彈性體與樹脂類高黏瀝青的抗疲勞性能研究

【摘 要】選擇兩種市面常用的改性劑（樹脂類高黏改性劑和彈性體高黏改性劑）采用相同的工藝對(duì)瀝青進(jìn)行改性，并從微觀性能、物理性能、高溫性能和抗疲勞性能四個(gè)方面進(jìn)行測試研究。通過紅外光譜和三大指標(biāo)結(jié)果得出樹脂改性瀝青依靠結(jié)晶體進(jìn)行改性，而彈性體高黏改性瀝青形成三維彈性結(jié)構(gòu)達(dá)成改性效果。通過溫度掃描試驗(yàn)對(duì)改性效果進(jìn)行分析，得到兩者均有不錯(cuò)的改性效果。通過線性振幅掃描試驗(yàn)（LAS）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樹脂類改性瀝青內(nèi)部結(jié)晶體受到一定的應(yīng)力/應(yīng)變破壞后，會(huì)失去承載能力。而彈性體在在受到應(yīng)力/應(yīng)變破壞后，會(huì)產(chǎn)生延遲的彈性恢復(fù)。建議在車載?。☉?yīng)變?。┻\(yùn)營狀況可采用樹脂類高黏改性劑進(jìn)行改性。

【關(guān)鍵詞】高黏改性劑； 紅外光譜； 溫度掃描； LAS

【中圖分類號(hào)】U414.7+5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

由于高溫降雨增大和城市交通荷載增加的影響，要求路面具有較大的孔隙率和良好的耐久性能，因而排水性瀝青路面得到大量研究，其中高黏改性瀝青更是研究的熱點(diǎn)［2］。高黏瀝青改性劑種類包括熱塑性彈性體、橡膠、樹脂和納米材料等［3］，國外最具代表性高黏改性劑為日本研發(fā)的高黏度瀝青TPS（TAFPACK-Super）改性劑，是一種彈性體改性劑。研究表明，TPS可以有效提高瀝青膠結(jié)料的感溫性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及彈性恢復(fù)能力等［4-5］。國內(nèi)研制了 HVM高黏改性劑，其改性的高黏度瀝青具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性且熔點(diǎn)低，并具有較好的拌合性，易于施工應(yīng)用［6-7］。有研究表明熱塑性樹脂類共聚物很容易分散在瀝青中，并且與瀝青粘合劑具有相對(duì)良好的相容性，有更好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性［8］。近年來，關(guān)于納米高黏改性瀝青的研究也逐漸增加，研究表明鈉蒙脫土和有機(jī)蒙脫土的加入提高了SBS改性瀝青的粘度［9-10］。現(xiàn)階段對(duì)于高黏瀝青改性性能已有較多研究，但對(duì)于不同高黏改性瀝青的影響機(jī)理以及疲勞性能影響研究較少，因此本文選擇常見的樹脂高黏改性劑和彈性體高黏改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性，并深入研究不同高黏改性劑對(duì)瀝青流變性能和抗疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 高黏瀝青改性劑

本文分別采用樹脂類改性劑和彈性體類改性劑對(duì)埃索基質(zhì)瀝青（E70）進(jìn)行改性，其改性劑基本參數(shù)如表1所示。

1.1.2 高黏改性瀝青制備工藝

制備不同摻量高黏改性瀝青：加熱瀝青至180 ℃—加入改性劑進(jìn)行手動(dòng)攪拌10 min—降溫至170 ℃，并以500 r/min勻速攪拌1 h—清理儀器，等待瀝青恢復(fù)至室溫。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微觀性能

本文通過傅里葉紅外光譜試驗(yàn)（FTIR），對(duì)不同高黏改性顏色＼＼白色藍(lán)色劑、原樣基質(zhì)瀝青E70、高黏改性瀝青分別進(jìn)行微觀分析，F(xiàn)TIR是基于分子和光子運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)，紅外光照射下可對(duì)具有一定特征頻率的官能團(tuán)進(jìn)行識(shí)別，是一種定量分析的有效手段。本文使用的紅外光譜儀檢測的光譜范圍為4 000～600 cm-1，分辨率為 4 cm-1，掃描頻次為16次。

1.2.2 物理性能

按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0604、T 0605、T 0606標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法，進(jìn)行不同種類的高黏改性瀝青的針入度（25 ℃）、軟化點(diǎn)和延度（5 ℃）試驗(yàn)，利用三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)高黏改性瀝青的物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.3 高溫性能

本文通過溫度掃描對(duì)瀝青高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

利用DSR進(jìn)行振蕩試驗(yàn)（oscillation test）主要是為了獲取瀝青樣品在不同溫度下的模量（G*）與相位角（δ），并計(jì)算Superpave車轍因子（G*/sinδ）。試驗(yàn)規(guī)程參照AASHTO T315，規(guī)范中選用溫度掃描中車轍因子 G*/Sinδ作為反映瀝青材料抗永久變形的指標(biāo)，瀝青材料在重復(fù)剪切變形時(shí)產(chǎn)生的總阻力值可用復(fù)數(shù)剪切模量 G*指標(biāo)表征；相位角δ反映了 G*中損耗模量和儲(chǔ)存模量的關(guān)系，表示應(yīng)變相對(duì)于應(yīng)力的滯后程度，G*/Sinδ值越大，表示瀝青在高溫狀態(tài)下流動(dòng)和變形能力越低，則高溫穩(wěn)定性能越好。

1.2.4 抗疲勞性能

LAS試驗(yàn)是用來評(píng)估瀝青抵抗疲勞破壞的能力，通過在增加的振幅下施加循環(huán)載荷。LAS試驗(yàn)方案包括兩個(gè)步驟：第一步是測量未損壞的流變學(xué)特性，第二步是測量瀝青的損壞特性。

瀝青的未損壞性能由參數(shù) “α”表示，是由頻率測試間接確定的。α參數(shù)是根據(jù)瀝青的頻率掃頻測試計(jì)算出來的。該試驗(yàn)的第二步采用了振幅掃頻測試，使用振蕩剪切的應(yīng)變控制模式，頻率為10 Hz。加載方案包括10 s的恒定應(yīng)變振幅的間隔，應(yīng)變振幅從0.1%增加到30%，每10個(gè)加載周期記錄一次峰值剪切應(yīng)變和峰值剪切應(yīng)力，以及相位角和動(dòng)態(tài)剪切模量。疲勞壽命采用式（1）計(jì)算。

Nf=A（γmax）-B（1）

式中：A和B是取決于材料特性的系數(shù)，使用簡化粘彈性連續(xù)破壞理論（S-VECD）計(jì)算。γmax是特定路面結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的最大預(yù)期應(yīng)變。試驗(yàn)按照AASHTO TP101在25 ℃下進(jìn)行，分別在不同應(yīng)變水平下計(jì)算疲勞壽命。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀性能

利用紅外光譜試驗(yàn)對(duì)不同種類的改性瀝青進(jìn)行微觀性能分析，選擇基質(zhì)瀝青和8%摻量的改性瀝青進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)，其測試結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

本文的樹脂高黏改性瀝青紅外光譜的結(jié)果如圖1所示，樹脂改性劑在 2 914 cm-1、2 850 cm-1、1 473 cm-1 和 720 cm-1 處顯示出強(qiáng)而高的吸收峰。這些峰均歸因于 CH2 基團(tuán)的不對(duì)稱拉伸、彎曲變形和搖擺變形。特別是720 cm-1處的搖擺變形歸因于n大于4的（CH2）n，即長鏈結(jié)構(gòu)。與觀察到的彈性體改性劑相比，這些 CH2 特征峰更高更窄，這表明樹脂改性劑的多分散性更低，全同立構(gòu)規(guī)整度更高。樹脂改性劑的高 CH2 含量意味著它具有均勻的長鏈結(jié)構(gòu)。因?yàn)閷?duì)于樹脂改性劑而言，沒有觀察到不飽和聚烯烴峰的吸收峰。均勻飽和的長鏈結(jié)構(gòu)在玻璃態(tài)溫度下容易結(jié)晶，在高溫下會(huì)迅速去結(jié)晶，因此樹脂改性劑可以顯著提高中溫溫度下的瀝青粘度，而不會(huì)影響可加工性。

本文的彈性體高黏改性瀝青紅外光譜的結(jié)果如圖2所示，可以看出彈性體改性劑是一種類似于 SBS 的聚烯烴基嵌段共聚物，因此在 966 cm-1和 911 cm-1處表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收，這表明有大量的聚丁二烯鏈段。在 700 cm-1 處的尖銳和高吸收歸因于改性劑上的聚苯乙烯鏈段，這些都是SBS聚合物的典型特征峰，這表明彈性體改性劑的主要成分可能是SBS聚合物。 2 914 cm-1、2 850 cm-1 和 1 420 cm-1 處的區(qū)別峰歸因于吸收 -CH- 和 -CH2-，這表明彈性體改性劑的簡單長鏈結(jié)構(gòu)。通過橡膠狀長鏈聚丁二烯鏈段與硬質(zhì)聚苯乙烯鏈段的結(jié)合，彈性體改性劑可以在瀝青內(nèi)形成堅(jiān)韌而有延展性的彈性網(wǎng)絡(luò)，顯著提高其機(jī)械性能。

2.2 三大指標(biāo)

為了測試不同高黏改性瀝青物理性能影響，對(duì)不同摻量的高黏改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)測試，其測試結(jié)果如表2所示。

從表 2可以看出，由于樹脂類高黏瀝青內(nèi)部結(jié)晶導(dǎo)致瀝青整體硬化，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)態(tài)時(shí)所需能量增加，因此樹脂類高黏瀝青較基質(zhì)瀝青針入度減小，低溫延度變差，但軟化點(diǎn)提升明顯；而彈性體高黏瀝青由于內(nèi)部的三維彈性結(jié)構(gòu)，使得瀝青黏稠度增加，針入度較基質(zhì)瀝青減小11.5%，而后隨摻量的增加而變化不明顯，而軟化點(diǎn)，低溫延度較基質(zhì)瀝青都有所增加。雖然兩者改性機(jī)理不同，但無論樹脂改性瀝青還是彈性體改性瀝青均對(duì)基質(zhì)瀝青有著不錯(cuò)的改性效果。

2.3 高溫性能

2.3.1 溫度掃描試驗(yàn)

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)高黏改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，采用25 mm平行板，設(shè)置間隙為1 mm，試驗(yàn)角頻率為10 rad/s、應(yīng)變?yōu)?0%，溫度范圍為40～140 ℃，10 ℃溫度間隔，得到不同摻量高黏改性瀝青儲(chǔ)存模量G*數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

從圖 3可以看出，在40～110 ℃范圍內(nèi)，樹脂類高黏瀝青的復(fù)合模量明顯高于彈性體類高黏瀝青。但在120～140 ℃，樹脂類高黏瀝青模量驟降至基質(zhì)瀝青水平。其主要原因是樹脂類高黏瀝青在溫度較低時(shí)內(nèi)部結(jié)晶體尚未吸熱熔化，對(duì)瀝青起到硬化作用，增大其抵抗變形的能力，宏觀表現(xiàn)為復(fù)合模量增大。然而，隨著溫度升高，結(jié)晶體開始熔化，待溫度達(dá)到改性劑熔點(diǎn)，瀝青抵抗變形的能力隨之減弱，致使模量減小。彈性體高黏瀝青在40～140 ℃范圍內(nèi)，其模量始終大于基質(zhì)瀝青，主要原因是改性劑在瀝青中生成的三維彈性結(jié)構(gòu)起到了抵抗變形的作用，且該結(jié)構(gòu)不會(huì)因溫度升高。

2.4 抗疲勞性能

本文采用LAS試驗(yàn)評(píng)價(jià)高黏改性瀝青抗疲勞性能，首先使用頻率掃描對(duì)高黏改性瀝青進(jìn)行剪切測試，以確定其流變性能；然后使用一系列振蕩負(fù)載循環(huán)的方式測試樣品，振幅按照恒定頻率系統(tǒng)地增加，以引起加速的疲勞損耗。應(yīng)變振幅從0.1%增加到30，進(jìn)行不同高黏改性瀝青疲勞性能對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

如圖4所示，所有的改性瀝青和基質(zhì)瀝青隨應(yīng)變的增加而逐漸屈服，彈性體改性瀝青隨摻量的增加屈服程度逐漸減小，直到30%的應(yīng)變水平，彈性改性瀝青仍然顯示出相當(dāng)大的應(yīng)力，表明其仍然保持著強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)完整性，并繼續(xù)抵抗變形。峰值應(yīng)力在LAS測試不一定能轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的抗疲勞能力，但是一個(gè)表征硬度的良好指標(biāo)，峰值應(yīng)力大小的排序?yàn)椋篍70+8% 樹脂gt; E70+5% 樹脂gt; E70+3% 樹脂gt; E70gt; E70+3% 彈性體gt; E70+5% 彈性體gt; E70+8% 彈性體。說明樹脂類改性劑的加入會(huì)隨摻量的增加，內(nèi)部結(jié)晶體增加，使得基質(zhì)瀝青硬度增加，在較小的應(yīng)變情況下，具有更強(qiáng)的抵抗變形能力；而彈性體改性劑的加入會(huì)隨摻量的增加，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加密，瀝青的彈性增加，相比于基質(zhì)瀝青硬度減小。

通過公式1分別計(jì)算不同應(yīng)變下的疲勞壽命，結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，預(yù)計(jì)疲勞壽命隨著瀝青應(yīng)變的增加而減小，隨著樹脂類改性劑的加入，在小應(yīng)變下對(duì)瀝青的疲勞壽命有一定提升作用，大應(yīng)變下對(duì)疲勞壽命有減弱的效果。這說明樹脂類改性瀝青內(nèi)部結(jié)晶體受到一定的應(yīng)力/應(yīng)變破壞后，會(huì)失去承載能力。對(duì)于彈性體改性瀝青而言，在不同應(yīng)變下都隨摻量增加對(duì)基質(zhì)瀝青的疲勞壽命有著改善的效果，其內(nèi)部的三維彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在受到應(yīng)力/應(yīng)變破壞后，會(huì)產(chǎn)生延遲的彈性恢復(fù)。

3 結(jié)論

（1）樹脂類高黏改性劑、彈性體高黏改性劑的加入都能對(duì)瀝青起到改善作用，且隨著摻量增加改性效果越明顯。

（2）通過紅外光譜和三大指標(biāo)結(jié)果得出樹脂類高黏改性劑通過自身結(jié)晶體，使得瀝青硬化達(dá)到改性效果；而彈性體高黏改性劑與瀝青形成三維彈性結(jié)構(gòu)，增加黏度達(dá)到改性效果。

（3）高溫下彈性體高黏瀝青仍具有較大的復(fù)合模量，有著良好的抵抗變形能力；而樹脂高黏改性瀝青由于結(jié)晶體的熔化，復(fù)合模量下降明顯，但在高溫下具有更好的施工和易性。

（4）通過LAS試驗(yàn)可知，樹脂類改性瀝青內(nèi)部結(jié)晶體受到一定的應(yīng)力/應(yīng)變破壞后，會(huì)失去承載能力。對(duì)于彈性體改性瀝青而言，在不同應(yīng)變下都隨摻量增加對(duì)瀝青的疲勞壽命有著改善的效果，其內(nèi)部的三維彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在受到應(yīng)力、應(yīng)變破壞后，會(huì)產(chǎn)生延遲的彈性恢復(fù)。

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［作者簡介］青光焱（1982—），男，本科，高級(jí)工程師，從事路面工程方面的工作。