高黏改性瀝青的流變性能分析*

周慶福 劉 星 汪 林 羅 蓉 曾 哲

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司3) 武漢 430056) (武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)公司4) 武漢 430050)

0 引 言

在“海綿城市”及“低影響開發(fā)”等城市生態(tài)理念的普及下，建設(shè)透水瀝青路面成為了城市發(fā)展的新趨勢[1].文獻(xiàn)[2]指出，透水瀝青路面的面層必須采用高黏改性瀝青(以下簡稱高黏瀝青)作為結(jié)合料.程成等[3]對透水瀝青混合料路用性能改善措施進(jìn)行了研究，指出60 ℃動力黏度是透水瀝青混合料膠結(jié)料最關(guān)鍵的指標(biāo)，高黏瀝青是透水瀝青混合料膠結(jié)料的首選，采用高黏瀝青成型的透水瀝青混合料具有很好的耐久性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能.

高黏瀝青是指60 ℃黏度值不小于20 kPa·s的改性瀝青，其自身的黏韌性以及與集料間的黏附性均遠(yuǎn)優(yōu)于其他瀝青[4].Zhang等[5]研究了各改性劑在制備高黏瀝青時的效果和比例，指出SBS是基本的改性劑，主要確定了高黏瀝青的性能，增塑劑和交聯(lián)劑可以作為附加修飾劑加入其中；Hu等[6]將印尼的Superflex天然橡膠瀝青用作制造高黏瀝青的改性劑，然后選擇了四種零維納米CaCO3進(jìn)行復(fù)合改性，并對不同復(fù)合改性瀝青的滲透和其他基本指標(biāo)進(jìn)行了測試，提高了C型納米碳酸鈣復(fù)合改性瀝青的性能，在PG分級試驗中取得了較好的效果；陳瑤等[7]以60 ℃黏度作為關(guān)鍵指標(biāo)，研究了TPS高黏改性劑摻量對不同油源基質(zhì)瀝青改性效果的影響，建議TPS改性劑摻量為14%～16%，指出加入TPS改性劑后的高黏瀝青具有高黏性、高溫穩(wěn)定性、低溫敏感性和其他一些優(yōu)秀的表現(xiàn)，但其抗老化性能很差；Zhang等[8]通過在瀝青中添加改性劑SBS、塑化劑FEO(furfural exact oil)及交聯(lián)劑硫來合成高黏瀝青，采用不同的分析方法，包括傅立葉變換紅外光譜分析、熱分析、氫核磁共振分析、元素分析、光學(xué)顯微鏡等，研究了高黏瀝青結(jié)構(gòu)特點.

以上研究大多針對高黏改性瀝青的制備工藝方法進(jìn)行優(yōu)化研究，且針對高黏瀝青的性能評價主要集中在黏度這一指標(biāo)上，在流變力學(xué)性質(zhì)方面缺乏足夠的研究，導(dǎo)致缺少對路用性能的指導(dǎo)，且現(xiàn)今國內(nèi)規(guī)范中并沒有涉及高黏瀝青的剪切模量、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢蛻?yīng)變恢復(fù)率等流變力學(xué)性能指標(biāo)，黏度試驗的準(zhǔn)確性也受到了部分學(xué)者的質(zhì)疑[9]，且國內(nèi)針對高黏瀝青自愈合性能的研究還不夠，而流變性能試驗可以很好的模擬高黏瀝青服役時的受力狀態(tài)，因此，為了研究高黏瀝青的流變性能，充分探究高黏瀝青與普通瀝青在流變性能方面的差異，本研究將對普通70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青進(jìn)行試驗研究，進(jìn)行了零剪切黏度試驗、溫度和頻率掃描試驗、不同應(yīng)力水平下的時間掃描試驗,以及多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(multiple stress creep and recovery, MSCR)試驗, 并對比分析它們的黏度、剪切模量、疲勞壽命、愈合能力以及永久變形等指標(biāo)，旨在借助高黏瀝青的流變力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)判定改性劑的改性效果，整體全面評價高黏瀝青應(yīng)用于透水瀝青路面的路用性能，探究在工程實踐中的應(yīng)用價值，并對后續(xù)高黏瀝青的研究提出合理化建議.

1 試驗材料與方法

試驗材料為湖北地區(qū)典型的70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及通過改性劑改性增黏后得到的高黏瀝青.SBS改性瀝青因為黏度低于20 000 Pa·s，并不滿足高黏瀝青的要求，因此,在SBS改性瀝青添加改性劑，改性劑成分為反應(yīng)性乙烯三元聚合物，乙烯三元聚合物能夠與瀝青中的瀝青質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在不分離SBS的條件下，與瀝青質(zhì)形成共價鍵，改性劑的添加摻量為0.3%.高黏瀝青的合成方法和工藝為：首先將SBS改性瀝青在烘箱中加熱到170 ℃，待瀝青呈流動狀態(tài)后，將瀝青放入到恒溫電熱套中，將溫度控制在170 ℃不變，稱取一定量的改性劑放入瀝青中，啟動攪拌器，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為700 r/min，機(jī)械攪拌溶脹20 min后，設(shè)置攪拌器轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，以該速度攪拌瀝青至少90 min，并保持整個過程電熱器的溫度不高于180 ℃，停止攪拌后讓瀝青在該溫度下繼續(xù)發(fā)育不少于30 min.整個合成工藝見圖1，合成設(shè)備見圖2.

圖1 高黏瀝青合成工藝

圖2 高黏改性瀝青的合成設(shè)備

合成的高黏瀝青基本性能指標(biāo)見表1，由表1可知，高黏瀝青的針入度值相對較低，而軟化點、動力黏度值相對較高.

本研究采用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行流變力學(xué)試驗，過程為：首先將瀝青加熱融化后分別澆模制備成直徑為8和25 mm的試樣，然后利用動態(tài)剪切流變儀對瀝青試樣施加一定大小的轉(zhuǎn)矩，并采集瀝青受到的應(yīng)力、應(yīng)變等變化值，進(jìn)一步計算表征其流變性能的指標(biāo).

表1 瀝青基本性能指標(biāo)

注：①規(guī)范對不同種類瀝青的延度試驗溫度進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定，故表中各瀝青的延度試驗溫度不同.

2 瀝青流變性能分析

2.1 黏度試驗

現(xiàn)今規(guī)范中測量黏度采用的方法為真空減壓毛細(xì)管法，它是通過記錄試樣通過毛細(xì)管連續(xù)的一對標(biāo)線的間隔時間得到黏度值.但已有學(xué)者提出：由于該方法不能控制剪切速率，因而不同試驗中瀝青受到的剪切速率不同，這將對試驗結(jié)果造成明顯的誤差.因此，零剪切黏度試驗是另外一種常用于衡量瀝青黏度的試驗方法，其原理見圖3，通過剪切速率掃描試驗來得到瀝青黏度隨剪切速率的變化狀況，當(dāng)剪切速率較低時，瀝青黏度趨于一個恒定值，即為零剪切黏度，試驗中一般取第一牛頓區(qū)域(剪切率為0.01 s-1)對應(yīng)的黏度作為結(jié)果，研究分別采用兩種方法進(jìn)行黏度試驗，其中剪切速率的掃描范圍為0.001～1 s-1，試驗結(jié)果見表2.需要注意的是，該試驗及以下幾種試驗，在同一試驗條件下進(jìn)行三組重復(fù)試驗，并采用3次重復(fù)試驗結(jié)果的平均值，作為最終的試驗結(jié)果.

圖3 黏度與剪切速率的關(guān)系圖

由表2可知，相較于毛細(xì)管動力黏度，零剪切黏度的值更大，且按照零剪切黏度指標(biāo)來評價瀝青性能時，SBS改性瀝青也勉強能夠達(dá)到黏度要求.在三種樣品里，70#基質(zhì)瀝青的黏度相對較低，高黏瀝青的黏度則明顯優(yōu)于其他兩種瀝青，即便和SBS改性瀝青相比，它的零剪切黏度也幾乎是后者的2倍，說明高黏瀝青在使用過程中能夠牢固黏附住集料顆粒，使混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不容易發(fā)生變形和松散.因此在透水瀝青混合料配合比設(shè)計中，必須采用高黏瀝青作為原材料，才能夠充分保證開級配混合料的強度和耐久性.

表2 黏度試驗結(jié)果(60 ℃) Pa·s

2.2 線性黏彈性范圍的剪切模量及主曲線

車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*sinδ是常用來評價瀝青高溫及低溫性能的指標(biāo)，但由于瀝青路面在服役時會受到環(huán)境溫度和荷載頻率的影響，瀝青自身的剪切模量G*也會因此發(fā)生變化.為了充分探究溫度、頻率變化時高黏瀝青的剪切模量的變化趨勢，本研究進(jìn)行了10～70 ℃的溫度頻率掃描試驗，在每個溫度和頻率條件下，設(shè)置試驗應(yīng)變值為0.5%，以保證瀝青試樣處于線性黏彈性范圍，得到試驗數(shù)據(jù)后，利用移位因子將不同溫度和頻率下的模量移至參考溫度40 ℃下，并采用擬合模型繪制出瀝青剪切模量主曲線，用以表征瀝青在更廣頻率范圍的力學(xué)性質(zhì).本研究采用的移位因子方程見式(1)，主曲線模型見式(2)[11]，試驗結(jié)果見圖5.

(1)

(2)

由圖4可知，參考溫度為40 ℃ 的條件下，70#基質(zhì)瀝青在低頻范圍時(>0.001～1 Hz)模量相對較小，而在高頻范圍時(1～15 000 Hz)模量相對較大.SBS改性瀝青和高黏瀝青的模量在整個縮減頻率范圍內(nèi)較為接近，前者的模量稍大于后者，說明在線性黏彈性范圍內(nèi)，SBS改性瀝青增黏之后的剪切模量會輕微下降，并不具有明顯的強度優(yōu)勢.主曲線中的低頻一般對應(yīng)于高溫，高頻一般對應(yīng)于低溫.間接表明高黏改性瀝青與SBS改性瀝青在高溫下抵抗永久變形的能力和低溫下抵抗疲勞開裂的能力要優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，整體上強度較高.因此，從無損黏彈性的角度而言，高黏瀝青的剪切模量接近于SBS改性瀝青而和基質(zhì)瀝青相比具有明顯的差異性.

圖4 瀝青剪切模量主曲線

2.3 疲勞壽命及愈合能力試驗

高黏瀝青用于開級配的透水路面時，要求其具備良好的抗疲勞能力和愈合能力，以保證路面能具有和密級配路面相當(dāng)?shù)某休d力.為了探究高黏瀝青在交通荷載持續(xù)作用下的耐久性以及其自身的愈合性能，本研究分別在150,200和250 kPa的應(yīng)力控制模式下對瀝青進(jìn)行時間掃描試驗，試驗溫度為20 ℃，當(dāng)瀝青的剪切模量下降為初始值的50%時，此時的加載周期數(shù)即為瀝青的疲勞壽命[11].試驗結(jié)果見表3.

表3 疲勞壽命結(jié)果

注：試驗濃度為20 ℃.

由表3可知，在三個應(yīng)力水平下，SBS改性瀝青的抗疲勞性能最好，高黏瀝青的疲勞壽命雖然大于70#基質(zhì)瀝青，但和SBS改性瀝青相比仍然具有一定的差距，尤其是應(yīng)力水平為250 kPa時，高黏瀝青與SBS改性瀝青的疲勞壽命相差不大，但都比70#基質(zhì)瀝青高很多.另外，隨著應(yīng)力水平的提高，三種瀝青的疲勞壽命都呈現(xiàn)下降的趨勢，證明高應(yīng)力水平更容易導(dǎo)致瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞.

進(jìn)行愈合試驗時，應(yīng)力條件為200 kPa，溫度為20 ℃，對瀝青加載直至其模量下降為初始模量的50%(即損傷度為50%)，再分別使試樣擁有120，600和1 800 s的間歇恢復(fù)時間，之后再對試樣進(jìn)行加載直至破壞，并計算瀝青的愈合指標(biāo)[12]，見式(3)，該愈合指標(biāo)既考慮了加載和間歇期間瀝青模量的變化幅度，也考慮瀝青在疲勞和愈合過程中的模量變化速率，按照該公式計算的愈合指標(biāo)結(jié)果見表4.

(3)

式中：Ga為間歇一段時間后的剪切模量，MPa；Gb為間歇前最后時刻的剪切模量，MPa；G0為初始剪切模量，MPa；t1為間歇后模量由Ga降至Gb的時間，s；t2為間歇前模量由Ga降至Gb的時間，s.

表4 愈合指標(biāo)結(jié)果 20 ℃

由表4可知，當(dāng)間歇時間較短時(120 s)，高黏瀝青的愈合指標(biāo)低于70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，而間歇時間較長時(600和1 800 s)，它的愈合指標(biāo)則高于其他兩種瀝青，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是高黏瀝青中添加了乙烯三元聚合物，它能夠與瀝青中的瀝青質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在不分離SBS的條件下與瀝青質(zhì)形成共價鍵，從而相對黏稠，流動性較差，當(dāng)時間較短時它并不能夠從破壞狀態(tài)充分恢復(fù)，因此相比于其他瀝青而言它的短期愈合能力較差，當(dāng)間歇時間較長時，它則能夠發(fā)揮出較好的愈合能力，該現(xiàn)象表明高黏瀝青的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在長期愈合性能方面，保證充分的愈合時間更有利于它發(fā)揮出較好的抗疲勞特性.

2.4 MSCR試驗

MSCR試驗被廣泛用于評價瀝青結(jié)合料的抗變形能力，試驗過程為分別對同一瀝青試樣施加0.1和3.2 kPa的應(yīng)力，模式為加載1 s后再卸載9 s，周期數(shù)為10，再分別計算應(yīng)力為0.1和3.2 kPa條件下的瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和應(yīng)變恢復(fù)率R，見式(4)～(5)，結(jié)果見表5.

(4)

(5)

式中：Jnr為不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，kPa-1；ε0為單周期內(nèi)加載時的應(yīng)變最大值；Δε為單周期內(nèi)卸載期間的應(yīng)變恢復(fù)變化值；σ為應(yīng)力值，kPa；R為應(yīng)變恢復(fù)率，%.

由表5可知，無論應(yīng)力是0.1 kPa還是3.2 kPa，高黏瀝青的Jnr都遠(yuǎn)小于70#基質(zhì)瀝青，R則遠(yuǎn)大于70#基質(zhì)瀝青，表明改性后的瀝青更能夠抵抗高溫下荷載導(dǎo)致的永久變形.同時，相比于SBS改性瀝青，高黏瀝青的Jnr相對較大，而R相對較小(除0.1 kPa,76 ℃條件外)，雖然差異并不突出，但也能夠表明高黏瀝青在高溫下的抗永久變形能力并沒有強于SBS改性瀝青.另外，隨著溫度的升高，可發(fā)現(xiàn)Jn逐漸增大，R逐漸減小，說明溫度越高，瀝青內(nèi)部的黏彈性效應(yīng)逐漸發(fā)生改變，其抵抗永久變形的能力呈下降趨勢.

表5 MSCR試驗結(jié)果(0.1 kPa)

3 結(jié) 論

1) 無論是零剪切黏度還是毛細(xì)管動力黏度，添加改性劑之后的SBS改性瀝青的毛細(xì)管動力黏度提高了217.7%，零剪切黏度提高了203.5%，且都滿足規(guī)范要求，說明它在瀝青路面中更容易黏附集料，從而保證透水路面在高空隙率的情況下也有很好的承受能力，集料不易松散、剝落，達(dá)到增強路面強度和耐久性的目的.

2) 從主曲線來看，高黏瀝青的剪切模量在低頻范圍內(nèi)大于70#基質(zhì)瀝青，在高頻范圍內(nèi)小于70#基質(zhì)瀝青，同時在整個縮減頻率范圍內(nèi)略微小于SBS改性瀝青，說明線性黏彈性范圍內(nèi)高黏瀝青的強度與SBS改性瀝青接近.

3) 從疲勞開裂和愈合性能來看，高黏瀝青的抗疲勞開裂能力優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青而弱于SBS改性瀝青，但其愈合性能較好，且間歇時間越長，其恢復(fù)的模量比例越高.

4) 從MSCR試驗來看，高黏瀝青抵抗高溫永久變形的能力遠(yuǎn)勝于70#基質(zhì)瀝青，但略弱于SBS改性瀝青，且隨著溫度的升高，其抗永久變形能力逐漸下降.

5) 目前國內(nèi)在透水瀝青路面中所用的高黏瀝青，對黏度的重視度很高，在黏度上能很好的滿足集料間的膠結(jié)，但在瀝青本身的疲勞壽命和愈合性能等的重視程度還不夠，因此，進(jìn)一步研究出黏度、強度、疲勞壽命及自愈合能力都很高的新型高黏瀝青具有極大的意義.