不同改性瀝青高低溫流變性能對比

張海濤，吳廣源

(東北林業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱 150040)

目前，我國所采用的瀝青常規(guī)評價指標在實際應用中具有重要的評價意義，但這些評價指標存在一定的局限性，例如無法有效動態(tài)地評價瀝青材料的高低溫性能[1-2]。

國內(nèi)一些學者針對更加有效的瀝青高低溫性能評價方法做了諸多研究。其中，對于瀝青的高溫性能，主要采用動態(tài)剪切流變試驗來進行評價，而對于處在高溫狀態(tài)下的瀝青，其破壞程度主要受時間和溫度的影響，時間對瀝青的作用效果可以通過加載頻率來表征。例如，祝斯月等[3]、豆懷兵等[4]采用動態(tài)剪切流變儀對不同摻量的高黏改性瀝青進行溫度掃描和頻率掃描試驗，分析復數(shù)剪切模量、相位角、車轍因子等指標，對高黏改性瀝青的高溫黏彈特性進行了綜合分析；馬峰等[5]應用頻率和溫度掃描模式下的動態(tài)剪切流變試驗分析SEBS/橡膠粉復合改性瀝青的流變性能，并采用多應力蠕變恢復試驗研究其高溫性能；王嵐等[6]基于流變學和黏彈性理論，對溫拌膠粉改性瀝青和膠粉改性瀝青進行了動態(tài)剪切流變試驗和重復荷載恢復試驗(RCRB)，對溫拌膠粉改性瀝青的高溫流變性能進行了評價。在瀝青低溫性能的評價方面，張家偉等[7]采用彎曲梁蠕變實驗對不同摻量的TB復合SBS改性瀝青進行低溫性能研究，通過對蠕變勁度、蠕變速率以及低溫應力的描述，綜合評價了TB復合SBS改性瀝青的低溫性能，并確定了最佳復合摻量；馬曉燕等[8]以不同基質瀝青、不同種類SBS改性劑、不同改性劑摻量為研究對象，設計正交試驗，采用彎曲梁流變試驗，通過分析蠕變勁度和蠕變速率并進行灰色關聯(lián)分析來探究不同摻量不同種類改性瀝青的低溫流變性能。

上述評價方法均有效地在不同側重點上對瀝青的高、低溫性能進行了合理評價，使得瀝青高低溫流變性能評價方法體系更加成熟完善。然而現(xiàn)有研究缺乏在同一評價體系內(nèi)對不同種類的基質瀝青或改性瀝青的高低溫性能進行對比評價。因此，為了在同一評價方法體系內(nèi)對不同改性瀝青高低溫流變性能進行對比分析，本研究在綜合借鑒諸多學者的研究方法[9-12]的基礎上，采用動態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀分別對70#和90#的SBS、PE、SBR改性瀝青進行溫度掃描、頻率掃描和彎曲梁蠕變試驗，獲取不同改性瀝青的黏彈性參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和擬合，從不同角度對比評價以上不同種改性瀝青的高低溫流變性能，以期為建立更全面系統(tǒng)的瀝青高低溫流變性能評價方法體系提供參考。

1 材料與方法

1.1 瀝青原材料

試驗用瀝青為70#瀝青和90#瀝青，對兩種牌號的基質瀝青分別加入5% SBS改性劑(質量分數(shù))、5% PE改性劑(質量分數(shù))、3% SBR改性劑(質量分數(shù))，通過攪拌機和高速剪切儀制備得到兩種瀝青牌號下的6種改性瀝青，基質瀝青及6種改性瀝青的常規(guī)性技術指標如表1所示。

表1 改性瀝青的技術指標Table 1 Technical indexes of modified asphalt

1.2 試驗方法

1.2.1 溫度掃描

由于瀝青材料本身對溫度的敏感性，其黏彈特性會隨著溫度的改變而產(chǎn)生變化。本研究采用動態(tài)剪切流變儀對各種瀝青材料進行溫度掃描，控制應變?yōu)?2%，試驗溫度為46，52，58，64，70，76，82 ℃，測試試樣在25 mm的平行板間(間距1 mm)進行振蕩掃描。

1.2.2 頻率掃描

頻率掃描試驗是研究瀝青結合料流變特性的主要試驗方法。該方法在線黏彈性范圍內(nèi)，分析不同溫度不同加載頻率下的黏彈性參數(shù)[13-14]。本研究選擇頻率ω范圍為0.1～100 rad/s，應變控制為5%。由于瀝青混合料車轍試驗采用的試驗溫度為60 ℃，表明60 ℃以上瀝青路面的車轍變形更加明顯，基于以上考慮，同時結合PG分級的溫度，本研究試驗溫度選擇64 ℃。

1.2.3 彎曲梁流變試驗

本研究依據(jù)傳統(tǒng)的彎曲梁蠕變原理，選擇溫度-12，-18，-24 ℃作為試驗設置參數(shù)。試驗所用儀器設備如圖1～2所示。

圖3 不同改性瀝青黏彈性參數(shù)隨溫度的變化Fig. 3 Variations of visco-elastic parameters of different modified asphalt with temperature changes

圖1 動態(tài)剪切流變試驗Fig. 1 Dynamic shear rheological test

圖2 彎曲梁流變試驗Fig. 2 Bending beam rheological test

2 結果與分析

2.1 溫度掃描

對上述各種瀝青材料進行溫度掃描試驗，試驗結果如圖3所示。由圖3a可知，各種瀝青試驗材料的復數(shù)剪切模量隨溫度的升高均為單調(diào)遞減，變化趨勢基本一致。從不同改性劑角度分析，PE改性瀝青和SBS改性瀝青的復數(shù)剪切模量明顯高于SBR改性瀝青和基質瀝青，這說明PE改性劑和SBS改性劑對瀝青的高溫性能均有非常明顯的改善。PE改性瀝青的復數(shù)剪切模量較其他瀝青隨溫度下降幅度更大，在52 ℃左右時，PE改性瀝青的復數(shù)剪切模量開始略低于SBS改性瀝青，說明從52 ℃左右開始繼續(xù)向上升溫，SBS改性瀝青的高溫流變性能要略優(yōu)于PE改性瀝青。從不同瀝青牌號角度分析，70#瀝青的復數(shù)剪切模量均比90#瀝青的高，說明70#瀝青的高溫流變性能要優(yōu)于90#瀝青，且70#瀝青和90#瀝青的不同種改性瀝青的變化曲線形狀基本相似。

由圖3b可知，除PE改性瀝青之外，各種改性瀝青相位角與溫度呈現(xiàn)正相關變化，表明瀝青的黏性增強而彈性減弱，且作用效果逐漸減弱。而PE改性瀝青的相位角變化則有所不同：隨著溫度的升高其相位角呈現(xiàn)非規(guī)律性變化，特別是90#PE改性瀝青，溫度的升高反而導致其相位角減小，這種現(xiàn)象可能歸因于PE改性劑本身固有的性質，說明PE改性劑在改善瀝青黏彈性的同時，也讓其變得更加復雜。抵抗變形能力最優(yōu)的是SBS改性瀝青，其次是PE改性瀝青，最后是SBR改性瀝青。對于不同瀝青牌號而言，70#瀝青的相位角均大于90#瀝青，表明70#瀝青相較于90#瀝青而言，黏性更大。

車轍因子可以反映瀝青材料對永久變形的阻力。車轍因子的數(shù)值越高，瀝青材料的彈性性能就越好，抗永久變形(如車轍)的能力也就越強。由圖3c可知，隨著溫度的升高，瀝青對永久變形的抵抗力降低。在相同的溫度條件下，PE改性瀝青和SBS改性瀝青在高溫下具有更好的抗永久性變形性能，而SBR改性瀝青在高溫下具有相對較差的抗永久性變形性能。同時，在高溫下，70#瀝青對永久變形的抵抗性大于90#瀝青。

2.2 頻率掃描試驗

頻率掃描可以模擬車輛路面行駛的速度[15]。各種瀝青的頻率掃描結果如圖4所示。

由圖4a可知，各種瀝青的復數(shù)剪切模量模量隨荷載頻率的增加而逐漸增大，隨著頻率的增加，荷載作用的時間就越來越短，因此材料的變形量較小，勁度較大，模量也就越大。復數(shù)剪切模量越大，瀝青的抵抗荷載作用能力越強。復數(shù)剪切模量模量曲線始終處于最上方的是PE改性瀝青，且在低頻條件下，除了PE改性瀝青的曲線有明顯的間距，其余幾種瀝青的復數(shù)剪切模量曲線基本重合，表明復數(shù)剪切模量相差不大；而隨著頻率的增加，各種瀝青的復數(shù)剪切模量差異愈加明顯，各自曲線之間的間距也不斷增大，這說明在同一頻率下，改性瀝青的抵抗荷載作用能力由強到弱依次是PE改性瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青，且隨著頻率的增大，抵抗荷載作用能力的差異愈加明顯。從不同瀝青牌號角度分析，無論是基質瀝青還是改性瀝青，70#瀝青的復數(shù)剪切模量均高于90#瀝青，說明在高溫條件下，70#瀝青相較于90#瀝青有更強的抵抗荷載作用能力。

圖4 不同改性瀝青黏彈性參數(shù)隨頻率的變化Fig. 4 Variations of visco-elastic parameters of different modified asphalt with frequency changes

相位角可以表征瀝青材料的黏彈性比例，由圖4b可知，隨著頻率的增大，基質瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青的相位角均逐漸減小，表明隨著頻率的增加，這幾種瀝青的黏性逐漸減弱而彈性逐漸增強，即抗永久變形能力逐漸增強。這說明這幾種瀝青在高溫條件下，高速行駛更有利于改善路面的抗車轍能力，而停車、急剎車等渠化交通處更容易使路面產(chǎn)生永久變形。對于PE改性瀝青，無論是70#瀝青還是90#瀝青，其相位角曲線明顯相反于其他幾種瀝青，呈現(xiàn)出近似“S”形曲線的形狀，相位角隨著頻率增加亦逐漸增大，即隨著頻率增大，瀝青的黏性逐漸增大，彈性逐漸減小，抗永久變形能力減弱。在相同頻率條件下，當幾種瀝青的加載頻率在15 rad/s以下同一水平時，PE改性瀝青的相位角明顯小于其他幾種瀝青，即抗永久變形能力最優(yōu)。其次是SBS改性瀝青，SBR改性瀝青對基質瀝青的抗永久變形能力雖有所改善，但相對來說效果不明顯，即在高溫低頻條件(車速較慢)下，抗車轍能力由強到弱依次是PE改性瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青。當頻率增加到15 rad/s以上同一水平時，SBS改性瀝青的相位角開始小于PE改性瀝青，即在高溫高頻條件(車速較快)下，抗車轍能力由強到弱依次是SBS改性瀝青、PE改性瀝青、SBR改性瀝青。

綜合同一溫度不同頻率條件下的復數(shù)剪切模量和相位角，從車轍因子角度分析，各種改性瀝青的車轍因子隨著頻率的增加逐漸增大，即抗車轍能力逐漸增強，因此，加載頻率越大越有利于抵抗車轍的產(chǎn)生，這與前述結論是一致的。在同一頻率下，各類改性瀝青抗車轍能力由強到弱依次是PE改性瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青，同時根據(jù)圖4c亦可以得知，70#改性瀝青的抗車轍能力要優(yōu)于90#改性瀝青。

2.3 彎曲勁度蠕變實驗

2.3.1 蠕變勁度和蠕變速率分析

改性瀝青在-12，-18和-24 ℃溫度條件下的蠕變勁度S和蠕變速率m值分別如圖5和圖6所示。由圖5a可知，各種改性瀝青的蠕變勁度隨溫度的升高均成降低趨勢。蠕變勁度越大，表明材料在低溫與荷載作用條件下，更易開裂和脆斷，因此蠕變勁度越小，低溫性能越好。由圖5b和圖5c可知，對于不同種改性瀝青而言，蠕變勁度由大到小依次為PE改性瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青，因此SBR改性瀝青的低溫抗裂性能最好。

對于不同瀝青牌號的改性瀝青，由圖5a可得，在3個試驗溫度下，除個別差別較小外，70#改性瀝青的蠕變勁度均明顯大于90#改性瀝青的蠕變勁度，因此3種90#改性瀝青的低溫抗裂性明顯優(yōu)于3種70#改性瀝青，這與實際應用中70#瀝青適用于我國南方地區(qū)，而90#瀝青適用于我國北方地區(qū)的情況是相符的。

圖5 不同改性瀝青的蠕變勁度Fig. 5 Creep stiffness of different modified asphalt

對于不同的瀝青牌號，根據(jù)圖6a可以看出，總體上而言，90#改性瀝青的蠕變速率高于70#改性瀝青，說明90#瀝青的低溫性能優(yōu)于70#瀝青，與前述結論相吻合。由圖6b和圖6c可知，同一試驗溫度條件下，改性瀝青的蠕變速率由大到小依次為：SBR改性瀝青、SBS改性瀝青、PE改性瀝青，即SBR改性瀝青的低溫性能最好。

圖6 不同改性瀝青的蠕變速率Fig. 6 Creep rate values of different modified asphalt

2.3.2 低溫感溫性分析

根據(jù)相關研究[16]，蠕變勁度指數(shù)可以表征瀝青的低溫感溫性，計算公式如下：

lgS=STST+C

(1)

式中：STS為蠕變勁度指數(shù)；T為試驗溫度；C為回歸常數(shù)。根據(jù)式(1)通過Origin軟件進行擬合計算，分析各種改性瀝青的低溫感溫性，結果如表2所示。

表2 不同改性瀝青的蠕變勁度指數(shù)Table 2 Creep stiffness indexes of different modified asphalt

蠕變勁度指數(shù)可以反映瀝青蠕變勁度的對數(shù)隨溫度變化的快慢，由表2可知，6種改性瀝青蠕變勁度的對數(shù)隨溫度由快到慢依次為70#PE改性瀝青、90#PE改性瀝青、90#SBS改性瀝青、70#SBS改性瀝青、70#SBR改性瀝青、90#SBR改性瀝青。因此，SBR改性瀝青的低溫穩(wěn)定性最好，而對于70# 改性瀝青和90#改性瀝青，除了PE改性瀝青，其余均是90#改性瀝青低溫穩(wěn)定性優(yōu)于70#改性瀝青，PE改性瀝青產(chǎn)生的結果偏差可能是由于PE改性瀝青在制備完成后相容性出現(xiàn)下降，即儲存穩(wěn)定性差所導致的試驗結果偏差。

3 結 論

1)通過溫度掃描試驗，依據(jù)得到的不同溫度下的黏彈性參數(shù)分析不同改性瀝青的高溫流變性能，試驗結果分析表明，PE改性瀝青和SBS改性瀝青的高溫性能較優(yōu)，SBR改性瀝青的高溫性能相對較差，SBR改性劑對基質瀝青高溫性能的改善效果甚微；同時，在高溫條件下，70#瀝青的性能要優(yōu)于90#瀝青。

2)通過頻率掃描試驗，探究同一溫度下不同加載頻率瀝青黏彈性參數(shù)的變化，試驗結果分析表明，在同一頻率下，各類改性瀝青抗車轍能力由強到弱依次是PE改性瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青，且70#改性瀝青的抗車轍能力要優(yōu)于90#改性瀝青。

3)在-12，-18，-24 ℃低溫條件下，通過彎曲梁流變試驗探究各類改性瀝青的低溫性能。從不同溫度下各類改性瀝青的蠕變勁度和蠕變速率得知，低溫性能由優(yōu)到劣依次為SBR改性瀝青、SBS改性瀝青、PE改性瀝青。