基于等針入度的瀝青固有與改善性能的流變性分析

張海濤， 黃 爽

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

近些年來(lái)，中國(guó)公路交通發(fā)展迅猛，國(guó)家投入建設(shè)力度逐漸增強(qiáng)，對(duì)瀝青路面的使用性能及耐久性要求也越來(lái)越高，進(jìn)而對(duì)路面各種材料的各方面性能要求也越來(lái)越高，所以近幾年道路路面大都選擇黑色路面，也就是瀝青，因?yàn)楹谏访嫦啾劝咨访?，性能要更好一些。道路瀝青在生產(chǎn)、運(yùn)輸、鋪設(shè)和使用過(guò)程中受自然因素和其他因素的影響，性能會(huì)產(chǎn)生比較大的變化，且不同的瀝青產(chǎn)生的影響也會(huì)有很大的不同，但都會(huì)影響使用性能[1-3]。對(duì)于基質(zhì)瀝青和改性瀝青的某些性質(zhì)，還需進(jìn)一步研究，這對(duì)以后的試驗(yàn)或者實(shí)際應(yīng)用都具有重要的作用。

為了更好地了解瀝青的性質(zhì)，把瀝青的性能分為固有性能與改善性能。瀝青的固有性能為基質(zhì)瀝青本身就存在的不做任何改變的性能，瀝青的改善性能為通過(guò)添加一種或幾種改性劑，短期或長(zhǎng)期老化、再生等不同的手段對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改變之后所具有的性能。

瀝青是典型的具有流變性能的黏彈性材料，在低溫和短期荷載的作用下，瀝青呈彈性狀態(tài)，在較高溫度和長(zhǎng)期荷載的作用下，呈現(xiàn)黏彈性或黏性狀態(tài)，但在大多數(shù)情況下，瀝青都以黏彈性狀態(tài)存在，所以對(duì)于瀝青研究的內(nèi)容廣泛且復(fù)雜。近些年各國(guó)的瀝青研究學(xué)家對(duì)瀝青的黏彈特性和高溫流變性等性能也都做了深入的研究，取得了較為豐富的成果[4-6]。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，擁有車(chē)輛的家庭越來(lái)越多，對(duì)路面的使用性能的要求會(huì)增加，普通的路面已不能滿(mǎn)足要求，改性瀝青的出現(xiàn)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。張煌等[7]采用流變模型測(cè)量SBS改性瀝青的流變性，發(fā)現(xiàn)在不同溫度下，不同摻量的SBS改性瀝青可采用不同流變性模型表示；徐鴻飛[8]利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)量3種瀝青得到相應(yīng)參數(shù)，研究了參數(shù)與溫度及老化的關(guān)系；Booshehrian等[9]建立模量曲線(xiàn)研究不同瀝青摻量對(duì)再生瀝青的動(dòng)態(tài)流變性的影響。但對(duì)瀝青的固有與改善的流變性能并沒(méi)有很好的研究說(shuō)明。通過(guò)分析基于等針入度的瀝青固有與改善性能的流變特性，分別研究瀝青固有性質(zhì)下的流變性與改善性能下的流變性，再將兩者進(jìn)行比較。研究結(jié)果對(duì)未來(lái)改善瀝青的性能要求具有一定的理論意義與參考價(jià)值。

1 材料設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 材料設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用瀝青有盤(pán)錦90#瀝青和SBS改性瀝青?；局笜?biāo)如表1所示。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

分別將基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青加熱5 h和20 h，得到不同老化時(shí)間的瀝青，再進(jìn)行不同溫度的針入度試驗(yàn)和軟化點(diǎn)、135 ℃黏度等試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)瀝青高溫耐久性進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同老化時(shí)間的瀝青殘留針入度分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖1所示。

表2 不同老化時(shí)間的瀝青殘留針入度

圖1 不同老化時(shí)間的瀝青殘留針入度變化Fig.1 Chart of asphalt residue penetration at different aging time

從圖1可以看出，老化對(duì)瀝青針入度有很大的影響，當(dāng)加熱5 h時(shí)對(duì)針入度的影響相對(duì)較明顯，之后就逐漸減少。所以可見(jiàn)5 h是一個(gè)臨界時(shí)間點(diǎn)，3個(gè)圖中在5 h的時(shí)間點(diǎn)上瀝青的殘留針入度基本上都是SBS瀝青>90#瀝青>90#瀝青老化5 h。3種瀝青在25 ℃情況下針入度變化大體相似，但在5 ℃和15 ℃條件下，SBS改性瀝青的抗老化能力明顯優(yōu)于另外兩種瀝青。所以3種瀝青抗老化能力由強(qiáng)到弱依次為SBS瀝青>90#瀝青>90#瀝青老化5 h。綜上，改性瀝青比基質(zhì)瀝青和老化后的瀝青耐久性好。

瀝青老化后使得瀝青內(nèi)部組分發(fā)生變化，所以瀝青會(huì)變硬，針入度變小，在中國(guó)北方適用于針入度大的瀝青，否則由于氣溫的原因，路面會(huì)更容易開(kāi)裂，而南方地區(qū)則適用于針入度相對(duì)小一點(diǎn)的瀝青。所以北方常用90#瀝青，南方常用70#瀝青，但隨著改性瀝青不斷推廣使用，北方逐漸用SBS瀝青代替90#瀝青。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)材料的不斷創(chuàng)新，將來(lái)可能還會(huì)有別的復(fù)合改性瀝青代替現(xiàn)在的單一改性瀝青。

2.2 其他指標(biāo)分析

不同情況下的3種瀝青的延度、軟化點(diǎn)、及135 ℃黏度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)老化時(shí)間增加，5 ℃和15 ℃的延度均降低，而且在15 ℃時(shí)瀝青延度的變化比5 ℃大得多，說(shuō)明溫度的改變對(duì)瀝青的延度有很大的影響，軟化點(diǎn)均升高，135 ℃黏度也均升高。SBS改性瀝青變化較其他瀝青變化小，說(shuō)明這種瀝青抗老化性能較好，與上面的結(jié)果一致。

表3 不同老化時(shí)間的瀝青殘留延度、軟化點(diǎn)及135 ℃黏度

3 瀝青固有與改善性能流變學(xué)分析

3.1 瀝青固有與改善性能流變學(xué)模型

在瀝青流變性的理論研究中，一般用塑性元件、彈性元件和黏性元件或串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)加并聯(lián)的方式組成相應(yīng)的模型來(lái)分析不同種材料的流變學(xué)特征。通過(guò)流變學(xué)模型可以建立流變學(xué)方程，明確應(yīng)變與應(yīng)力、時(shí)間等之間的關(guān)系，隨之可以分析不同時(shí)間下的各種材料的變化特征。如果可以成功地建立流變學(xué)模型就可以更好地了解材料的流變特性。圖2所示為基本的Burgers模型。

圖2 Burgers模型Fig.2 Burgers model

根據(jù)美國(guó)的公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(strategic highway research program，SHRP)規(guī)范可知，如果知道E1、Z1、E2、Z2這4個(gè)參數(shù)，就可以了解各種瀝青的黏彈性能。黃衛(wèi)東等[10]曾用微膜式滑板黏度計(jì)做了關(guān)于基質(zhì)瀝青與改性瀝青的黏度試驗(yàn)，得到改性瀝青的各參數(shù)較基質(zhì)瀝青都有所增加，但改性瀝青的黏性系數(shù)比基質(zhì)瀝青增大了12倍，說(shuō)明改性后的瀝青抗變形能力得到了大幅度的提升，同時(shí)也說(shuō)明了基質(zhì)瀝青的抗變形能力不如改性瀝青。

3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

實(shí)驗(yàn)室研究瀝青的流變性大多使用動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，利用動(dòng)態(tài)剪切流變(dynamic shear rheological，DSR)試驗(yàn)測(cè)定了瀝青的兩個(gè)參數(shù)即復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，得到高溫穩(wěn)定性指標(biāo)車(chē)轍因子G*/sinδ，從而進(jìn)行數(shù)值分析。在試驗(yàn)過(guò)程中采取的5個(gè)溫度分別是52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃和76 ℃，準(zhǔn)備了6種瀝青，原樣瀝青包括90#瀝青、SBS瀝青，老化5 h瀝青包括90#瀝青、SBS瀝青,老化20 h的90#瀝青、SBS瀝青。試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖3所示。

表4 不同試驗(yàn)溫度下6種瀝青的車(chē)轍因子Table 4 Rutting factors of six kinds of asphalt at different test temperatures

圖3 6種瀝青在不同溫度下的車(chē)轍因子Fig.3 Rutting factors of six kinds of asphalt at different test temperatures

車(chē)轍因子G*/sinδ是瀝青的高溫穩(wěn)定性指標(biāo)，G*/sinδ越大表示抗車(chē)轍能力越強(qiáng)，如圖3所示，隨著溫度的升高，車(chē)轍因子在不斷下降，在同一溫度下原樣SBS瀝青>短期老化5 h SBS瀝青>基質(zhì)瀝青>短期老化基質(zhì)瀝青，但是很明顯無(wú)論是原樣瀝青，還是短期老化瀝青，基質(zhì)瀝青車(chē)轍因子都比SBS瀝青小，所以在瀝青的流變性能方面，SBS改性瀝青優(yōu)于90#基質(zhì)瀝青，改善后的瀝青性質(zhì)要比瀝青固有的性質(zhì)好。與上面的結(jié)論相呼應(yīng)。但在老化20 h后SBS改性瀝青的抗高溫穩(wěn)定性不如90#瀝青，所以當(dāng)老化增加到一定時(shí)間時(shí)，改性瀝青在某些性能方面不一定比基質(zhì)瀝青強(qiáng)。

4 結(jié)論

(1)由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)老化時(shí)間不斷增加，針入度、延度不斷下降，軟化點(diǎn)、135 ℃黏度不斷增加，且基質(zhì)瀝青下降的速度和增加的速度都不如改性后的瀝青，可得出SBS改性瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)，基本優(yōu)于基質(zhì)瀝青的結(jié)論。因此可以說(shuō)明瀝青改善之后的性能優(yōu)于原有的性能。

(2)基于流變學(xué)理論，通過(guò)DSR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青的車(chē)轍因子明顯比基質(zhì)瀝青的大，說(shuō)明SBS瀝青比基質(zhì)瀝青具備更好的抗高溫車(chē)轍能力，但當(dāng)兩種瀝青分別老化20 h后，其車(chē)轍因子發(fā)生不同的變化，在相同溫度下90#瀝青老化20 h后車(chē)轍因子明顯增加，但SBS瀝青卻在降低，且當(dāng)同時(shí)老化20 h后，無(wú)論在哪個(gè)溫度點(diǎn)90#瀝青比SBS瀝青車(chē)轍因子都大，所以當(dāng)老化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后改性瀝青的抵抗高溫穩(wěn)定性不一定比基質(zhì)瀝青強(qiáng)。

(3)SBS改性瀝青的流變性能會(huì)受到很多因素的影響，包括溫度、改性劑的摻量、改性瀝青混合在一起的時(shí)間等，這些都會(huì)影響其性質(zhì)，使其發(fā)生較大的變化。試驗(yàn)驗(yàn)證了溫度變化帶來(lái)的影響，溫度越高，無(wú)論是基質(zhì)類(lèi)瀝青還是改性類(lèi)瀝青的車(chē)轍因子都會(huì)下降。且當(dāng)老化時(shí)間增加，90#瀝青的車(chē)轍因子還會(huì)比SBS改性瀝青大。所以選擇合適的改性瀝青對(duì)未來(lái)的路面使用效果都會(huì)產(chǎn)生不一樣的影響。