溫拌膠粉改性瀝青的流變和微觀性能評價(jià)

王 嵐， 張 琪， 馮 蕾

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

近年來，膠粉改性瀝青作為一種綠色公路材料被廣泛關(guān)注[1]，但是由于其施工過程的高能耗和高排放阻礙了它的推廣[2].應(yīng)用溫拌技術(shù)，不僅可以降低膠粉改性瀝青混合料的施工溫度，還能改善服役期瀝青路面的流變性能并延長其使用壽命[3-4].羅望群等[5]研究發(fā)現(xiàn)使用溫拌膠粉改性瀝青能提高路面的高溫和抗疲勞性能.

目前，瀝青力學(xué)性能的研究主要依賴于動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)、彎曲梁蠕變試驗(yàn)(BBR)等宏觀試驗(yàn)手段.原子力顯微鏡(AFM)作為一種研究物體微觀形貌及力學(xué)特性的儀器被應(yīng)用到瀝青材料領(lǐng)域中.楊震等[6]利用AFM發(fā)現(xiàn)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性劑的摻入提高了基質(zhì)瀝青的微觀楊氏模量.常睿等[7]用AFM研究發(fā)現(xiàn)膠粉改性瀝青的微觀力學(xué)指標(biāo)(黏附力、微觀楊氏模量、耗散能)較基質(zhì)瀝青均有不同程度的提高，說明膠粉改性瀝青的微觀力學(xué)特性得到改善.但關(guān)于溫拌膠粉改性瀝青微觀形貌、力學(xué)特性及其與宏觀力學(xué)性能相關(guān)性的研究還不多見.本文利用AFM研究了2種溫拌劑對膠粉改性瀝青的微觀形貌和力學(xué)性能的影響，利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)探究瀝青結(jié)構(gòu)狀態(tài)及官能團(tuán)的變化，同時(shí)采用DSR試驗(yàn)分析了2種溫拌劑對其宏觀流變性能的影響，并通過微觀力學(xué)性能和宏觀流變性能對比分析，探究兩者之間的關(guān)系.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1)文中涉及的摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

原樣瀝青為盤錦90#基質(zhì)瀝青；選取山東交通科學(xué)研究院自主研發(fā)的降黏劑和表面活性劑作為溫拌劑，其中EM型降黏劑為白色片狀固體物，SDYK型表面活性劑為黃褐色乳狀固液混合物.EM型降黏劑的作用機(jī)理是：將熔點(diǎn)略低于瀝青的降黏劑摻加到瀝青中，降黏劑到達(dá)熔點(diǎn)后會(huì)以液體形式存在，增大瀝青的流動(dòng)性，從而達(dá)到降低黏度的效果[8]，同時(shí)摻入降黏劑會(huì)使瀝青化學(xué)鍵發(fā)生變化，—CH烷基長鏈露到外側(cè)，形成降黏劑溶劑化層，阻礙瀝青4組分重新聚集在一起，起到隔離作用，有利于降低黏度[9].SDYK型表面活性劑作用原理是：將表面活性劑添加到瀝青中攪拌均勻后，親水基和水結(jié)合形成具有潤滑作用的結(jié)構(gòu)性水膜，降低瀝青表面的張力和黏度；繼續(xù)拌和，水膜遭到破壞，微量水排出，促進(jìn)石料間滑動(dòng)，施工和易性增強(qiáng).考慮改性瀝青的流變性能，選取20%摻量1)的60μm膠粉改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)[10].將膠粉加入基質(zhì)瀝青中攪拌，制備得到膠粉改性瀝青(CR).依據(jù)相關(guān)研究[11]，分別將1%摻量的EM型降黏劑、0.6%摻量的SDYK型表面活性劑加入到膠粉改性瀝青中，制備得到EM型溫拌膠粉改性瀝青(CR-EM)和SDYK型溫拌膠粉改性瀝青(CR-SDYK)溫，將試樣封存以備使用.基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青性能參數(shù)見表1.

表1 基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1DSR試驗(yàn)

采用Discovery HR-1型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，分別對3種膠粉改性瀝青進(jìn)行溫度掃描和頻率掃描試驗(yàn)，用正弦波方式加載，選擇控制應(yīng)力目標(biāo)值進(jìn)行試驗(yàn).其中，頻率掃描的溫度為28～82℃，每隔6℃掃描1次，每個(gè)溫度下的頻率(ω)掃描范圍為0.1～100.0rad/s；溫度掃描時(shí)的荷載頻率為0.1、1.0、10.0、100.0rad/s，每個(gè)頻率下的溫度掃描范圍為28～82℃，溫度步長為6℃.

1.2.2FTIR測試

采用Cary 640 FTIR傅里葉變換紅外光譜儀，對3種膠粉改性瀝青分別進(jìn)行了FTIR測試.

1.2.3AFM試驗(yàn)

采用Bruker Moutilmode 8原子力顯微鏡，在峰值力輕敲模式下對3種膠粉改性瀝青樣品的形貌及力學(xué)性能進(jìn)行了測試，掃描頻率0.977Hz，掃描范圍為20μm×20μm，分辨率為256×256，試驗(yàn)溫度為25℃.采用熱鑄法制備瀝青試樣，首先將膠粉改性瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，接著用鑷子夾取少量瀝青滴于直徑為1.5cm的圓鐵片上，然后將圓鐵片置于165℃的烘箱內(nèi)，讓瀝青自由流動(dòng)，直至瀝青全部流平整為止，放置時(shí)間約為20min，最后將試樣取出自然冷卻至室溫.

2 結(jié)果與分析

2.1 DSR分析

通常Superpave中車轍因子G*/sinδ評價(jià)指標(biāo)可以較好地評價(jià)瀝青混合料的抵抗外力變形能力，但Shenoy[12]利用Burges模型時(shí)發(fā)現(xiàn)相位角較小時(shí)車轍因子公式不再適用.膠粉改性瀝青的相位角較小，且變化不明顯，故車轍因子公式不適用于評價(jià)溫拌膠粉改性瀝青的抵抗外力變形能力.考慮到彈性延遲的影響，采用改進(jìn)的車轍因子G*/sin9δ，能全面分析膠粉改性瀝青材料的黏彈性變化情況，可以更好地評價(jià)溫拌膠粉改性瀝青的抵抗外力變形能力，相位角δ在0°～90°時(shí)此公式都適用，且對相位角的變化更為敏感，改進(jìn)車轍因子G*/sin9δ越大，抵抗外力變形能力越好.

圖1為膠粉改性瀝青的改進(jìn)車轍因子G*/sin9δ.由圖1(a)可見:3種瀝青的改進(jìn)車轍因子均隨溫度升高而降低，且在低溫時(shí)差異較大，高溫時(shí)差異較小，這歸因于溫度升高分子間運(yùn)動(dòng)加劇，分子間熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致分子間相互作用減弱，彈性性能減弱，抗變形能力降低；相同溫度時(shí)，改進(jìn)車轍因子的排序?yàn)镃R-SDYK>CR-EM>CR，2種溫拌劑的摻入可以增強(qiáng)CR的抗變形能力，這是因?yàn)闇匕鑴┑募尤肟梢允鼓z粉充分溶脹于基質(zhì)瀝青中，使膠粉分布相對均勻，其加筋作用增強(qiáng)，形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，抗剪切能力提高，抗變形能力增強(qiáng).由圖1(b)可見：3種瀝青的改進(jìn)車轍因子隨荷載頻率加快不斷增大，這是因?yàn)闉r青材料本身的黏彈特性，荷載頻率低則作用時(shí)間長，相位角變化大，黏度和柔韌性增大[13]，抗變形能力減弱；2種溫拌劑的摻入使改進(jìn)車轍因子增大，與圖1(a)得到的結(jié)論一致.

圖1 膠粉改性瀝青的G*/sin9δFig.1 G*/sin9δ of crumb rubber modified asphalts

2.2 FTIR分析

圖2 膠粉改性瀝青的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of crumb rubber modified asphalts

2.3 AFM試驗(yàn)分析

2.3.1微觀形貌分析

圖3 膠粉改性瀝青的AFM微觀形貌圖Fig.3 AFM micromorphologies of crumb rubber modified asphalts

由于膠粉改性瀝青表面存在細(xì)微起伏與峰谷交錯(cuò)的情況，因此用均方根粗糙度Rq來表征溫拌膠粉改性瀝青的表面粗糙度，表面粗糙度越大，微觀尺度下瀝青相態(tài)差異性越大，相分離現(xiàn)象越顯著，微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，彈性性能減弱，抗變形能力降低.均方根粗糙度Rq定義為：

(1)

(2)

式中：A為掃描面積，A=20μm×20μm；h(x，y)為劃分單元點(diǎn)(x,y)的形貌高度函數(shù)；h0為參考高度.

利用AFM分析軟件NanoScope Analysis中的“Roughness”模塊測定CR、CR-EM和CR-SDYK的均方根粗糙度Rq，結(jié)果如圖4所示.由圖4可見，2種溫拌劑均使瀝青的Rq減小，這是因?yàn)闇匕鑴┑膿饺胧狗€(wěn)定的飽和—CH鍵數(shù)量增多，相態(tài)差異減小，相分離現(xiàn)象減弱，微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和均勻性增強(qiáng).

圖4 膠粉改性瀝青的均方根粗糙度RqFig.4 Rq of crumb rubber modified asphalts

2.3.2微觀力學(xué)特性分析

AFM試驗(yàn)中探針與瀝青表面接觸，對瀝青施加一個(gè)微小作用力，保證瀝青產(chǎn)生的形變在彈性范圍之內(nèi)，這種接觸類似于剛性小球與彈性體之間的相互作用，一般采用接觸力學(xué)中的DMT(Derjaguin-Muller-Toporov)模型來對探針回撤過程進(jìn)行擬合分析，得到樣品的微觀楊氏模量E*：

(3)

(4)

式中：Ftip為探針針尖對瀝青表面施加的微作用力；Fad為探針針尖與瀝青表面之間的黏附力；r為探針曲率半徑；δ為瀝青試樣變形量；Vs、Vtip分別為瀝青、探針的泊松比；Es、Etip分別為瀝青、探針的模量.

圖5為膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量E*.由圖5可見:CR的E*主要分布在250～280MPa之間，CR-EM的E*主要分布在230～350MPa之間，CR-SDYK的E*主要分布在270～330MPa之間.膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量E*呈典型的正態(tài)分布，計(jì)算其平均值，結(jié)果如圖6所示.由圖6可見：2種溫拌劑的摻入提高了膠粉改性瀝青的彈性模量，抵抗外力荷載能力增強(qiáng).結(jié)合2.1節(jié)的結(jié)論，表明溫拌劑EM和SDYK均可提高CR抵抗外力變形的能力.

圖5 膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量E*Fig.5 E* of crumb rubber modified asphalts

圖6 微觀楊氏模量E*的平均值Fig.6 Average value of E*

2.3.3宏觀流變性能與微觀力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

雖然試驗(yàn)條件不同，但是瀝青的微觀楊氏模量和改進(jìn)車轍因子都體現(xiàn)了瀝青抵抗外力作用的抗變形能力.圖7為膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量與改進(jìn)車轍因子的關(guān)系圖.由圖7可見：3種膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量和28℃下的改進(jìn)車轍因子的相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.97以上；改進(jìn)車轍因子隨著微觀楊氏模量的增大而增大.瀝青微觀楊氏模量和改進(jìn)車轍因子的關(guān)系說明2種溫拌劑可提高瀝青的彈性性能以及抗變形能力.分析其原因：EM型降黏劑是一種蠟型溫拌劑，可以完全溶解在瀝青中[13]，使膠粉改性瀝青具有更穩(wěn)定的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，膠團(tuán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，抗剪切變形能力越強(qiáng)，抗變形能力得以改善；SDYK型表面活性劑是一種陽離子表面活性劑，其與膠粉改性瀝青中的瀝青膠質(zhì)黏結(jié)，使瀝青中連續(xù)相體積增大，黏性降低[16]，彈性性能增強(qiáng)，抗變形能力提高.

圖7 膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量與改進(jìn)車轍因子的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between E* and G*/sin9δ of crumb rubber modified asphalt

3 結(jié)論

(1)EM型溫拌膠粉改性瀝青(CR-EM)和SDYK型溫拌膠粉改性瀝青(CR-SDYK)的抗變形能力均優(yōu)于膠粉改性瀝青(CR)，表明EM型降黏劑和SDYK型表面活性劑可以提高CR的抗變形能力.

(2)溫拌劑EM和SDYK對膠粉改性瀝青以物理改性為主.

(3)溫拌劑的摻入降低了瀝青微觀均方根粗糙度Rq，瀝青微觀相態(tài)差異性減小；微觀楊氏模量增大，改善了瀝青的微觀力學(xué)特性.

(4)對膠粉改進(jìn)瀝青的微觀力學(xué)指標(biāo)(微觀楊氏模量)與宏觀流變指標(biāo)(改性車轍因子G*/sin9δ)進(jìn)行相關(guān)性分析，兩者的相關(guān)系數(shù)在0.97以上，具有良好的相關(guān)性.