高吸水性樹(shù)脂(SAP)對(duì)瀝青黏度及力學(xué)性能的影響

吳昊，孫雨軒，宋衛(wèi)民，詹易群

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

高吸水樹(shù)脂(SAP)是一種由高分子骨架以及具有吸水性官能團(tuán)共同組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物，它具有極強(qiáng)的吸水性能和保水性能，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、路基土處理等領(lǐng)域[1-3]。目前，SAP 在工程方面主要用作水泥混凝土材料[4-6]。焦賀軍等[7]通過(guò)研究不同水灰比下SAP對(duì)膠漿自由收縮性能性能的影響，發(fā)現(xiàn)SAP 可以作為有效的減縮輔助材料。RIYAZI 等[8]使用高分辨率平板掃描和圖像研究SAP 與常規(guī)引氣劑的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)不同劑量和狀態(tài)的SAP 與傳統(tǒng)引氣劑相比能夠產(chǎn)生滿足尺寸以及分布要求的空隙。陳剛[9]研究了不同種類(lèi)、不同粒徑、不同摻量的SAP 對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。LEI等[10]將SAP添加到高性能混凝土中作內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，有效減少了高性能混凝土的收縮帶來(lái)的影響。XIE等[11]研究了高吸水樹(shù)脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土(SAP混凝土)不同力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系，研究了不同內(nèi)養(yǎng)護(hù)水灰比下SAP 混凝土的單軸力學(xué)性能。SAP 在水泥混凝土中還有一個(gè)重要作用，就是能在裂縫中快速膨脹并預(yù)先堵住裂縫，在干濕交替環(huán)境中促進(jìn)水泥混凝土自愈合。HUANG等[12]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SAP 在水泥基復(fù)合材料齡期較小時(shí)，可以促進(jìn)未水化的水泥水化，實(shí)現(xiàn)自愈合。OLIVIER 等[13]發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅與SAP 復(fù)合使用可有效減緩混凝土內(nèi)的塑性裂縫的開(kāi)展。YANG等[14]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SAP 在較高濃度NaCl 溶液中能夠再膨脹并有效堵塞裂縫，有效提高了預(yù)開(kāi)裂水泥基材料的抗水滲透性能，同時(shí)，緩解了裂縫處鋼纖維的腐蝕。

SAP 在瀝青混凝土材料中可以作為溫拌添加劑使用。牟凱[15]選取2種高吸水樹(shù)脂作為溫拌添加劑，通過(guò)理論分析以及室內(nèi)試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了降低拌合與成型溫度為20 ℃左右的溫拌效果。袁曉斌[16]將高吸水樹(shù)脂溫拌劑(Wsap)與國(guó)內(nèi)外常用的溫拌劑Sasibot，Aspha-min 和Evotherm 進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高吸水樹(shù)脂溫拌劑(Wsap)沒(méi)有提高瀝青混合料疲勞性能，但瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、抗車(chē)轍性均明顯提高，且其成本最低，環(huán)保性能最好。孫遜[17]將SAP 砂漿摻入到大孔隙瀝青混合料中，對(duì)保水路面材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻入SAP 砂漿后，大孔隙瀝青混合料的強(qiáng)度和低溫性能有所提高，水穩(wěn)性能沒(méi)有影響，抗滑性能降低，該材料具有優(yōu)異的路用性能、保水性能和降溫性能。以上研究均利用了SAP 具有極強(qiáng)的吸水性以及保水性能的特點(diǎn)。當(dāng)SAP 作為溫拌劑使用時(shí)，混合料拌和時(shí)的高溫使其預(yù)吸收的水分蒸發(fā)，從而在瀝青內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡，降低瀝青的黏度，達(dá)到溫拌的目的。

已有研究表明，當(dāng)SAP 作為溫拌劑加入到瀝青混合料中時(shí)，由于SAP吸水過(guò)多導(dǎo)致體積過(guò)大，影響其在瀝青中均勻分散；同時(shí)，吸水量過(guò)多的SAP 在拌合時(shí)會(huì)使瀝青混合料內(nèi)部含有水分，這也會(huì)對(duì)瀝青混合料的力學(xué)特性產(chǎn)生不利影響。為此，本文采用SAP 等體積替代礦粉的方法，通過(guò)布氏黏度試驗(yàn)探討預(yù)吸水SAP 替代礦粉的最佳比例，對(duì)摻加SAP 后的瀝青膠漿高、低溫性能進(jìn)行研究，并研究SAP 對(duì)瀝青膠漿與集料之間黏附性的影響。

1 試驗(yàn)材料

1) 瀝青。瀝青為中國(guó)石化股份有限公司茂名分公司提供的70號(hào)道路石油瀝青，其主要性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 瀝青基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of asphalt

2) 礦粉。試驗(yàn)用礦粉為石灰石礦粉，在25 ℃時(shí)其pH為7.5，表觀相對(duì)密度為2.7 g/cm3，公稱(chēng)粒徑為8.1 μm。

3) 高吸水樹(shù)脂(SAP)。高吸水樹(shù)脂產(chǎn)自勝利油田長(zhǎng)安控股集團(tuán)有限公司，其主要化學(xué)成分是低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉88%(其中鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.5%)，水8%～10%，交聯(lián)劑0.5%～1.0%。其生產(chǎn)步驟為：① 在冰水浴條件下，計(jì)量好的丙烯酸(AA)與NaOH反應(yīng)，生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、酸堿中和度為80%的NaAA溶液；② 向NaAA溶液中加入適量的過(guò)硫酸鉀(KPS)以及交聯(lián)劑(丙三醇和N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺)；③ 將混合溶液倒入另一個(gè)干凈燒杯中，利用氮?dú)鈱锌諝馀趴蘸筮M(jìn)行封閉處理；④ 將含有混合溶液燒杯放入溫度為70 ℃的水浴中充分加熱2 h，將產(chǎn)物在100 ℃時(shí)充分烘干后研磨至粒度為0.075 mm備用[18]。SAP技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 SAP技術(shù)指標(biāo)Table 2 Basic properties of SAP

2 試驗(yàn)方法

2.1 紅外光譜試驗(yàn)

由于物質(zhì)在經(jīng)過(guò)紅外光照射時(shí)其內(nèi)部的分子或者官能團(tuán)會(huì)吸收不同頻率的紅外光[19]，因此，可以通過(guò)紅外光譜試驗(yàn)(FT-IR)得到物質(zhì)的紅外特征吸收峰的位置、數(shù)目、強(qiáng)度、形狀等參數(shù)，進(jìn)而推斷出試樣物質(zhì)的類(lèi)別和性質(zhì)。

試驗(yàn)采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試，方法為反射法，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32 次。通過(guò)對(duì)基質(zhì)瀝青以及添加了SAP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的瀝青的紅外光譜進(jìn)行分析，研究SAP 加入瀝青后是否有化學(xué)反應(yīng)以及是否有新的官能團(tuán)產(chǎn)生。

2.2 布氏黏度試驗(yàn)

布氏黏度試驗(yàn)溫度分別采用135，150，165以及180 ℃。QIU等[20]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉膠比為0.8～1.2 時(shí)，瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性較強(qiáng)，同時(shí)，低溫抗裂性下降不大，因此，試驗(yàn)中粉膠比取1.0。令SAP 等體積替代0，10%，20%，30%以及40%的礦粉，同時(shí)，為了研究SAP 吸水后對(duì)瀝青膠漿的降黏程度，令SAP 在每一種替代比例下分別吸收SAP 自身質(zhì)量的1 倍、3 倍以及5 倍的水。布氏黏度試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，吸水后的SAP形態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)吸水的SAP形態(tài)Fig.1 Morphologies of pre-absorbent SAP

表3 粘度試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Viscosity test design

試驗(yàn)結(jié)果表明，將吸水后的SAP 加入瀝青中后會(huì)立即產(chǎn)生大量氣泡。為了減少氣泡在瀝青膠漿制備過(guò)程中的損失，對(duì)布氏黏度進(jìn)行試驗(yàn)研究，試樣的制備過(guò)程見(jiàn)圖2，詳細(xì)步驟如下：1) 將基質(zhì)瀝青加熱至165 ℃使其融化；2) 稱(chēng)取符合試驗(yàn)要求質(zhì)量的礦粉，一邊用玻璃棒攪拌一邊加入到瀝青中，全部加入后繼續(xù)用玻璃棒充分?jǐn)嚢?0 min；3) 將攪拌后的瀝青膠漿放入高速運(yùn)轉(zhuǎn)的剪切機(jī)，采用4 500 r/min 轉(zhuǎn)速繼續(xù)剪切1 h；4) 制備溫度降低至130 ℃后，將吸水后的SAP 加入到瀝青膠漿中，高速剪切5 min；5) 將制備的瀝青膠漿迅速倒入布氏黏度盛樣桶，在目標(biāo)試驗(yàn)溫度下開(kāi)展試驗(yàn)。

圖2 黏度試驗(yàn)試樣的制備過(guò)程Fig.2 Preparation processes of specimen in viscosity test

在將瀝青膠漿倒入盛樣桶時(shí)，為了防止高溫測(cè)試時(shí)瀝青發(fā)泡體積膨脹進(jìn)而造成瀝青溢出的情況，應(yīng)注意瀝青膠漿倒入盛樣桶的用量為盛樣桶體積的1/4至1/3。在測(cè)試過(guò)程中，記錄黏度在達(dá)到穩(wěn)定后的最小值，以60 s為間隔共記錄3次。

2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)

采用DSR 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)瀝青膠漿的高溫流變性能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ和抗車(chē)轍因子G*/sinδ。復(fù)數(shù)剪切模量G*是峰值剪應(yīng)力與峰值剪應(yīng)變的比值，由表征彈性性能的儲(chǔ)能模量G′和黏性性能的損耗模量G″兩部分組成，表征瀝青膠漿受到重復(fù)荷載時(shí)抵抗變形的能力；相位角δ反映峰值剪應(yīng)力所產(chǎn)生的峰值剪應(yīng)變的時(shí)間滯后，δ越小代表瀝青膠漿的彈性越強(qiáng)，反之則黏性越強(qiáng)；抗車(chē)轍因子G*/sinδ也是反映瀝青膠漿永久變形的指標(biāo)，G*/sinδ越大，則瀝青膠漿的高溫抗變形能力越強(qiáng)[21]。

采用Anton Paar SmartPave102型動(dòng)態(tài)剪切流變儀分別對(duì)SAP 等體積替代0，10%，20%，30%和40%礦粉的瀝青膠漿進(jìn)行溫度掃描和頻率掃描。在制備試樣時(shí)，需要將瀝青膠漿中的水分完全蒸干，防止氣泡對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制方法，以正弦波的形式加載，均采用直徑為25 mm的圓形平板，平板與底座間距為1 mm。

1) 溫度掃描，試驗(yàn)溫度為40～90 ℃(加熱速率為2 ℃/min)，采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變?yōu)?2%，頻率為10 rad/s。

2) 頻率掃描，試驗(yàn)溫度為46，58 以及70 ℃。在相同溫度下，施加頻率范圍為0.1～100 Hz。

2.4 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

彎曲梁流變?cè)囼?yàn)利用60 s加載時(shí)蠕變勁度S和蠕變速率m來(lái)反映瀝青膠漿的低溫抗裂性能。其中，S反映了瀝青膠漿低溫下抵抗恒載的能力，m反映了瀝青膠漿低溫敏感性以及應(yīng)力松弛能力。S越小、m越大，說(shuō)明瀝青膠漿抵抗變形能力越強(qiáng)，韌性越強(qiáng)，瀝青膠漿的抗低溫開(kāi)裂能力越強(qiáng)[22]。S是關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)：

式中：S(t)為t時(shí)刻的蠕變勁度；P為跨中荷載；L為梁跨長(zhǎng)度，為102 mm；b為梁寬，為6.35 mm；h為梁高，為12.7 mm；u(t)為t時(shí)刻的形變。t時(shí)刻的蠕變速率m(t)為

式中：p為lg[S(t)]與lgt關(guān)系曲線的斜率。

彎曲梁流變?cè)囼?yàn)采用彎曲流變儀進(jìn)行測(cè)試。在-9，-12，-15以及-18 ℃這4種溫度下研究SAP等體積替代0，10%，20%，30%和40%的礦粉對(duì)瀝青膠漿低溫抗裂性能的影響。

2.5 瀝青與集料黏附性試驗(yàn)

采用水煮法對(duì)SAP等體積替代0，10%，20%，30%以及40%礦粉的瀝青膠漿與集料進(jìn)行黏附性試驗(yàn)，觀察SAP 的加入對(duì)瀝青膠漿與集料之間黏附性的影響。試驗(yàn)步驟如下：在每個(gè)比例下各選取5個(gè)干燥潔凈接近立方體的規(guī)則集料，放置于溫度為(105±5) ℃的烘箱中加熱1 h，再在熱瀝青中放置45 s，瀝青裹覆均勻后再放置在試驗(yàn)架上冷卻15 min。待集料冷卻后放入提前準(zhǔn)備好的微沸狀態(tài)的水中加熱3 min，最后再放入盛有常溫水的燒杯中，觀察瀝青膠漿與集料之間的黏附情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 紅外光譜分析

瀝青紅外光譜結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% SAP 的瀝青與基質(zhì)瀝青的紅外光譜高度相似，其中，2 923～2 852 cm-1處的峰是由亞甲基中C—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征峰，1 601 cm-1處的峰是由瀝青中的非對(duì)稱(chēng)苯環(huán)呼吸振動(dòng)產(chǎn)生的低強(qiáng)度特征峰，1 461 cm-1處的峰是亞甲基(—CH2—)剪式振動(dòng)產(chǎn)生的特征峰，1 376 cm-1處的峰是甲基(—CH3—)傘式振動(dòng)產(chǎn)生的特征峰；在末端，有4 個(gè)微弱的特征峰，分別是1 031 cm-1處亞砜基(S=O)伸縮振動(dòng)、866 cm-1處苯環(huán)伸縮振動(dòng)、746 cm-1處芳香族支鏈彎曲振動(dòng)、722 cm-1處烷烴彎曲振動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰[23]。通過(guò)對(duì)比添加了10% SAP的瀝青與基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)：雖然SAP添加的質(zhì)量少，但仍在2 940，1 563以及1 044 cm-1處的峰受到SAP特征峰的影響；添加了10% SAP 的瀝青特征峰曲線斜率變大，但沒(méi)有新的特征峰產(chǎn)生。因此，可以認(rèn)為SAP 的加入沒(méi)有與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沒(méi)有形成新的官能團(tuán)，瀝青與SAP之間僅僅發(fā)生了物理共混。

圖3 瀝青紅外光譜結(jié)果Fig.3 Infrared spectrum results of asphalt

3.2 SAP對(duì)瀝青膠漿黏度的影響

3.2.1 瀝青膠漿黏度分析

試驗(yàn)首先對(duì)比了SAP 等體積替代10%，20%，30%和40%礦粉并分別吸收1 倍、3 倍、5 倍水時(shí)的黏度，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知：1) 在135 ℃時(shí)，隨著吸水量增多，瀝青膠漿黏度呈先降低后增高的趨勢(shì)；2) 在150 ℃且當(dāng)SAP 等體積替代10%和20%的礦粉時(shí)，瀝青膠漿的黏度隨著吸水量增多呈下降趨勢(shì)，但在替代30%和40%的礦粉時(shí)，瀝青膠漿的黏度呈先降低后增高的趨勢(shì)；3) 當(dāng)溫度超過(guò)165 ℃時(shí)，瀝青膠漿的黏度隨著吸水量增多均呈下降趨勢(shì)，礦粉吸收1 倍水增加到吸收3 倍水時(shí)，黏度普遍降幅20%以上，礦粉吸收3倍水到吸附5倍水時(shí)降幅明顯變小，黏度大多小于10%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸?35 ℃吸收5倍水時(shí)，吸水量過(guò)多，再加上瀝青膠漿本身溫度不高，用于水分蒸發(fā)的熱量顯著下降瀝青膠漿的溫度，造成黏度不降反升；在150 ℃時(shí)，SAP 的替代量超過(guò)20%且吸收5 倍水，SAP 的含量大且吸水總量多，水分用于蒸發(fā)的熱量也會(huì)影響瀝青的黏度；在溫度大于165 ℃時(shí)，雖然此時(shí)SAP吸收5倍水仍然可以繼續(xù)降低瀝青膠漿的黏度，但降幅不明顯，5倍水的作用不明顯。由上述分析可知：當(dāng)SAP 吸收了自身質(zhì)量的3倍水時(shí)降黏效果最明顯，吸收5倍水時(shí)，雖然溫度大于165 ℃后仍能夠降低瀝青膠漿的黏度，但用水量過(guò)多會(huì)造成瀝青膠漿溫度下降過(guò)大，同時(shí)，考慮到水分過(guò)多釋放時(shí)間長(zhǎng)，在后續(xù)拌合和壓實(shí)中會(huì)造成部分水分不能夠及時(shí)蒸發(fā)而殘留，這就會(huì)造成瀝青混合料的強(qiáng)度下降。因此，SAP吸收自身質(zhì)量3倍水時(shí)效果最好。

圖4 不同SAP替代比例時(shí)的黏度Fig.4 Viscosities under different SAP substitution ratios

SAP吸收3倍水時(shí)，不同替代比例的黏度變化見(jiàn)圖5。由圖5 可知：當(dāng)SAP 替代10%的礦粉時(shí)，與純礦粉相比，在135，150，165和180 ℃時(shí)黏度分別降低66.4%，61.66%，54.11%和57.95%，這說(shuō)明在瀝青膠漿中加入吸水后的SAP 可以有效地降低瀝青膠漿的黏度，改善拌合效果，且溫度越低，改善效果越明顯。為了比較SAP 替代礦粉的比例對(duì)礦粉黏度的影響，對(duì)135 ℃時(shí)礦粉黏度變化進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6 可見(jiàn)：當(dāng)SAP 替代10%，20%，30%和40%的礦粉時(shí)，其黏度分別降低66.4%，73.4%，73.7%和71.1%，降黏效果在SAP 替代20%礦粉時(shí)迅速提高，替代30%時(shí)降黏效果達(dá)到最佳，但替代40%時(shí)效果減弱。其原因可能是吸水后的SAP 本身為冷料，當(dāng)SAP 替代礦粉超過(guò)30%時(shí)會(huì)造成冷料的量過(guò)多，加入到熱瀝青中后會(huì)顯著降低瀝青的溫度，這就使其降黏的效果下降。為了充分發(fā)揮SAP 的降黏作用，其替代礦粉的量應(yīng)為20%～30%。

圖5 SAP吸收3倍水后不同替代比例的黏度變化圖Fig.5 Variation diagram of viscosity of SAP absorbing three times water in different proportions of substitution

圖6 135 ℃下不同SAP替代比例黏度變化Fig.6 Variation of viscosity of different SAP substitution ratios at 135 ℃

3.2.2 降黏原理分析

SAP 是一種高分子聚合材料，分子之間呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有很多羧基(—COO—)、羥基(—OH)等親水官能團(tuán)，當(dāng)SAP 與水接觸時(shí)，其內(nèi)部親水官能團(tuán)電離與水分子結(jié)合形成氫鍵，這可以吸收大量水分。在吸水過(guò)程中，SAP 內(nèi)部與水溶液會(huì)產(chǎn)生較大滲透勢(shì)差，外部的水分會(huì)源源不斷地被SAP 吸收，與此同時(shí)，SAP 電解的正離子呈游離狀態(tài)，負(fù)離子仍固定在三維網(wǎng)鏈中，這使相鄰的負(fù)離子產(chǎn)生斥力，引起高分子網(wǎng)格膨脹，SAP 體積也會(huì)因此膨脹，分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)眼也會(huì)繼續(xù)吸收水分[24]。

由于SAP 具有很強(qiáng)的吸水保水特性，因此，預(yù)先吸收的水分可以完整地保存在SAP 中。向已經(jīng)加熱的瀝青中加入含有水分的SAP并充分?jǐn)嚢?，SAP 中的冷水(室溫)與熱瀝青(165 ℃)接觸發(fā)生熱量交換，將水加熱到100 ℃，同時(shí)，瀝青冷卻，瀝青傳遞的熱量超過(guò)了水的蒸發(fā)潛熱，水從SAP 中釋放出來(lái)變成水蒸氣，在瀝青中膨脹產(chǎn)生泡沫，此時(shí)，瀝青的比表面積增大，黏度降低。預(yù)先吸水的SAP發(fā)泡過(guò)程如圖7所示。SAP中所含的水分經(jīng)過(guò)若干階段逐漸揮發(fā)而不是立即完全揮發(fā)掉，因此，在瀝青降溫至100 ℃前均有泡沫產(chǎn)生，這在后期可以極大提高施工的和易性，延長(zhǎng)施工時(shí)間。

圖7 預(yù)先吸水的SAP發(fā)泡過(guò)程Fig.7 Pre-absorbent SAP causes bubbles to form in the asphalt

3.3 SAP對(duì)瀝青膠漿流變性能的影響

3.3.1 溫度掃描結(jié)果分析

SAP 等體積替代0，10%，20%，30%和40%礦粉的瀝青膠漿的G*，δ和G*/sinδ的變化見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)：隨著溫度增加，G*/sinδ呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明溫度升高會(huì)削弱瀝青的抗車(chē)轍能力；在相同溫度下，當(dāng)SAP等體積替代礦粉后，G*和G*/sinδ除了在替代10%時(shí)有微弱提升外，其余比沒(méi)有替代礦粉時(shí)的小，且隨著替代量增多，G*和G*/sinδ減小得越多。以60 ℃時(shí)為例，G*/sinδ在替代10%時(shí)增加了0.6%，但在替代20%，30%和40%時(shí)分別降低了6.4%，14.0%和15.0%，可見(jiàn)SAP含量增加會(huì)降低瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)槌蕢A性的礦粉含量減小，呈酸性的SAP數(shù)量增加，粉末與瀝青的黏結(jié)性變差，在高溫時(shí)流動(dòng)能力比純礦粉時(shí)弱，因此，高溫穩(wěn)定性下降。但當(dāng)替代量不超過(guò)20%時(shí)，高溫穩(wěn)定性性削弱程度不明顯，因此，最適宜的SAP 等體積替代比例應(yīng)不高于20%。

圖8 溫度掃描結(jié)果Fig.8 Results of temperature sweep

從圖8 還可見(jiàn)：隨著溫度增加，δ均呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明瀝青黏性越來(lái)越好。在SAP 等體積替代礦粉后δ變化不明顯，以60 ℃為例，相位角在SAP等體積替代10%時(shí)減少了0.41%，SAP等體積替代20%時(shí)增加了0.26%，SAP等體積替代30%時(shí)減小了0.11%，SAP 等體積替代40%時(shí)減小了0.02%。因此，利用SAP等體積替代礦粉后的瀝青膠漿與純礦粉組成的瀝青膠漿相位角相差很小，說(shuō)明SAP 的替代對(duì)瀝青膠漿的黏彈性沒(méi)有太大影響。

3.3.2 頻率掃描結(jié)果分析

依據(jù)時(shí)溫等效原理繪出頻率掃描主曲線，主曲線以58 ℃為參考溫度，見(jiàn)圖9。從圖9 可以看出：隨著加載頻率增加，瀝青膠漿的G*均增大，說(shuō)明瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性隨著加載頻率增加而增強(qiáng)。頻率主要反映交通荷載作用在瀝青路面上的持續(xù)時(shí)間，即頻率越高，加載時(shí)間越短；當(dāng)頻率較小時(shí)，瀝青因剪應(yīng)力引起的變形量增大，G*減??；當(dāng)頻率較大時(shí)，剪應(yīng)力引起的變形減小，G*增大；所有瀝青膠漿的G*均隨著溫度的升高而降低；在相同溫度下，SAP 等體積替代0，10%，20%，30%和40%的礦粉，瀝青膠漿的G*呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且在替代量為10%時(shí)達(dá)到最大值，但對(duì)比不替代礦粉的瀝青膠漿，當(dāng)SAP 的替代量超過(guò)10%后會(huì)降低瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性；當(dāng)頻率為1.59 Hz(對(duì)應(yīng)車(chē)速為88 km/h)時(shí)，相對(duì)于不替代礦粉，10%摻量的SAP 的G*增加了9.7%，20%，0%和40%摻量的SAP 分別使G*降低了2.1%，3.6%和11.4%，因此，可以認(rèn)為30%摻量的SAP對(duì)G*沒(méi)有顯著影響。綜合考慮3.3.1節(jié)的結(jié)果，本研究認(rèn)為SAP 的摻量不超過(guò)20%為合理?yè)搅俊?/p>

圖9 頻率掃描主曲線Fig.9 Master curves of frequency sweep

3.4 SAP對(duì)瀝青膠漿低溫性能的影響

對(duì)SAP 等體積替代0，10%，20%，30%和40%的礦粉在-9，-12，-15 及-18 ℃時(shí)進(jìn)行彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，記錄加載過(guò)程中60 s時(shí)的蠕變勁度S和蠕變速率m，變化曲線見(jiàn)圖10。

圖10 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.10 Results of bending beam rheological test

從圖10 可見(jiàn)：除了SAP 替代10%礦粉后S有所增加外，其余情況的S均呈減小的趨勢(shì)，這表明當(dāng)SAP 替代量超過(guò)20%時(shí)，瀝青膠漿的低溫抗裂性能有所提升。以-12 ℃為例，替代10%時(shí)S增加了19 MPa，SAP 替代20%、30%和40%的礦粉后分別降低了1，10 和17 MPa；對(duì)于m，當(dāng)SAP 替代10%的礦粉時(shí)有所下降，超過(guò)20%后均升高，這同樣說(shuō)明SAP 替代量超過(guò)20%后瀝青膠漿的低溫性能有所提升。以-12 ℃為例，m在SAP 替代10%的礦粉時(shí)下降了0.006，替代20%，30%和40%礦粉后分別增加了0.003，0.022 以及0.025。此外，當(dāng)溫度低于-12 ℃時(shí)，瀝青膠漿的S和m均滿足SHRP相關(guān)規(guī)范中對(duì)瀝青膠漿低溫性能的要求(S≤300 MPa，m≥0.3)。

3.5 SAP對(duì)瀝青膠漿與集料黏附性的影響

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”中對(duì)瀝青黏附性等級(jí)的評(píng)定要求，在不同SAP 等體積替代比例下，集料表面瀝青膜均完全保存，剝離面積百分率均接近于0，黏附性等級(jí)均為5.由此可見(jiàn)，SAP 的加入對(duì)瀝青膠漿與集料之間的黏附性沒(méi)有產(chǎn)生影響。試驗(yàn)后的集料見(jiàn)圖11。

圖11 瀝青與集料的黏附性結(jié)果Fig.11 Adhesion results of asphalt and aggregate

4 結(jié)論

1) SAP 與瀝青沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，SAP 和瀝青之間僅僅是物理共混。

2) 吸水后的SAP 具有顯著降低瀝青膠漿黏度的作用，在同一替換比例下，瀝青膠漿黏度下降幅度隨著SAP 吸水量增多呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢(shì)。對(duì)于SAP 替代礦粉比例而言，并不是越大越好，當(dāng)替代量超過(guò)30%時(shí)，降黏效果不明顯。因此，在SAP吸收自身質(zhì)量的3倍水且等體積替代礦粉20%～30%時(shí)能夠充分降低瀝青膠漿的黏度。

3) SAP 等體積替代礦粉后，除了在替代10%時(shí)高溫穩(wěn)定性有微弱提升外，SAP 等體積替代超過(guò)10%后均對(duì)瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性有不利影響，但在SAP等體積替代20%時(shí)高溫穩(wěn)定性下降不大。為充分發(fā)揮SAP 的降黏作用，SAP 替代礦粉的用量不應(yīng)超過(guò)20%。對(duì)于低溫抗裂性而言，SAP等體積替代礦粉后其低溫抗裂性能有小幅度提升，且隨著替代比例增大，低溫抗裂能力逐漸加強(qiáng)。

4) SAP 對(duì)瀝青膠漿與集料之間的黏附性沒(méi)有明顯影響，經(jīng)過(guò)水煮法試驗(yàn)后的集料瀝青膜均完全保存，沒(méi)有出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。