改性瀝青及其流變學性能研究

■魏 穎

（福建路達工程建設有限公司，福州 350001）

1 前言

改性瀝青的研究，目前國內外使用較多、成效較好的是各種聚合物改性劑，其他種類的改性瀝青實際應用不多。本文使用一些固體廢棄物代替新料對瀝青進行改性，既可以提高瀝青的路用性能，又可以實現(xiàn)固廢再利用，減少環(huán)境污染。不同的改性劑可以從不同的方面提高瀝青的性能，SBS之類的傳統(tǒng)改性劑，一噸需要2萬多元，而廢膠粉一噸約3000元左右，大大降低了成本，且資源循環(huán)利用。礦物填充料中加入脫硫灰和碳酸鈣，起到填充補強的作用。本文主要研究討論廢膠粉/脫硫灰/碳酸鈣復合改性瀝青，通過改性前后瀝青性能的變化來探討其在應用上的前景[1]。

2 試驗準備

2.1 主要原材料

原材方面主要采用70號道路瀝青、廢膠粉（30目）；脫硫灰 （龍凈環(huán)保有限公司提供的由該公司脫硫設備形成的干法脫硫灰，100目）；碳酸鈣（100目）。

2.2 主要設備及儀器

儀器方面主要采用上海昌吉YD-2806H型全自動瀝青軟化點試驗器；上海昌吉SYD-2801F型低溫針入度試驗器；上海昌吉SYD-4508F型瀝青延伸度試驗器；上海FLUKO產(chǎn)高速剪切機；及美國TA公司AR-2000型旋轉流變儀。

2.3 改性瀝青制備

本文選取質量分數(shù)12%～20%的廢膠粉（以下廢膠粉簡稱JF）加入量為一個系列，測其三大指標，結果如表1所示。本文分別采用脫硫灰/碳酸鈣改性瀝青（以下脫硫灰簡稱T，碳酸鈣簡稱C）摻量10%、20%、30%的配方，測其三大指標，結果如表2、表3、表4所示。制備時，在基質瀝青中分別加入不同的改性劑，在高速剪切機6500r/min下攪拌1h制得樣品。

3 試驗結果與分析

3.1 改性瀝青工程參數(shù)

從表1可以看出，廢膠粉的加入明顯提高了基質瀝青的軟化點，降低了針入度。軟化點的提高即提高了瀝青的耐熱性，而且也優(yōu)化了瀝青的高溫性能；針入度降低，即黏度增大，溫感性變好。在廢膠粉添加量為16%時，軟化點達到一個高值，較果較佳。

表1 廢膠粉改性瀝青三大指標測試數(shù)據(jù)

表2 脫硫灰/碳酸鈣改性瀝青摻量10%三大指標測試數(shù)據(jù)

表3 脫硫灰/碳酸鈣改性瀝青摻量20%三大指標測試數(shù)據(jù)

表4 脫硫灰/碳酸鈣改性瀝青摻量30%三大指標測試數(shù)據(jù)

從表2、表3、表4可以看出，脫硫灰/碳酸鈣的加入使得瀝青的軟化點明顯提高，針入度增大，即瀝青變得更軟。且隨著添加量的增加，軟化點的增加值也越大。

上述研究表明：廢膠粉改性瀝青大大增加了瀝青的彈性，但是導致瀝青過硬，而脫硫灰/碳酸鈣的加入則會使得瀝青具備較好延度，但彈性不足。于是本文將廢膠粉和脫硫灰/碳酸鈣混合對瀝青進行復合改性，并測其三大指標，結果如表5所示。

表5 廢膠粉/脫硫灰/碳酸鈣改性復合改性瀝青三大指標

選取廢膠粉的最佳添加量16%，來探討脫硫灰/碳酸鈣的最佳添加量。從表5可以看出，當添加12%碳酸鈣、18%脫硫灰和16%廢膠粉時，軟化點提高最多，可以認為效果最好。

3.2 改性瀝青流變學性能

將改性瀝青樣品裁成適宜大小，在AR2000旋轉流變儀上進行測試。平行板夾具直徑為25mm，夾具間距離為1mm，測試溫度為65℃。頻率掃描是在應變?yōu)?%下進行，頻率掃描范圍為0.1rad/s～100rad/s。溫度掃描是在應變?yōu)?%下進行，溫度掃描范圍35～85℃。

3.2.1 溫度掃描

復數(shù)剪切模量是指材料在受到重復剪切變形過程中所受到的總阻力大小的量度，通常由彈性部分（G′）和黏性部分（G″）組成，如圖1所示。彈性部分代表的是材料在每次荷載循環(huán)過程中所儲存的能量，黏性部分代表了材料在每次荷載循環(huán)過程中損耗的能量。材料中彈性部分與黏性部分的區(qū)分是由相位角的差異來表示，復數(shù)剪切模量是材料彈性部分與黏性部分的比值[2]。

圖2給出了JFT/CJF/T/C改性瀝青車轍因子的測試結果。

圖1 復數(shù)剪切模量組成

圖2 改性瀝青車轍因子的影響（35℃～85℃）

圖2表示的是溫度區(qū)間時（35℃～85℃）改性劑對瀝青車轍因子G*/sinδ的影響。從圖中可以看出，摻加改性劑之后，改性瀝青的車轍因子比基質瀝青明顯增大，且改性瀝青的車轍因子隨著改性劑的摻量增加而增大。SHRP瀝青膠結料規(guī)范中規(guī)定用車轍因子G*/sinδ來表示瀝青的抗車轍能力，在最高路面設計溫度下，G*/sinδ越大就越好。臨界溫度值越高，說明這種瀝青膠結料抵抗高溫流動變形的能力就越強。因此，使用上述三種改性劑的改性瀝青比基質瀝青具備具備更優(yōu)的抗高溫車轍能力[3]。

3.2.2 頻率掃描

圖3給出了JFT/CJF/T/C改性瀝青頻率掃描下?lián)p耗模量隨著頻率的變化趨勢。

圖3 頻率對于改性瀝青損耗模量的影響

瀝青摻入改性劑后，對其在不同荷載作用頻率下的流變特性產(chǎn)生影響。圖3表示的是65℃時頻率對不同摻量改性劑改性瀝青損耗模量的影響。從圖中可以看出，改性瀝青的損耗模量隨著頻率的增大而增加。損耗模量越低，瀝青所具備的抗疲勞性能的最低溫度就降低，則疲勞性能越好[4]。當碳酸鈣添加量16%、脫硫灰添加量14%廢膠粉添加量16%的復合改性瀝青表現(xiàn)出較好的抗疲勞性能。

相位角是用來衡量材料可恢復變形量和不可恢復變形量相對關系的一個指標。對彈性固體來說相位角一般為0°，黏性流體的相位角一般為90°。瀝青這樣的黏彈性材料，它兼具彈性固體和黏性流體的性質，相位角一般在0°～90°之間，它的復數(shù)剪切模量和相位角的大小主要是隨著溫度和荷載頻率的變化。在高溫下，瀝青會呈現(xiàn)出黏性流體的性質，其相位角趨于90°；在低溫下，瀝青會呈現(xiàn)出彈性固體的性質，其相位角趨于0°[5]。

圖4 頻率對于改性瀝青相位角的影響

圖4表示的是JFT/CJF/T/C改性瀝青相位角隨著頻率的變化趨勢，從圖中可以看出，三個系列的改性瀝青的相位角隨著剪切頻率的增長呈現(xiàn)減小的趨勢。基質瀝青的相位角是最接近90°的，表明基質瀝青主要表現(xiàn)出黏性流體性質，而JF和JF/T/C瀝青的相位角較基質瀝青明顯減小，廢膠粉的加入使得瀝青彈性顯著增大。脫硫灰/碳酸鈣改性瀝青相位角較基質瀝青有些許增大，這是由于脫硫灰/碳酸鈣都是很細的無機粒子，會使基質瀝青變軟，黏性成分增加[6]。

4 結論

本文以廢膠粉、脫硫灰、碳酸鈣等作為瀝青改性劑，制得JFT/CJF/T/C改性瀝青并進行了流變學性能測試，得到了以下結論：

（1）將廢膠粉/脫硫灰/碳酸鈣復合對瀝青進行改性，一方面可以增大瀝青的強度，一方面又可以使瀝青的黏度不至于下降的太厲害，實驗證明當添加16%廢膠粉18%脫硫灰12%碳酸鈣時，軟化點提高的最多，可以認為效果最好。

（2）JFT/CJF/T/C的改性瀝青車轍因子隨著溫度的升高而減小。這表明這三種的改性瀝青不僅強度增大，抗形變能力也增大了。

（3）與基質瀝青相似，JFT/CJF/T/C改性瀝青的改性瀝青的損耗模量都隨著荷載頻率的增大而增大，相位角隨著荷載頻率的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，彈性成分增大。

[1]許愛華，郭朝陽，盧偉.廢胎膠粉橡膠瀝青改性機理研究[J].交通科技，2010，03：87-89.

[2]黃衛(wèi)東，呂偉民.瀝青及瀝青混合料流變性質與動穩(wěn)定度的關系[J].同濟大學學報，2000，28（4）：501-504.

[3]曾贅，郭淑華.零剪切粘度與瀝青高溫性能的關系[J].石油瀝青.2003，17（增刊）．

[4]李秀君，景彥平，原健安.瀝青延度與流變特性關系研究分析（二）[J].石油瀝青，2002，16.

[5]陳華鑫，王秉綱.SBS改性瀝青的動態(tài)力學性能[J].華南理工大學學報（自然科學版）.2007，35（7）：37-40.

[6]劉聞，吳健，李長海.低標號硬質瀝青動態(tài)剪切流變試驗分析研究[J].中外公路，2007，27（4）：257-259.