比的增大，TPS和SHVA膠漿的G*增幅要遠(yuǎn)大于GC膠漿，在粉膠比大于1.2后這種現(xiàn)象尤為突出，高頻下過大的G*會對瀝青膠漿的低溫抗裂性能產(chǎn)生不利影響，因此從低溫性能考慮在使用高黏改性瀝青時粉膠比不宜大于1.2。