高黏改性瀝青的溫度敏感性評(píng)價(jià)及指標(biāo)適用性分析

謝小迪， 呂大春， 熊奎元， 王旺

(1.廣東交科檢測(cè)有限公司， 廣東 廣州 510550； 2.廣西交科集團(tuán)有限公司； 3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

瀝青是一種黏彈性材料，它的性能和柔軟程度均隨著溫度的變化而發(fā)生改變，而溫度敏感性則是衡量瀝青這種性質(zhì)的重要指標(biāo)，溫度敏感性大的瀝青夏季容易產(chǎn)生車(chē)轍、推移、坑槽等病害，冬季容易出現(xiàn)脆性開(kāi)裂等現(xiàn)象，所以溫度敏感性不僅是瀝青流變學(xué)的核心，也是瀝青路面使用性能的核心。

高黏改性瀝青是日本最早為透水瀝青路面研發(fā)的專(zhuān)用瀝青，具有高黏度、高軟化點(diǎn)、高黏附性等特點(diǎn)，性能穩(wěn)定的高黏改性瀝青對(duì)修筑透水瀝青路面至關(guān)重要，可以有效地提高透水瀝青路面高溫抗飛散的能力。目前評(píng)價(jià)瀝青溫度敏感性的指標(biāo)眾多，中國(guó)規(guī)范規(guī)定對(duì)瀝青的溫度敏感性評(píng)價(jià)主要采用針入度指數(shù)(PI)，最早是基于基質(zhì)瀝青的評(píng)價(jià)而設(shè)定的，但針入度屬于一種經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)，再現(xiàn)性較差，力學(xué)性能指標(biāo)不明確，對(duì)于高黏改性瀝青的溫度敏感性評(píng)價(jià)不一定適用。

該文分別采用針入度指數(shù)PI、黏溫指數(shù)VTS、復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS及復(fù)數(shù)指數(shù)CNI對(duì)兩種不同摻量的高黏改性瀝青進(jìn)行溫度敏感性評(píng)價(jià)，以探討不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)高黏改性瀝青溫度敏感性的適用性，以及研究不同摻量和種類(lèi)高黏改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青溫度敏感性的影響。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用70#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

試驗(yàn)采用兩種高黏改性劑，分別為意大利I型高黏改性劑和日本TPS高黏改性劑，摻量分別為0%、6%、8%、10%及12%(外摻)。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青在135 ℃的烘箱中加熱至融化狀態(tài)，然后置于150～160 ℃的烘箱中發(fā)育2 h，隨后加入稱(chēng)好相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高黏改性劑，在160～170 ℃的溫度下用高速剪切儀以4 000～5 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切1 h。直至高黏改性劑全部溶解且分布均勻?yàn)橹?，即制得兩種不同摻量的高黏改性瀝青。對(duì)基質(zhì)瀝青也采用與改性瀝青相同的加工過(guò)程，得到零摻量試樣。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)介紹

對(duì)兩種不同摻量高黏改性瀝青分別進(jìn)行不同溫度下的針入度指數(shù)試驗(yàn)、基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic shear rheometer，DSR)的黏溫指數(shù)VTS試驗(yàn)、復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS試驗(yàn)及復(fù)數(shù)指數(shù)CNI試驗(yàn)。

針入度指數(shù)PI在中國(guó)規(guī)范中常用來(lái)表示瀝青的溫度敏感性，對(duì)基質(zhì)瀝青的要求為-1.8～+1.0，對(duì)聚合物改性瀝青的要求為不小于-1.2。計(jì)算公式如下。

(1)

lgP=K+AlgPen×T

(2)

式中：lgP為針入度對(duì)數(shù)；K為線性回歸常數(shù)項(xiàng)；AlgPen為線性回歸系數(shù)；T為試驗(yàn)溫度(℃)。

黏溫指數(shù)VTS表示瀝青黏度η隨溫度變化的情況，在國(guó)外常用來(lái)表示瀝青的溫度敏感性。陳華鑫等通過(guò)對(duì)不同摻量和種類(lèi)的SBS改性瀝青不同溫標(biāo)狀態(tài)下?lián)Q算的VTS進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)采用開(kāi)氏溫標(biāo)能夠更好地反映聚合物改性瀝青的溫度敏感性，計(jì)算式如下：

(3)

(4)

式中：G*為復(fù)數(shù)模量；w為角頻率；δ為相位角；η1、η2分別為不同溫度對(duì)應(yīng)下的瀝青黏度；TK1、TK1分別為不同的開(kāi)氏溫度。

復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS和復(fù)數(shù)指數(shù)CNI均是基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗(yàn)得出的流變參數(shù)類(lèi)溫度敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)。GTS是通過(guò)不同溫度下lglgG*-lgT的對(duì)數(shù)坐標(biāo)計(jì)算得到的斜率，常用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的溫度敏感性；CNI則是在GTS的基礎(chǔ)上，分別考慮了瀝青的黏彈特性，分為彈性部分的存儲(chǔ)模量G′和黏性部分的損失模量G″兩個(gè)部分。計(jì)算公式為：

CNI=G′TS+G″TS×i

(5)

式中：G′TS為存儲(chǔ)模量復(fù)數(shù)指數(shù)，是存儲(chǔ)模量對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度對(duì)數(shù)線性回歸的斜率絕對(duì)值；G″TS為損失模量復(fù)數(shù)指數(shù)，是損失模量對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度對(duì)數(shù)線性回歸的斜率絕對(duì)值;i為線性回歸參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 針入度指數(shù)PI試驗(yàn)結(jié)果

瀝青針入度指數(shù)PI常用來(lái)表示瀝青的溫度敏感性。PI值越大，則表示瀝青的溫度敏感性越?。籔I值越小，則表示瀝青的溫度敏感性越大。兩種不同摻量高黏改性瀝青的針入度試驗(yàn)結(jié)果及針入度指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可得：兩種高黏改性瀝青不同溫度下的針入度值均隨著高黏改性劑摻量的增加而降低，表明高黏改性劑的摻入，會(huì)提高基質(zhì)瀝青的稠度和硬度。

從表1可得：

表1 針入度及針入度指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

(1) 意大利I型高黏改性瀝青的PI值隨著改性劑摻量的增加而增大，這表明意大利I型高黏改性瀝青的溫度敏感性隨著改性劑的增加而降低，溫度性能穩(wěn)定性得到改善。TPS高黏改性瀝青的PI值則隨著改性劑摻量的增加，呈現(xiàn)先增加，后穩(wěn)定的趨勢(shì)。這表明TPS高黏改性劑的摻入在一定程度上可以改善基質(zhì)瀝青的溫度敏感性。但改性效果具有上限閾值，當(dāng)改性劑摻量達(dá)到閾值(6%)后，溫度敏感性改性效果趨于穩(wěn)定。

(2) 不同摻量高黏改性瀝青的針入度指數(shù)相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99以上，滿足規(guī)范要求的置信區(qū)間達(dá)到95%以上，說(shuō)明不同摻量高黏改性瀝青的針入度指數(shù)相關(guān)性均非常好。但這并不一定反映PI值一定適用于高黏改性瀝青的溫度敏感性評(píng)價(jià)。為了驗(yàn)證PI值對(duì)于高黏改性瀝青的適用性，分別對(duì)兩種常用摻量(12%)高黏改性瀝青進(jìn)行復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可得：兩種高黏改性瀝青的相關(guān)性系數(shù)均大于0.95，在滿足規(guī)范要求的置信區(qū)間達(dá)到95%以上的前提下，兩種不同摻量高黏改性瀝青的針入度值均出現(xiàn)細(xì)微的重復(fù)性誤差變化，從而導(dǎo)致了兩種高黏改性瀝青的PI值結(jié)果與第一次試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，評(píng)價(jià)高黏改性瀝青溫度敏感性的結(jié)果可能失真。這表明針入度指數(shù)PI并不適用于高黏改性瀝青的溫度敏感性評(píng)價(jià)。

3.2 黏溫指數(shù)VTS試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)兩種不同摻量高黏改性瀝青進(jìn)行黏溫指數(shù)VTS試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

黏溫指數(shù)VTS是通過(guò)瀝青黏稠度隨溫度變化的情況來(lái)反映瀝青的溫度敏感性。由表3可得：兩種不同摻量下高黏改性瀝青的復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)相關(guān)性均大于0.95，且與第一次測(cè)試結(jié)果偏差較小，復(fù)現(xiàn)性較好，這是因?yàn)闉r青是高分子聚合物材料，具有流變性，相比針入度指數(shù)，黏溫指數(shù)VTS力學(xué)性能指標(biāo)更加明確，故采用黏溫指數(shù)VTS相比針入度指數(shù)更加科學(xué)、客觀。

表3 黏溫指數(shù)VTS試驗(yàn)結(jié)果

由表3可得：兩種高黏改性瀝青的VTS值均隨著高黏改性劑摻量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。表明高黏改性瀝青的溫度敏感性隨著改性劑摻量的提高而改善。這主要是因?yàn)楦唣じ男詣┑膿饺敫淖兞嘶|(zhì)瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到了“加筋”作用，從而使得高黏改性瀝青抵抗剪切流動(dòng)變形能力增強(qiáng)，受溫度影響的敏感度降低。

3.3 復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS試驗(yàn)結(jié)果

瀝青是一種感溫性能材料，其溫度敏感性可采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS來(lái)評(píng)價(jià)。復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS通過(guò)lglgG*-lgT數(shù)據(jù)回歸分析得到，如式(6)：

lglgG*=GTS×lgT+C

(6)

式中：G*為復(fù)數(shù)模量(Pa)；T為試驗(yàn)溫度(K以絕對(duì)溫度表示)；C為常數(shù)。

根據(jù)式(6)可以計(jì)算兩種不同摻量高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|值，結(jié)果列于表4。

表4 兩種不同摻量高黏改性瀝青復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|值

由表4可知：lglgG*和lgT的相關(guān)系數(shù)非常高，均達(dá)到0.99以上。隨著高黏改性劑摻量的增加，兩種高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|基本呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，其中當(dāng)TPS摻量達(dá)到12%時(shí)，TPS高黏改性瀝青的|GTS|略有回升，表明TPS高黏改性瀝青的溫度敏感性隨著改性劑摻量的增加而降低，當(dāng)摻量達(dá)到12%時(shí)，溫度敏感性略有上升。對(duì)比表3、4可得：雖然黏溫指數(shù)VTS和復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|均由動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)參數(shù)計(jì)算得出，相關(guān)系數(shù)也很高，但不同摻量高黏改性瀝青間復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|的區(qū)分度明顯比黏溫指數(shù)VTS高，并且復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|的復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)與初始試驗(yàn)差值更小，復(fù)現(xiàn)性相比黏溫指數(shù)VTS更好。綜上所述，采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)|GTS|可以更加直觀地區(qū)分高黏改性瀝青的溫度敏感性。

3.4 復(fù)數(shù)指數(shù)CNI結(jié)果

瀝青是一種黏彈性材料，不但具有黏性，還具有彈性。CNI法不僅可以對(duì)膠結(jié)料溫度敏感性進(jìn)行整體表征，同時(shí)還能對(duì)膠結(jié)料存儲(chǔ)模量G′和損耗模量G″的溫度敏感性分別進(jìn)行量化表征。相比|GTS|復(fù)數(shù)模量指數(shù)，復(fù)數(shù)指數(shù)CNI可以更全面地反映瀝青黏彈特性間的溫度敏感性。兩種高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)指數(shù)CNI試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同摻量高黏改性瀝青CNI試驗(yàn)結(jié)果

由表5可得：① 兩種高黏改性瀝青的存儲(chǔ)模量指數(shù)和損失模量指數(shù)均隨著高黏改性劑摻量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其中TPS高黏改性瀝青的存儲(chǔ)模量指數(shù)和損失模量指數(shù)在摻量達(dá)到10%時(shí)達(dá)到最低，之后略有回升，表明高黏改性劑的摻入可以改善基質(zhì)瀝青彈性和黏性對(duì)溫度的敏感性，從而增強(qiáng)基質(zhì)瀝青抵抗高溫變形的能力；② 不同摻量高黏改性劑對(duì)瀝青的存儲(chǔ)模量指數(shù)和損失模量指數(shù)影響各不相同，以意大利I型高黏改性瀝青為例，從6%摻量開(kāi)始，每增加2%摻量高黏改性劑，G′分別降低了1.295、1.937、1.569及1.270，G″分別降低了0.532、1.298、0.931及0.883，表明高黏改性劑對(duì)瀝青的彈性溫度敏感性改善效果比黏性溫度敏感性好。

表6為不同摻量高黏改性瀝青的復(fù)現(xiàn)性CNI試驗(yàn)結(jié)果。

表6 不同摻量高黏改性瀝青的復(fù)現(xiàn)性CNI試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表5、6可得：存儲(chǔ)模量指數(shù)和損失模量指數(shù)的復(fù)現(xiàn)性結(jié)果與初始測(cè)試結(jié)果相差均約為0.1，具有良好的復(fù)現(xiàn)性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，相比常規(guī)溫度敏感性指標(biāo)PI值，可以更好地對(duì)樣品進(jìn)行溯源，以保證試驗(yàn)的客觀性和科學(xué)性。

聯(lián)合分析表3～6可得：采用復(fù)數(shù)指數(shù)CNI評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的溫度敏感性與復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS和黏溫指數(shù)VTS表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，表明以上3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均存在一致性，在實(shí)際工程中，均可采用這3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)高黏改性瀝青進(jìn)行溫度敏感性評(píng)價(jià)，但在這3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，采用CNI評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的溫度敏感性最好，不但溫度敏感性評(píng)價(jià)準(zhǔn)確、指標(biāo)區(qū)分度較高、復(fù)現(xiàn)性好，而且可以同時(shí)表征瀝青彈性和黏性?xún)刹糠值臏囟让舾行裕_地分析溫度對(duì)高黏改性瀝青黏彈特性的影響。

4 結(jié)論

為探討不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)高黏改性瀝青溫度敏感性的適用性，以及研究不同摻量和種類(lèi)高黏改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青溫度敏感性的影響，分別采用針入度指數(shù)PI、黏溫指數(shù)VTS、復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS及復(fù)數(shù)指數(shù)CNI對(duì)兩種不同摻量的高黏改性瀝青進(jìn)行溫度敏感性評(píng)價(jià)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 兩種高黏改性劑均可改善瀝青的溫度敏感性，并且改善效果隨著改性劑摻量的增加而增強(qiáng)，其中TPS高黏改性劑摻量達(dá)到10%時(shí)，溫度敏感性改善效果最佳。

(2) 由于高黏改性瀝青相對(duì)于常規(guī)瀝青的黏度較大，基于條件黏度下建立的針入度指數(shù)PI，可重復(fù)性較差、細(xì)微的針入度值變化就會(huì)引起針入度指數(shù)PI出現(xiàn)較大偏差，不適用于高黏改性瀝青的溫度敏感性評(píng)價(jià)。

(3) 采用復(fù)數(shù)指數(shù)CNI、復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS及黏溫指數(shù)VTS均可對(duì)高黏改性瀝青的溫度敏感性做出一致性評(píng)價(jià)，并且具有良好的復(fù)現(xiàn)性，但采用復(fù)數(shù)指數(shù)CNI可以分別評(píng)價(jià)高黏改性瀝青彈性和黏性對(duì)溫度的敏感性，指標(biāo)區(qū)分度更加好。故綜合考慮，推薦采用復(fù)數(shù)指數(shù)CNI評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的溫度敏感性。