不同剪切溫度下改性瀝青高溫流變性能試驗(yàn)研究

劉庭凱

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 概述

瀝青是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的路面材料，但基質(zhì)瀝青的常規(guī)性能和流變性能存在著較大的不足，尤其在高溫環(huán)境下，普通基質(zhì)瀝青極易發(fā)生老化，且其高溫流變指標(biāo)如復(fù)數(shù)剪切模量等均會(huì)出現(xiàn)下降，可能會(huì)不滿足規(guī)范要求。因此,在實(shí)際工程中，常對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。目前常用的改性劑有聚合物改性、纖維改性、納米改性等[1]。SBS改性基質(zhì)瀝青是目前工程當(dāng)中最常用的一種手段，盡管其性能較好，但造價(jià)昂貴，因此有關(guān)專家一直在尋找一種新型改性材料替代SBS改性。硅藻土盛產(chǎn)于我國(guó)東北地區(qū)，其造價(jià)較低，施工方便，且硅藻土改性瀝青具有良好的抗老化性能，可以提高瀝青的高溫性能，因此作為一種常用瀝青改性劑被廣泛研究。

目前，已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，郭建等人研究了硅藻土改性瀝青，并對(duì)其進(jìn)行了常規(guī)性能試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土改性瀝青感溫性能較好，相較于基質(zhì)瀝青其高溫性能有所提高[2]。黃維蓉等人發(fā)現(xiàn)硅藻土負(fù)載環(huán)氧改性瀝青具有優(yōu)異的高低溫性能，并且完全滿足工程需要，且成本較低[3]。方四發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，摻入一定量的硅藻土，可以降低瀝青混合料的損失以及提高混合料的路用性能，并且對(duì)其高低溫性能有一定的提高[4]。傅海龍研究了硅藻土對(duì)溫拌瀝青性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著摻量的增加，其高溫性逐漸提高，而低溫性能先升后降[5]。路憲法等人發(fā)現(xiàn)硅藻土中的SiO2對(duì)瀝青混合料的高低溫以及水穩(wěn)定性起著關(guān)鍵的作用，并探究了其最小摻量[6]。張君韜等人研究了硅藻土改性瀝青的高低溫性能及抗老化性能，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最后找出硅藻土含量與瀝青性能之間的關(guān)系[7]。王振宏研究了硅藻土/BRA巖瀝青復(fù)合改性瀝青的常規(guī)性能以及混合料性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硅藻土的摻入可以顯著提高瀝青抗剪切能力，并且確定了兩種材料摻入瀝青混合料中的最佳摻量[8]。宋書彬研究發(fā)現(xiàn)硅藻土和玄武巖纖維都可以改善瀝青混合料的高溫和低溫性能，其中，硅藻特改性作用更為顯著[9]。吳慶云等人研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土的加入，可以改善瀝青混合料的拌合溫度，同時(shí)也可以提高其性能[10]。

本文研究了在不同剪切溫度下硅藻土改性瀝青高溫性能的變化規(guī)律，在改性瀝青的制備過(guò)程中，剪切速率為4 000 r/min，剪切時(shí)間為60 min，剪切溫度為135 ℃，145 ℃，155 ℃，165 ℃和175 ℃，剪切制備了相應(yīng)的硅藻土改性瀝青，利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)硅藻土改性瀝青進(jìn)行60 ℃下的頻率掃描，從而得出高溫流變的兩個(gè)參數(shù)：復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，對(duì)其進(jìn)行分析，從而探究其高溫流變性能。

2 原材料及試驗(yàn)方案

2.1 原材料

本文使用的瀝青為90號(hào)基質(zhì)瀝青，參照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。選用東北地區(qū)生產(chǎn)的高性能硅藻土，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性能

表2 硅藻土技術(shù)性能

2.2 試驗(yàn)樣品的制備

硅藻土采用干拌的方式與瀝青進(jìn)行混合，首先將瀝青質(zhì)量5%的硅藻土加入到基質(zhì)瀝青中，在150 ℃的溫度條件下攪拌20 min，接著利用高速剪切機(jī)進(jìn)行剪切改性，剪切速率為4 000 r/min，剪切時(shí)間為60 min，剪切溫度為135 ℃，145 ℃，155 ℃，165 ℃和175 ℃。剪切結(jié)束后，將制備好的改性瀝青置于135 ℃的條件下靜置30 min，然后將其冷卻最終得到硅藻土改性瀝青。試驗(yàn)樣品如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)方法

本文利用的動(dòng)態(tài)剪切流變儀為德國(guó)Anton Pear公司生產(chǎn)的高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀。試驗(yàn)為利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀分別對(duì)不同剪切溫度下的硅藻土改性瀝青在60 ℃的條件下進(jìn)行頻率掃描，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，瀝青材料在較低應(yīng)力作用下易呈現(xiàn)出黏彈性規(guī)律。在頻率掃描中，對(duì)瀝青樣品施加震蕩的應(yīng)變。當(dāng)處于高頻荷載狀態(tài)下時(shí)，瀝青彈性部分所產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)比黏性部分所產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)要大。當(dāng)頻率足夠高時(shí)，達(dá)到了其黏性部分可以忽略不計(jì)，瀝青相當(dāng)于固體。當(dāng)處于低頻荷載狀態(tài)下時(shí),瀝青彈性部分所產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)比黏性部分所產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)要小。當(dāng)頻率足夠低時(shí)，達(dá)到了其彈性部分可以忽略不計(jì)，瀝青相當(dāng)于液體。因頻率掃描對(duì)探究瀝青黏彈性具有重要的意義。本文頻率掃描試驗(yàn)加載頻率為0.1 rad/s～100 rad/s，應(yīng)變?cè)O(shè)為1%，采用25 mm的試驗(yàn)轉(zhuǎn)子，試驗(yàn)板間隙為(1.000±0.005) mm，得出了評(píng)價(jià)瀝青特性的必要參數(shù)-復(fù)數(shù)剪切模量(|G*|)和相位角(δ)，利用兩參數(shù)分析其高溫性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)頻率掃描試驗(yàn)是研究材料在模擬車輛荷載動(dòng)態(tài)加載情況下的黏彈性變化情況，通過(guò)改變不同的荷載作用頻率，研究瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角等流變參數(shù)。動(dòng)態(tài)頻率掃描是在某一確定的溫度下進(jìn)行一系列加載頻率對(duì)試件施加應(yīng)變荷載，獲得材料在線性黏彈范圍內(nèi)的復(fù)數(shù)剪切模量響應(yīng)。

3.1 復(fù)數(shù)剪切模量

復(fù)數(shù)剪切模量G*是瀝青在受到動(dòng)態(tài)荷載作用下應(yīng)力與應(yīng)變之比，它表征了材料受到重復(fù)剪切作用時(shí)抵抗變形能力的大小，G*值越大，材料的高溫穩(wěn)定性越好，同時(shí)，材料的低溫流動(dòng)性與抗裂性就越差；相位角δ是材料受到應(yīng)力與其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變之后，它表征了瀝青材料的黏彈性比例，相位角δ越小，證明瀝青更接近于彈性體，當(dāng)施加的荷載撤消后，材料更容易恢復(fù)變形，反之則更接近于黏性體。以頻率為橫坐標(biāo)，復(fù)數(shù)剪切模量和相位角為縱坐標(biāo)，繪制了在不同剪切溫度下硅藻土改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角變化圖，如圖2，圖3所示。

由圖2可知，隨著角頻率的增加，硅藻土改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量逐漸升高，在不同剪切溫度條件下其趨勢(shì)相同。在相同角頻率下，復(fù)數(shù)模量隨著溫度升高而減小，在同一角頻率的條件下，當(dāng)其他所有的條件不變時(shí)，隨著剪切溫度的升高，硅藻土改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量先升高后降低。當(dāng)剪切溫度為135 ℃和175 ℃時(shí)，復(fù)數(shù)剪切模量基本相同。這可能是由于溫度過(guò)低硅藻土沒(méi)有充分剪切均勻，而溫度過(guò)高，高溫可能會(huì)破壞改性瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可能使瀝青出現(xiàn)了一定的局部老化，使其性能有所下降，從而出現(xiàn)在這兩個(gè)溫度條件下復(fù)數(shù)剪切模量大致相同。而當(dāng)剪切溫度為155 ℃時(shí)，硅藻土改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量達(dá)到了最高，也就意味著此改性瀝青抗變形能力最強(qiáng)，在這種溫度條件下改性瀝青高溫性能最好。這可能是由于瀝青的溫度敏感性較強(qiáng)，在155 ℃時(shí)，此溫度下硅藻土在瀝青中能夠充分剪切均勻，使得硅藻土可以充分融入瀝青中，并且更好的發(fā)揮出其性能。由此可見(jiàn)，在為了剪切得出最好的溫度方面，溫度較低和溫度較高都會(huì)使其性能有所下降，反而不能充分達(dá)到改性的目的。155 ℃為最佳的剪切溫度。

3.2 相位角

由圖3可知，隨著角頻率的增加，硅藻土改性瀝青的相位角逐漸降低，且在各溫度條件下趨勢(shì)相同；在同一角頻率的條件下，當(dāng)其他條件都不變時(shí)，隨著剪切溫度的升高，硅藻土改性瀝青的相位角先降低后升高，當(dāng)剪切溫度為175 ℃時(shí)，相位角最大，證明瀝青在這個(gè)溫度條件下進(jìn)行剪切后，改性瀝青的彈性成分減少，對(duì)應(yīng)著改性瀝青中黏性成分增多，瀝青變硬，流動(dòng)性降低，可能是在此溫度下剪切，瀝青發(fā)生了局部老化，老化過(guò)程為輕質(zhì)組分向硬質(zhì)組分發(fā)生轉(zhuǎn)變，瀝青硬度增大，因此老化后的瀝青在與硅藻土的融合程度有所降低，改性瀝青性能因此而降低。當(dāng)剪切溫度為155 ℃時(shí)，硅藻土改性瀝青的相位角達(dá)到了這五種情況下的最低值，也就意味著在155 ℃的溫度下剪切，改性瀝青的彈性成分相較其他四組最多，改性瀝青抗變形能力最好，流動(dòng)性能最強(qiáng)，即改性瀝青高溫性能最好。這與之前根據(jù)復(fù)數(shù)剪切模量得出的結(jié)果一致，在155 ℃下硅藻土與瀝青改性效果最好，具有優(yōu)異的高溫性能，因此155 ℃為最佳的剪切溫度。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同剪切溫度下的硅藻土改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到的主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)頻率掃描試驗(yàn)，對(duì)硅藻土改性瀝青進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同的剪切溫度會(huì)使其性能發(fā)生一定的改變，而且隨著溫度的升高，其改性瀝青的高溫性能先上升后下降，存在一個(gè)最佳的剪切溫度。

2)相比于其他剪切溫度下的硅藻土改性瀝青，155 ℃下的改性瀝青擁有最高的復(fù)數(shù)剪切模量和最低的相位角，其高溫性能最好。同時(shí)在實(shí)際施工過(guò)程中，155 ℃是一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的溫度條件，相較于更高溫的改性與拌合，既節(jié)約了成本，又充分發(fā)揮了改性瀝青的性能。

3)通過(guò)此次試驗(yàn)，找出了最佳的剪切溫度，最佳制備工藝為：溫度為155 ℃，采用4 000 r/min速率，高速剪切60 min。