基于流變學方法的瀝青中高溫性能及膠漿抗剪強度研究

張 澤，白子玉*，賀玉瑩，姜 濤，曹東偉

(1.重慶交通大學 土木工程學院，四川 重慶 400074；2.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056000；3.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023；4.中路高科交通檢測檢驗認證有限公司，北京 100088)

為了滿足路面使用需求，各個專家團隊研發(fā)各種新型的改性瀝青，在實際道路工程中被廣泛使用[1]。高黏高彈改性瀝青是一類特種瀝青，一般將其應用于特殊工程，比如交通量、荷載量較大或者比較重要的公路路段，橋隧鋪裝等，解決重載交通帶來的車轍、路面開裂的一系列問題[2-5]。TPE改性瀝青是利用熱塑性彈性體(TPE)材料與瀝青發(fā)生反應得到的一種復合改性瀝青，熱塑性彈性體(TPE)材料是通過塑膠和橡膠兩種不同的高分子原材料制得，但是由于兩者的價格轉(zhuǎn)高，現(xiàn)將橡膠粉的分散相和線型低密度聚乙烯(Linear Low-Density Polyethy-lene，LLDPE)改性劑共混反應，得到性能相當?shù)母男圆牧?，這樣也可以實現(xiàn)廢舊橡膠粉的循環(huán)利用，達到綠色發(fā)展的目的[6-11]。張爭奇[12]等通過材料比選和優(yōu)化確定高黏高彈瀝青制備參數(shù)，并分析其復合改性機理。譚吉昕[13]通過均勻試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)擬合，確定改性劑的最佳摻量，制備橡塑合金改性高粘瀝青，并對其進行性能驗證，并研究其改性機理?？琢钤芠14]等制備了5種改性瀝青，并對比它們的高低溫性能，改性機理以及微觀結(jié)構(gòu)。

本文以SBS改性瀝青、TPE改性瀝青以及高黏高彈改性瀝青為研究對象，通過室內(nèi)試驗，對三種瀝青及其膠漿材料的抗剪強度與流變性能展開分析，分析不同瀝青的優(yōu)缺點，為幾種瀝青以后的研究與應用提供新的理論支撐。

1 試驗原材料

1.1 瀝青

制備高黏高彈瀝青：將備用的基質(zhì)瀝青在180 ℃～185 ℃溫度下進行剪切，轉(zhuǎn)速為2 000～3 000 r/min，在剪切過程中緩緩加入各種添加劑，此時將剪切機轉(zhuǎn)速調(diào)至3 000～5 000 r/min，溫度不變，剪切時間為40 min，剪切完成后，在180 ℃左右使用低速攪拌機攪拌2～3 h，得到高黏高彈改性瀝青。

制備TPE改性瀝青：基質(zhì)瀝青中，加入瀝青質(zhì)量4%的LLDPE改性劑，在170 ℃均勻攪拌20 min，加入18%的脫硫橡膠粉，溫度不變，以5 500 r/min的速率剪切1 h，最后進行發(fā)育。

將制備好的兩種改性瀝青與SBS改性瀝青分別進行基本性能試驗，試驗結(jié)果見表1。

1.2 瀝青膠漿

瀝青膠漿制備選用的填料是石灰?guī)r礦粉，選用粉膠比為0.8∶1，制備完成的膠漿應該光潔透亮，無任何雜質(zhì)，基本性能試驗結(jié)果見表2。

表2 瀝青膠漿基本性能試驗結(jié)果Tab.2 Basic performance test results of asphalt mortar

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 抗剪強度分析

試驗溫度為15 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃五個水平，錐針在砝碼作用下貫入膠漿時間為5 s、錐針頂角為30°、貫入質(zhì)量150 g，試驗結(jié)果見表3。

表3 瀝青膠漿錐入度試驗結(jié)果(0.1 mm)Tab.3 The cone penetration test results of asphalt mortar(0.1 mm)

由測得的錐入度試驗結(jié)果按照下列公式推得不同瀝青膠漿在不同溫度下的抗剪強度：

(1)

(2)

式中：τ為抗剪強度，單位為kPa；m為貫入質(zhì)量，本文貫入總質(zhì)量為150 g(連桿、錐針、砝碼)；h為貫入深度(錐入度)，單位為0.1 mm；k為計算常數(shù)，由公式(2)可以得出；α為錐針頂角(30°)。

表4 瀝青膠漿抗剪強度結(jié)果(單位：kPa)Tab.4 Shear strength results of asphalt mortar

圖1 抗剪強度與溫度的擬合曲線Fig.1 Fitting curve of shear strength and temperature

對不同瀝青膠漿的抗剪強度與溫度利用Origin軟件進行相關(guān)性分析。

膠漿材料的抗剪強度與溫度相關(guān)性滿足乘冪函數(shù)的關(guān)系，即符合方程y=axb，并且在95%的置信區(qū)間內(nèi)，各相關(guān)系數(shù)R2基本達到0.99以上，其中，一般認為a表示瀝青膠漿抗剪強度的變異性，a值越高，說明抗剪強度的變異性越強，如SBS改性瀝青膠漿的15 ℃和50 ℃的抗剪強度相差近100倍；回歸系數(shù)b代表抗剪強度對溫度敏感性。

在15 ℃～25 ℃范圍內(nèi)，三種改性瀝青膠漿抗剪強度大小順序為SBS膠漿

2.2 流變性能分析

2.2.1 PG高溫分級試驗

按照要求需要設(shè)定參數(shù)，應變數(shù)值、角頻率以及平行板的上下間距，分別為12%、10 rad/s以及1 mm。SHRP規(guī)劃中明確要求原樣瀝青這一指標不得低于1 kPa。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青的高溫分級結(jié)果Tab.5 High temperature classification results of asphalt

圖2 車轍因子G*/sin δ隨溫度的變化情況Fig.2 The change of rutting factor G*/sin δ with temperature

由表5看出，各種瀝青的車轍因子G*/sinδ都隨著溫度的升高呈下降趨勢，TPE和高黏高彈改性瀝青的抗變形能力比SBS改性瀝青高，TPE改性瀝青的車轍因子隨溫度升高下降速率較快，在64 ℃～76 ℃，TPE改性瀝青的抗車轍性能較好，76 ℃～94 ℃時，高黏高彈改性瀝青體現(xiàn)出更好的高溫抗變形能力；SBS和高黏高彈改性瀝青的高溫等級為76 ℃，TPE改性瀝青高溫等級為82 ℃。

三種改性瀝青老化后抗變形能力的大小關(guān)系無明顯變化，高黏高彈改性瀝青老化后的車轍因子G*/sinδ在溫度范圍內(nèi)變小，因為高黏高彈特種瀝青較粘稠，在老化過程中無法形成均衡的薄膜，長時間高溫使得膠質(zhì)減少，更加容易發(fā)生永久變形；相對而言，其它兩種改性瀝青老化后車轍因子G*/sinδ高于原樣瀝青，但隨著試驗溫度的逐漸升高，老化后瀝青車轍因子下降速率很快，并且老化前后出現(xiàn)交叉或有交叉趨勢，在相對低溫狀態(tài)下老化后的瀝青表現(xiàn)出較好的抗車轍性能，但是在高溫熱養(yǎng)老化環(huán)境下，瀝青中的輕質(zhì)組分部分揮發(fā)，小分子鏈發(fā)生裂解，大分子基團得到不同程度的破壞，流動相減少，黏性成分增多，彈性變差，因此在試驗中老化后瀝青對溫度表現(xiàn)的更加敏感，車轍因子下降速率變大。

綜上所述，三種改性瀝青都有著較好的高溫性能，高黏高彈改性瀝青的溫度敏感性更強，TPE改性瀝青和SBS改性瀝青的耐老化性能更好，與老化前相比表現(xiàn)出更好的抗變形能力。

2.2.2 溫度掃描試驗

設(shè)置應力參數(shù)為100 Pa，試驗掃描溫度范圍為64 ℃～94 ℃，使用25 mm的平行板。

該部分對不同改性瀝青及其膠漿予以溫度掃描分析，得到相位角δ、車轍因子大小情況。δ越低則反映出瀝青材料恢復性能越理想，車轍因子越大則反饋瀝青材料抗剪切變形本領(lǐng)越強。下圖反映了相位角δ、車轍因子G*/sinδ分別與溫度的關(guān)系。

圖3 瀝青相位角δ隨溫度的變化情況Fig.3 The variation of asphalt phase angle δ with temperature

由圖3可知，相同的試驗溫度下，TPE改性瀝青與高黏高彈改性瀝青的相位角明顯小于SBS改性瀝青，而動態(tài)剪切模量和車轍因子遠大于SBS改性瀝青，說明與SBS改性瀝青相比，其它兩種改性瀝青具有更高的高溫抗車轍性能，SBS改性瀝青和TPE改性瀝青的相位角隨掃描溫度的升高先有小幅度提高，然后下降，在64 ℃～76 ℃溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出更多的黏性成分，溫度高于76 ℃時，黏性成分相對減小，表現(xiàn)更多的彈性，高溫性能升高；而高黏高彈改性瀝青的相位角呈大幅度下降狀態(tài)，尤其在溫度為70 ℃～88 ℃時，相位角的下降速率較大，說明瀝青的彈性隨溫度的變化較為敏感，并表現(xiàn)更多的彈性，高溫恢復能力提高。

圖4 瀝青車轍因子G*/sin δ隨溫度的變化情況Fig.4 Variation of asphalt rutting factor G*/sin δ with temperature

由圖4可知，在溫度范圍內(nèi)，三種改性瀝青車轍因子的大小關(guān)系始終為TPE改性瀝青>高黏高彈改性瀝青>SBS改性瀝青，也表明了三種改性瀝青抗車轍性能的大小關(guān)系。

就三種改性瀝青膠漿的車轍因子而言，TPE改性瀝青膠漿抗車轍性能變化趨勢與原瀝青相比幾乎沒有變化，反觀其它兩種膠漿，與原瀝青車轍因子的大小關(guān)系正好相反，說明礦粉對兩種改性瀝青的影響方式不同，但是因為瀝青和膠漿車轍因子的數(shù)量級相差比較大，所以是否存在誤差還有待于深入研究。

2.2.3 多應力重復蠕變恢復試驗(MSCR)

在試驗開始前，也需按照要求設(shè)定相應的試驗參數(shù)，其中包括25 mm的平行板，0.1 kPa和3.2 kPa兩個應力參數(shù)。每個應力水平作用時間為100 s，總共200 s，10 s一個周期。

試驗溫度設(shè)為60 ℃，試驗完成后，可以得到兩個應力水平下幾種改性瀝青的應變隨時間的變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 100 Pa應力水平下瀝青時間-應變關(guān)系Fig.5 Time-strain relationship of asphalt under 100 Pa stress level

由圖5可知，在應力水平為100 Pa時，三種改性瀝青的應變大小關(guān)系為SBS改性瀝青>高黏高彈改性瀝青>TPE改性瀝青，可以得到三種改性瀝青抵抗變形能力的大小順序為TPE改性瀝青>高黏高彈改性瀝青>SBS改性瀝青，SBS改性瀝青的最大應變可以達到0.209；高黏高彈改性瀝青與TPE改性瀝青的蠕變恢復能力相當，但比SBS改性瀝青明顯高很多。

圖6 3 200 Pa應力水平下瀝青時間-應變關(guān)系Fig.6 Time-strain relationship of asphalt under 3 200 Pa stress level

由圖6可知，當應力水平變?yōu)? 200 Pa時，三種改性瀝青的形變值都有大幅度增加，SBS改性瀝青的最大形變達到了9.18，與此同時，三種改性瀝青的抗變形能力大小沒有太大變化，但TPE改性瀝青和高黏高彈改性瀝青的蠕變恢復能力更加接近，并且遠遠高于SBS改性瀝青，與應力水平為100 Pa相比，三種改性瀝青的蠕變恢復能力有所下降。

通過各種應變參數(shù)可以得到蠕變恢復率R及蠕變?nèi)崃縅nr[15]，計算公式如下：

R=(γρ-γnr)/(γρ-γ0)

(3)

Jnr=γnr/τ

(4)

(5)

(6)

式中，γ為每個周期內(nèi)的峰值應變；γnr為每個周期內(nèi)的殘留應變；γ0為每個周期內(nèi)的初始應變；τ為蠕變應力；R0.1i為100 Pa應力水平下每個蠕變循環(huán)恢復率，其中i=1，2，3,…,10；Jnr0.1i為100 Pa應力水平下每個不可恢復蠕變?nèi)崃?，其中i=1，2，3,…,10。

表6 瀝青MSCR試驗計算結(jié)果Tab.6 Calculation results of MSCR test for asphalt

圖7 不同應力水平下瀝青蠕變恢復率對比Fig.7 Comparison of asphalt creep recovery rate under different stress levels

圖8 不同應力水平下瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃繉Ρ菷ig.8 Comparison of unrecoverable creep compliance of asphalt under different stress levels

由表6可知，在兩個應力水平下，三種瀝青材料都表現(xiàn)出不同的恢復能力，并且無論應力水平是100 Pa或者3 200 Pa，三種改性瀝青的蠕變恢復能力大小順序都是TPE改性瀝青>高黏高彈改性瀝青>SBS改性瀝青，但是三者差距的幅度不大。

蠕變?nèi)崃縅nr能夠更加準確的表征瀝青的高溫抗車轍性能。Jnr越大表示瀝青的不可恢復變形越大，則瀝青抗變形能力越弱[16]。應力水平為100 Pa時，三種改性瀝青抗車轍性能大小關(guān)系為TPE改性瀝青>SBS改性瀝青>高黏高彈改性瀝青，此時高黏高彈改性瀝青表現(xiàn)更多的黏性成分；當應力水平達到3 200 Pa時，SBS改性瀝青的不可恢復蠕變?nèi)崃客辉龅?.275 9，與其它兩種改性瀝青相差至少3個數(shù)量級，在此應力水平下，SBS改性瀝青的變形幾乎達到不可恢復的地步，抗車轍性能大小關(guān)系為TPE改性瀝青>高黏高彈改性瀝青>SBS改性瀝青。

綜上所述，三種改性瀝青中，TPE改性瀝青的高溫穩(wěn)定性最佳，高黏高彈改性瀝青次之，SBS改性瀝青相對低于前兩種瀝青。

3 結(jié)論

1)TPE改性瀝青的制備、高黏高彈改性瀝青的制備以及膠漿材料的制備，為了保證材料性能，需要將制備的時間、剪切速率、溫度等參數(shù)嚴格控制在合理的范圍之內(nèi)，在制備過程中，要時刻觀察瀝青的狀態(tài)，尤其是均勻性必須滿足要求。

2)膠漿材料的抗剪強度與溫度相關(guān)性滿足乘冪函數(shù)的關(guān)系，即符合方程y=axb，并且在95%的置信區(qū)間內(nèi)，各相關(guān)系數(shù)R2基本達到0.99以上；三種改性瀝青膠漿的錐入度試驗顯示，TPE改性瀝青膠漿與其它兩種改性瀝青膠漿相比，抗剪強度最高，而其它兩種改性瀝青膠漿則在相應的溫度范圍內(nèi)較高。

3)通過三種改性瀝青及膠漿的流變試驗，發(fā)現(xiàn)TPE改性瀝青的抗永久變形能力和蠕變恢復能力最佳，高黏高彈改性瀝青次之，SBS改性瀝青相對低于前兩種瀝青；TPE改性瀝青和SBS改性瀝青的耐老化性能更好，與老化前相比表現(xiàn)出更好的抗變形能力。