熱固性樹脂改性瀝青流變學(xué)探析

■許祥云

（宜春市公路事業(yè)發(fā)展中心，宜春 336000）

由于軸載增加、交通量增大、氣候環(huán)境變化，公路使用要求持續(xù)提升，公路建設(shè)行業(yè)對(duì)瀝青材料質(zhì)量的要求不斷提高。 為改善傳統(tǒng)瀝青材料的性能，研究者們使用不同的改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。 其中，抗剝落劑、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯（SBS）、橡膠粉和不同的廢舊材料用于瀝青改性成為研究熱點(diǎn)。

隨著世界人口增長(zhǎng)以及城市化進(jìn)程加快，廢棄物堆放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。 公路建設(shè)所需材料用量大，將廢舊材料作為道路瀝青的改性劑，為廢棄物的處理及循環(huán)利用提供了廣袤的市場(chǎng)。 張文才[1]選取高密度聚乙烯和低密度聚乙烯加入瀝青混合料中，研究結(jié)果表明：在高密度聚乙烯與低密度聚乙烯摻量相同時(shí)，兩者的瀝青混合料抗水損能力相同，而抗凍融循環(huán)能力低密度聚乙烯優(yōu)于高密度聚乙烯。 洪海等[2]對(duì)比了高密度聚乙烯—橡膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層與傳統(tǒng)應(yīng)力吸收層的應(yīng)力大小與裂縫數(shù)量，結(jié)果表明：高密度聚乙烯—橡膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層具有良好的溫度敏感性以及較低的溫度收縮系數(shù)，適宜在寒冷地區(qū)使用。 黃衛(wèi)東等[3]對(duì)包含高密度聚乙烯在內(nèi)的5 種工程中常見的改性瀝青進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果表明：8%摻量的高密度聚乙烯改性瀝青的黏附自愈合率達(dá)到97%，具有良好的抗凍融循環(huán)能力。

糠醛是半纖維素的重要衍生物， 且是呋喃類化學(xué)品的前體。 呋喃作為熱固性樹脂，在用于瀝青改性時(shí)具有良好的溫度敏感性和粘度。 目前關(guān)于其用于改性瀝青時(shí)的流變學(xué)性能研究較少。 本研究通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀以及低溫彎曲梁流變儀分析評(píng)價(jià)熱固性樹脂對(duì)瀝青的流變學(xué)影響，并基于Superpave 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱固性樹脂改性瀝青進(jìn)行高低溫等級(jí)分級(jí)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

研究采用岳陽(yáng)寶利70# 基質(zhì)瀝青，及金錦樂化工公司提供的熱固性樹脂及其催化劑。 基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能如表1 所示，熱固性樹脂及其催化劑性能如表2 所示。

表1 70# 基質(zhì)瀝青的物理性能

表2 熱固性樹脂及其催化劑性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熱固性樹脂改性瀝青的制備

將加熱至流動(dòng)狀態(tài)的70# 基質(zhì)瀝青倒入容器皿中，容器皿放入恒溫油浴鍋中恒溫至150℃。待溫度穩(wěn)定后，分別加入瀝青質(zhì)量4%、5%以及6%的熱固性樹脂，之后在剪切速度為3000 r/min 的高速剪切機(jī)下剪切5 min， 再加入熱固性樹脂質(zhì)量30%的催化劑，繼續(xù)剪切40 min。

依據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0609 以及T0630 對(duì)原樣瀝青分別進(jìn)行短期老化與長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，從而獲得流變學(xué)試驗(yàn)所需的樣品。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)

試驗(yàn)采用Anton-paar 的MCR 702e 型流變儀，將原樣瀝青澆入內(nèi)徑25 mm 的樹脂試模中，依據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0628 選定試驗(yàn)的應(yīng)力與應(yīng)變值，在儀器的溫度等級(jí)模式下測(cè)定熱固性樹脂改性瀝青的剪切模量與相位角，并計(jì)算出相應(yīng)的抗車轍因子G*/sin δ。

（2）低溫彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用ATS 的TE-BBR 型彎曲梁流變儀，將長(zhǎng)期老化的瀝青倒入內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)101.6 mm、寬12.7 mm、高6.4 mm 的試模中，試件成型后放入儀器設(shè)定溫度的無(wú)水乙醇中恒溫30 min， 之后依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0627 測(cè)定瀝青的蠕變勁度S 值與m 值。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

DSR 試驗(yàn)旨在表征瀝青在高溫下的抗車轍性能與中溫下的抗疲勞性能，通常來(lái)說，越高的剪切模量G*和越低的相位角δ 意味著瀝青擁有更好的抗車轍性能， 剪切模量G*表征瀝青抵抗永久變形的能力，相位角δ 表征瀝青的粘彈性能。 本研究在58℃～76℃間，溫度每上升6℃，測(cè)定原樣瀝青的高溫流變性能。 由圖1 可知，熱固性樹脂改性瀝青的剪切模量遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青； 隨著樹脂摻量的增加，瀝青的剪切模量增大。 由圖2 可知，熱固性樹脂降低了瀝青的相位角；在58℃、64℃以及70℃下，6%的樹脂改性瀝青相位角同比基質(zhì)瀝青分別減小9.5%、8.7%以及6.8%。 上述結(jié)果表明：熱固性樹脂有助于增加瀝青的彈性成分，從而提高瀝青的抗車轍能力；溫度較低時(shí)，熱固性樹脂對(duì)瀝青的彈性影響更大。

圖1 原樣瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量

圖2 原樣瀝青的相位角

2.2 低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

BBR 試驗(yàn)通常用于評(píng)價(jià)瀝青在低溫條件下的抗開裂能力，通常來(lái)說，越高的蠕變勁度S 值和越低的m 值意味著瀝青擁有更好的低溫性能[4]。 由圖3和圖4 可知，隨著溫度的降低，S 值增大而m 值減小，這表明瀝青受到了低溫?fù)p傷。 隨著熱固性樹脂摻量的增加，S 值增大而m 值減小， 這表明熱固性樹脂降低了瀝青的低溫蠕變性能。 已有研究表明，樹脂類外摻劑使瀝青變硬變脆，從而降低瀝青在低溫條件下的應(yīng)力松弛能力[5]。 此外，由圖3 中的斜率變化可知，熱固性樹脂改性瀝青在不同溫度下的溫度敏感性不同。 在-12℃～-18℃區(qū)間，瀝青的溫度敏感性較高；在-18℃～-24℃區(qū)間，瀝青的溫度敏感性顯著降低。 這表明熱固性樹脂改性瀝青的最不利低溫條件位于-12℃～-18℃區(qū)間。

圖3 原樣瀝青的蠕變勁度S

圖4 原樣瀝青的m 值

2.3 Superpave 瀝青分級(jí)結(jié)果分析

美國(guó)Superpave 的瀝青路用性能評(píng)價(jià)不僅適用于普通瀝青， 也適用于改性瀝青。 通常用PG X-Y來(lái)表示，X 表示瀝青的高溫等級(jí)，Y 表示瀝青的低溫等級(jí)。 其中高溫等級(jí)對(duì)應(yīng)DSR 試驗(yàn)從46℃～82℃間，每6℃一檔，低溫等級(jí)從-10℃～-46℃間，每-6℃一檔。 采用圖1 和圖2 的數(shù)據(jù)計(jì)算車轍因子如圖5所 示，Superpave 規(guī) 定 原 樣 瀝 青 的G*/sinδ 在 小 于1 kPa 時(shí)，瀝青失去抵抗高溫的能力，簡(jiǎn)稱為失效溫度。由圖5 可知，基質(zhì)瀝青在70℃時(shí)達(dá)到失效溫度，而3 種摻量的熱固性樹脂改性瀝青都在76℃時(shí)才失效。 因此，基質(zhì)瀝青的高溫等級(jí)為64℃，3 種摻量的熱固性樹脂改性瀝青的高溫等級(jí)為70℃。Superpave 規(guī)定S≥300 MPa 且m≤0.3 時(shí)，瀝青失去抵抗低溫的能力，在瀝青失去抵抗低溫能力的溫度上減去10℃即為低溫等級(jí)。 由圖3 和圖4 可知，基質(zhì)瀝青的低溫等級(jí)為-22℃，3 種摻量的熱固性樹脂改性瀝青在-12℃時(shí)的S 值與m 值都不滿足要求，因此低溫等級(jí)為-16℃。 4 種瀝青的PG 等級(jí)如表3所示。 結(jié)合我國(guó)氣候分布條件，推薦在南方高溫地區(qū)使用熱固性樹脂改性瀝青。

圖5 原樣瀝青的車轍因子

表3 瀝青的PG 等級(jí)

3 結(jié)論

呋喃是一種熱固性樹脂，關(guān)于其用于改性瀝青時(shí)的流變學(xué)性能研究較少。 本研究通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀以及低溫彎曲梁流變儀分析評(píng)價(jià)熱固性樹脂對(duì)瀝青的流變學(xué)影響， 并基于Superpave 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱固性樹脂改性瀝青進(jìn)行高低溫等級(jí)分級(jí)。 主要得到以下結(jié)論：（1）在58℃、64℃以及70℃下6%的樹脂改性瀝青相位角同比基質(zhì)瀝青分別減小9.5%、8.7%以及6.8%，表明熱固性樹脂可以改善瀝青的抗永久變形能力與粘彈性能，且在溫度較低時(shí)對(duì)瀝青的彈性影響更大。 （2）隨著熱固性樹脂摻量的增加，瀝青的蠕變勁度S 值增大而m 值減小。 熱固性樹脂會(huì)降低瀝青的低溫性能，且其改性瀝青的最不利低溫條件位于-12℃～-18℃區(qū)間。（3）Superpave 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的研究結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青與熱固性樹脂改性瀝青的高低溫等級(jí)分別為64-22 與70-16。 結(jié)合我國(guó)氣候分布條件，推薦在南方高溫地區(qū)使用熱固性樹脂改性瀝青。