不同蒸發(fā)方式對(duì)改性乳化瀝青殘留物的流變性能影響研究

徐 文 潘梅娟 張 愷 令狐圓圓 李 紅

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (江西省交通科學(xué)研究院2) 南昌 330200)

0 引 言

熱拌瀝青混合料在拌和及攤鋪過程中涉及到高溫和煙霧排放，會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物和溫室氣體[1-3].乳化瀝青是通過機(jī)械剪切作用，將瀝青微粒均勻分散在含有乳化劑和添加劑的水溶液中，形成水包油的穩(wěn)定體系.乳化瀝青黏度低，可用于常溫施工，具有節(jié)能、方便施工、節(jié)約瀝青和保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[4-5].尤其是改性乳化瀝青，其性能優(yōu)于普通的乳化瀝青[6]，被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)，例如，穩(wěn)定基層[7]、冷再生[8-9]、微表處[10-13]、黏結(jié)層[14].另外，除了典型的道路工程應(yīng)用外，乳化瀝青還可用于許多其他特定領(lǐng)域，如高速鐵路，穩(wěn)定彈藥銷毀廢物和固化電鍍泥.

乳化瀝青中水分蒸發(fā)或者與集料混合后發(fā)生破乳，瀝青微粒則逐漸在集料表面或集料之間聚結(jié)，并最終建立起路面性能，因此乳化瀝青殘留物的獲取和性能測(cè)試，對(duì)其產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用具有重要影響.雖然關(guān)于乳化瀝青殘留物的獲取方法有很多種標(biāo)準(zhǔn)方法，例如，規(guī)范JTG E20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的直接加熱法，《ASTM D7497-09》低溫蒸發(fā)法，《ASTM D7403-09》減壓蒸餾法，但是國(guó)內(nèi)外學(xué)者并沒有達(dá)到統(tǒng)一的共識(shí)，尤其是對(duì)于聚合物改性乳化瀝青.過高的蒸發(fā)或者蒸餾溫度和加熱時(shí)長(zhǎng)會(huì)使聚合物發(fā)生明顯降解，這對(duì)殘留物的性能測(cè)定產(chǎn)生誤導(dǎo).另外，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)并非基于性能，例如，軟化點(diǎn)、針入度和延度等，很難深入理解乳化瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而制約了高性能乳化瀝青的開發(fā)和冷拌混合料的發(fā)展和應(yīng)用.

針對(duì)上述問題，文中選取兩種常用的改性乳化瀝青，SBS改性乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，分別采用直接加熱法和低溫蒸發(fā)法獲取殘留物.基于流變學(xué)原理，利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行溫度掃描和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)，采用復(fù)數(shù)剪切模量、相位角、車轍因子、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢突謴?fù)百分率等指標(biāo)，對(duì)比分析在40～76 ℃試驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)的高溫變形恢復(fù)性能，從而得出不同獲取方法對(duì)殘留物流變性能的影響規(guī)律，為殘留物的獲取方法與高溫性能評(píng)價(jià)提供新思路.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 改性乳化瀝青

采用湖北某公司出品的SBS改性乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，乳液的基本性能指標(biāo)見表 1，表中蒸發(fā)殘留物的性質(zhì)均采用直接加熱法測(cè)試完成.根據(jù)規(guī)范[15]采取直接加熱法獲取乳化瀝青殘留物，見圖 1.在熔融態(tài)將殘留物澆入DSR試模中，冷卻后取出備用.根據(jù)《ASTM D7497-09》采取低溫蒸發(fā)法獲取乳化瀝青瀝青殘留物[16-17]，見圖 2.試驗(yàn)中采用自行制作的硅膠板，根據(jù)固含量與硅膠板面積計(jì)算澆筑的乳化瀝青質(zhì)量，然后依次放置在25和60 ℃烘箱中養(yǎng)生各24 h，最終獲得厚度在2 mm左右的瀝青薄膜，待其冷卻后，通過小刀將薄膜切成邊長(zhǎng)為18 mm左右的方塊，從而獲得DSR試驗(yàn)試樣.文中采用直接加熱法和低溫蒸發(fā)法獲得的殘留物分別用SBS-Z、SBS-D、SBR-Z和SBR-D來表示.

表1 改性乳化瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

圖1 直接加熱法DSR試樣制備

圖2 低溫蒸發(fā)法DSR試樣制備

1.2 流變性能試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)來評(píng)估改性乳化瀝青殘留物的流變性能.試驗(yàn)選取直徑為25 mm的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與下平行板間隙為1 mm.動(dòng)態(tài)剪切流變儀采用英國(guó)某公司產(chǎn)品KINEXOS DSR.試驗(yàn)中通過溫度掃描(46～76 ℃，溫度梯度為6 ℃)在加載頻率為10 rad/s(1.59 Hz)下獲得殘留物的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ.G*定義為最大應(yīng)力與最大應(yīng)變之比，表示材料的抗變形能力；δ為瀝青的粘彈性狀態(tài)，當(dāng)δ為0°時(shí)，表示材料為純彈性，而當(dāng)δ為90°時(shí)，表示材料為純黏性.通過計(jì)算獲得車轍因子G*/sinδ，其數(shù)值越高，則瀝青材料的抗車轍性能越好.

近期在司爾特公司舉行的一場(chǎng)訂貨會(huì)上，多位司爾特忠實(shí)用戶現(xiàn)身說法，分享了他們與司爾特測(cè)土配方生態(tài)肥的故事。其中，一位來自山東省陽山縣的70多歲的種植大戶分享了這兩年使用司爾特測(cè)土配方生態(tài)肥料的真切感受，他激動(dòng)地說道，“我種小麥和玉米已經(jīng)有十多年，在前年才通過經(jīng)銷商了解到了司爾特測(cè)土配方生態(tài)肥，在我決定開始使用這個(gè)品牌的肥料時(shí)，司爾特技術(shù)人員就實(shí)地幫我進(jìn)行測(cè)土、配方作物所需肥料，這兩年我是真真切切地看到和感受到司爾特產(chǎn)品的效果，我的小麥和玉米比前幾年都增產(chǎn)了，田地里的土壤也得到很大的改良?！?/p>

溫度掃描的測(cè)試模式為應(yīng)變控制，而多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)的測(cè)試模式為應(yīng)力控制.MSCR試驗(yàn)旨在評(píng)估在不同應(yīng)力水平(0.1和3.2 kPa)下材料的彈性響應(yīng)和抗車轍性能. 在測(cè)試過程中，殘留物首先在0.1 kPa剪切應(yīng)力下加載1 s后卸載恢復(fù)9 s，重復(fù)10個(gè)周期，緊接著在3.2 kPa剪切應(yīng)力下重復(fù)上述步驟.整個(gè)試驗(yàn)共20個(gè)周期，耗時(shí)200 s.通過設(shè)備自動(dòng)采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算得到兩種應(yīng)力下10個(gè)周期的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1和Jnr3.2，以及平均恢復(fù)百分率R0.1和R3.2.各參數(shù)的計(jì)算方法如見式(1)～(4).不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠从碁r青的抗永久變形能力，數(shù)值越小，瀝青的高溫性能越好.蠕變恢復(fù)率數(shù)值越大，殘留物的彈性恢復(fù)性能越好.

(1)

(2)

(3)

(4)

圖3為聚四氟乙烯圓環(huán)與常規(guī)軟化點(diǎn)試樣環(huán)疊加示意圖.使用改進(jìn)后的試模制備乳化瀝青殘留物后，對(duì)上部試樣完成脫模，然后用加熱鐵鏟迅速刮去高出部分的殘留物，即可獲得低溫蒸發(fā)下軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)試樣.

在進(jìn)行MSCR試驗(yàn)之前，未對(duì)乳化瀝青殘留物進(jìn)行老化試驗(yàn)，因?yàn)楸疚牡难芯磕康脑谟谠u(píng)價(jià)不同溫度條件下獲取殘留物的性能差異，而老化程序會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾.另外，本文每次至少對(duì)三個(gè)試樣進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，以確保必要的精度和準(zhǔn)確度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果

在傳統(tǒng)大學(xué)普通化學(xué)教學(xué)的過程中，教師只是根據(jù)教材內(nèi)容一味地傳授學(xué)生知識(shí)，教學(xué)過程是枯燥的。學(xué)生也只能無意識(shí)情緒不加區(qū)分地全盤接受，學(xué)習(xí)過程是被動(dòng)的。在這種狀態(tài)下學(xué)習(xí)，學(xué)生是很難激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的，同時(shí)也不利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。將多媒體應(yīng)用在大學(xué)教學(xué)中，可以充分發(fā)揮多媒體的作用，既強(qiáng)化了教師與學(xué)生間的互動(dòng)，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

圖3 改進(jìn)的軟化點(diǎn)試樣模具示意圖

圖4 蒸發(fā)殘留物的軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)

2.2 溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果

圖5為改性乳化瀝青殘留物的復(fù)數(shù)模量、相位角和車轍因子隨著溫度變化的趨勢(shì)圖.由圖5a)～b)可知，隨著溫度的升高，殘留物的G*變小而δ緩慢增大，說明溫度上升提高了殘留物的流動(dòng)性，使其由彈性體向粘彈性體轉(zhuǎn)變.在圖5a)中，比較兩種改性乳化瀝青殘留物，低溫蒸發(fā)法獲得的殘留物具有更高的G*，并且在直接加熱法獲得的兩種殘留物G*較為接近的情況下，低溫蒸發(fā)后SBS改性乳化瀝青殘留物的G*具有更大的增幅.由此說明，本文采用的兩種規(guī)范方法獲得的改性乳化瀝青殘留物G*具有一定的差異，并且獲取方法對(duì)SBS改性乳化瀝青殘留物G*影響更大.兩種規(guī)范方法中主要的區(qū)別在于加熱溫度和加熱時(shí)間，已有研究表明過高的加熱溫度和時(shí)間會(huì)造成乳化瀝青中聚合物改性劑的降解.直接加熱法試驗(yàn)條件為163 ℃加熱蒸發(fā)2～3 h，而低溫蒸發(fā)法試驗(yàn)條件為25和60 ℃下分別進(jìn)行24 h烘箱固化，說明我國(guó)規(guī)范方法低估了改性乳化瀝青殘留物的高溫性能，可能原因就是高溫條件對(duì)聚合物的改性效果造成了不利影響.在圖5b)中，SBS改性乳化瀝青殘留物的δ始終小于SBR改性乳化瀝青的δ，說明SBS改性劑對(duì)提高乳化瀝青殘留物的彈性性能更顯著.隨著溫度的升高，SBS改性乳化瀝青殘留物的相位角增長(zhǎng)率相對(duì)來說更緩慢，說明SBR改性乳化瀝青殘留物的彈性損失受到溫度影較大.另外，直接加熱法使SBS改性乳化瀝青殘留物的相位角增大，對(duì)SBR改性乳化瀝青殘留物的相位角影響并不明顯，這進(jìn)一步說明高溫條件下對(duì)SBS改性效果有更顯著的不利影響.在圖5c)中，隨著溫度的升高，殘留物的G*/sinδ都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，并且直接加熱法獲得的殘留物G*/sinδ均小于低溫蒸發(fā)法.進(jìn)一步計(jì)算得到SBS和SBR兩種改性乳化瀝青殘留物G*/sinδ的損失百分率，直接加熱法相對(duì)低溫法分別減小了0.31%～0.44%和0.26%～0.27%，說明高溫條件削弱了殘留物的抗車轍性能，并且對(duì)SBS改性乳化瀝青的影響更大.

圖5 改性乳化瀝青殘留物的各項(xiàng)因素

2.3 MSCR試驗(yàn)結(jié)果

圖4為采用直接加熱法和低溫蒸發(fā)法獲取殘留物的軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果.由圖 4可知：SBS改性乳化瀝青殘留物具有更高的軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率，說明其具有更優(yōu)的高溫性能和彈性性能.對(duì)比兩種獲取殘留物的方法，低溫蒸發(fā)法獲取的殘留物具有更高的軟化點(diǎn)，對(duì)于SBS-D還具有大的彈性恢復(fù)率，但對(duì)SBR-D和SBR-Z的彈性恢復(fù)影響不大.這說明低溫獲取的殘留物具有更好的高溫性能和彈性恢復(fù)性能，可以初步判斷，造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)橹苯蛹訜岱ㄝ^高的加熱溫度對(duì)聚合物改性劑造成了不利影響.

R參數(shù)對(duì)于評(píng)價(jià)瀝青抗車轍能力非常重要，因?yàn)樗砹藶r青的延遲彈性.殘留物在每個(gè)循環(huán)剩余時(shí)間的9 s內(nèi)R越高，表明彈性性能越好.圖9為在0.1和3.2 kPa應(yīng)力水平下殘留物的R平均值，由圖9可知SBS改性的乳化瀝青殘留物R值更大，說明其具有更優(yōu)異的彈性性能，這與溫度掃描中殘留物δ表現(xiàn)出來的規(guī)律具有一致性.在低應(yīng)力水平下，兩種方法獲取的殘留物R在不同溫度下并沒有顯著的差異.但是在高應(yīng)力水平下，兩種殘留物的R值隨著溫度升高均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，尤其是SBS改性的乳化瀝青殘留物在64 ℃后減小速率顯著增大，并且不同殘留物獲取方法對(duì)SBS改性的乳化瀝青殘留物彈性性能具有更大影響.同時(shí)也說明了在高應(yīng)力水平下，溫度的升高對(duì)R參數(shù)有負(fù)面影響.需要注意的是，在溫度掃描中，SBR改性乳化瀝青殘留物的δ隨著溫度的增幅大于SBS改性的乳化瀝青殘留物，而R參數(shù)顯示溫度對(duì)SBS改性的殘留物彈性性能具有更大的不利影響，造成這種現(xiàn)象的可能原因是溫度掃描和MSCR試驗(yàn)的控制模式不同.

1.3.2 青少年信息貧困研究。劉亞[33]把青少年作為一個(gè)特殊群體來研究。他認(rèn)為由于青少年對(duì)概念的定義或描述不準(zhǔn)確，其信息需求表達(dá)能力不足，而導(dǎo)致檢索能力不足；使用信息資源的能力并不理想，難以實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)與創(chuàng)新；對(duì)網(wǎng)上的信息幾乎不加質(zhì)疑并引用，缺乏信息評(píng)價(jià)判斷能力。需要將青少年信息行為作為新命題進(jìn)行研究。王潔瑾[34]通過調(diào)查研究，構(gòu)建信息貧困視野的青少年信息行為模型，指出青少年信息貧困多是因?yàn)樾畔@取障礙，表現(xiàn)在習(xí)慣使用省時(shí)省力方式檢索，信息檢索能力不高，信息處理能力不理想；存在信息吸收能力缺陷，表現(xiàn)在信息需求表達(dá)障礙、缺少信息判斷能力以及知識(shí)結(jié)構(gòu)不完善等。

圖6 剪切應(yīng)變變化(0.1 kPa)

圖7 剪切應(yīng)變變化(3.2 kPa)

Jnr作為瀝青抗變形能力的指標(biāo)，其值越小，表明抗車轍能力越強(qiáng).圖8為乳化瀝青殘留物分別在0.1和3.2 kPa應(yīng)力水平下的Jnr值，由圖8可知，無論是低應(yīng)力水平還是高應(yīng)力水平下，殘留物的Jnr值都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，并且SBR改性乳化瀝青殘留物的Jnr值增大速率更顯著.相對(duì)SBR來說，直接加熱法和低溫蒸發(fā)法獲得的SBS改性乳化瀝青殘留物均具有較低的Jnr值.由圖8可知，兩種應(yīng)力水平下，對(duì)于同一種改性劑改性的乳化瀝青殘留物，直接加熱法獲取的殘留物具有更大的Jnr值.以上數(shù)據(jù)分析表明，SBS改性的乳化瀝青殘留物具有更高的抗變形能力，并且相對(duì)低溫蒸發(fā)法，直接加熱法對(duì)兩種殘留物的抗變形能力都有負(fù)面影響.

表 1為兩種改性乳化瀝青的基本性能指標(biāo)，其中關(guān)于蒸發(fā)殘留物的固含量、針入度、軟化點(diǎn)、延度和彈性恢復(fù)的數(shù)據(jù)均采用直接加熱法獲取的試樣進(jìn)行測(cè)試.由于針入度試模較深，低溫蒸發(fā)無法獲取完全固化的殘留物，因此無法進(jìn)行常規(guī)的針入度試驗(yàn).軟化點(diǎn)試樣環(huán)厚度為6.4 mm，彈性恢復(fù)試模厚度為10 mm，結(jié)合前期使用硅膠墊制備殘留物的經(jīng)驗(yàn)可知，低溫蒸發(fā)法能夠獲取軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)的試樣.乳化瀝青中水分蒸發(fā)完全后，殘留物的高度會(huì)明顯降低，因此在澆筑軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)試模時(shí)，乳化瀝青用量需要在高度方向上有富余.因此，本文對(duì)軟化點(diǎn)試樣環(huán)和彈性恢復(fù)試模進(jìn)行了改進(jìn).采用兩個(gè)相同的彈性恢復(fù)試模重疊使用進(jìn)行乳化瀝青澆筑，需要注意的是在試模相接觸部分應(yīng)涂抹隔離劑.對(duì)于軟化點(diǎn)試樣環(huán)，由于形狀的不規(guī)則，不能采用疊加的方式增加環(huán)高度，因此采用聚四氟乙烯板材通過數(shù)控機(jī)床加工成與常規(guī)軟化點(diǎn)試樣環(huán)外徑和內(nèi)徑一致的環(huán)狀模具.

圖8 在0.1和3.2 kPa應(yīng)力水平下的Jnr值

郭文安：教材編寫往往被人看成是對(duì)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的編排與闡述，對(duì)有關(guān)科研成果的概括和整理，因而不受重視，甚至不被看作是一種科學(xué)研究。教材編寫與科學(xué)研究確有所區(qū)別，前者主要是在已有科研成果基礎(chǔ)上進(jìn)行的。但是，二者亦有共同點(diǎn)，教材編寫同樣具有探索、研究、整合與創(chuàng)新的屬性，實(shí)質(zhì)上也是一種科學(xué)研究。因?yàn)橐槐竞玫慕滩膽?yīng)有廣博、堅(jiān)實(shí)、精深的專業(yè)知識(shí)。它不應(yīng)限于概括與整理已有的科研成果，在學(xué)科理論的簡(jiǎn)明化、系統(tǒng)化和體系化上都應(yīng)有新的突破、發(fā)展與提高。它應(yīng)兼具專業(yè)性、基礎(chǔ)性、學(xué)術(shù)性和前瞻性。它可使廣大師生及讀者受益匪淺，獲得進(jìn)一步探究的依據(jù)與動(dòng)力?？梢哉f，一本好教材其價(jià)值并不亞于一本好專著。

圖9 在0.1和3.2 kPa應(yīng)力水平下的R值

3 結(jié) 論

1) SBS改性乳化瀝青殘留物具有更高的軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率，說明其具有更優(yōu)的高溫性能和彈性性能.對(duì)比兩種獲取殘留物的方法，低溫蒸發(fā)法獲取的殘留物具有更高的軟化點(diǎn)，對(duì)于SBS-D還具有大的彈性恢復(fù)率，但對(duì)SBR-D和SBR-Z的彈性恢復(fù)影響不大.

權(quán)重的確定方法，影響農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平指標(biāo)權(quán)重具有代表性的方法主要有層次分析法、信息權(quán)重法(主成分分析法、因子分析法)、德爾菲法、層次分析法與德爾菲法的聯(lián)合應(yīng)用法等[5]；也有從機(jī)械替代勞動(dòng)力前后，耗費(fèi)人工量大小的角度來設(shè)置權(quán)重的研究文獻(xiàn)[6]。本文認(rèn)為目前畜牧業(yè)機(jī)械化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的不可獲得性導(dǎo)致無法科學(xué)運(yùn)用層次分析法和信息權(quán)重法，因此三級(jí)指標(biāo)權(quán)重的確定同樣根據(jù)耗費(fèi)人工量的大小而定。從機(jī)械替代勞動(dòng)力的角度設(shè)定權(quán)重，在篩選出的5個(gè)指標(biāo)中，根據(jù)各自用工量(見表1)占總這5個(gè)環(huán)節(jié)用工總量的比例來分配，詳見表2。

2) 在溫度掃描試驗(yàn)中，低溫蒸發(fā)法獲得的殘留物具有更高的G*和G*/sinδ，并且SBS-D的δ更小，而兩種獲取方法對(duì)SBR-D和SBR-Z的δ影響不大.說明直接加熱法降低了殘留物的抗車轍性能，并且對(duì)SBS改性乳化瀝青的影響更大.

3) 在MSCR試驗(yàn)中，通過分析剪切應(yīng)變和恢復(fù)應(yīng)變值、Jnr和R指標(biāo)，結(jié)果表明低溫蒸發(fā)法獲取的殘留物具有更高的抗剪切變形能力和彈性性能，并且在高應(yīng)力水平下，對(duì)SBS改性乳化瀝青殘留物性能影響更大.

4) 兩種獲取殘留物的方法具有不同的試驗(yàn)溫度和加熱時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致了殘留物流變性能測(cè)試結(jié)果的差異.在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步研究不同溫度、濕度和真空度條件下獲取的殘留物微觀和老化方面的性能差異，為確定合適的殘留物獲取方法提供研究基礎(chǔ).