基于DSR/DSC對泡沫瀝青性能研究

郭鵬，何圳，謝鳳章，孟建瑋，韋萬峰，3

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074；2.河南省濟陽高速公路建設有限公司，河南 濟源 476435；3.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530000)

泡沫瀝青技術是將熱瀝青和少量的室溫潔凈水加入到發(fā)泡腔內，水遇到熱瀝青急劇汽化，使瀝青的體積迅速膨脹，形成亞穩(wěn)定的泡沫瀝青[1]。由于泡沫瀝青中存在許多起潤滑作用的小泡沫，所以泡沫瀝青的粘度低，在低溫條件下也能充分裹覆在集料表面。泡沫瀝青具有能耗低、性能好、成本低、無污染等優(yōu)點[2-3]。

由于泡沫瀝青中殘留水分將會對瀝青性能產生一定的影響，本文結合已有的研究成果，基于DSR和DSC研究發(fā)泡過程對泡沫瀝青的高、中、低溫性能、粘度的影響以及對溫度變化的敏感性影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

中石油昆侖牌70號基質瀝青和SBS改性瀝青，主要性能指標見表1；發(fā)泡用水為室溫潔凈水。

表1 瀝青性能指標測試結果

發(fā)泡機(由恒溫箱和發(fā)泡裝置組成，發(fā)泡裝置由瀝青泵、瀝青回流閥、溫度傳感器、控制柜、水容箱以及瀝青儲罐等部分構成)，由山東路科公司提供，發(fā)泡機的主要技術指標見表2；DHR-2型動態(tài)剪切流變儀；DSC214差示掃描量熱儀。

表2 發(fā)泡設備規(guī)格參數

1.2 泡沫瀝青制備

70號基質瀝青和SBS改性瀝青發(fā)泡設定溫度分別是155，175 ℃，發(fā)泡用水量設定為1%～2%，氣流量為1.5 m3/h。發(fā)泡機預熱到設定溫度，倒入加熱瀝青，瀝青通過瀝青泵及回流閥自動循環(huán)，開啟注水器，將管路內部空氣排出，同時注水進入混合器，壓縮空氣通過出氣閥進入混合器，瀝青最終與水、空氣在混合器中混合發(fā)泡。

2 結果與討論

2.1 高溫剪切流變特性

2.1.1 泡沫瀝青高溫性能研究 采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)進行測試，選用DSR的控制應變模式中的溫度掃描測試方法對泡沫瀝青進行研究[4]。實驗基本參數：測試溫度60～80 ℃，溫度間隔為5 ℃，每個溫度測試時間為6 min，頻率10 rad/s，應變10%，平行板直徑25 mm，發(fā)泡用水量選擇1%，1.5%，2%，結果見表3、表4。

由表3、表4可知，瀝青發(fā)泡前后的車轍因子G*/sinδ存在一定程度的下降，原因是泡沫瀝青中殘留水分使得瀝青軟化。當實驗溫度相同時，發(fā)泡用水量越高，泡沫瀝青的車轍因子G*/sinδ將變小，其高溫性能有一定程度的降低。相同實驗參數條件下，與基質泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的車轍因子G*/sinδ大約是其2倍，表明SBS改性泡沫瀝青的高溫性能更優(yōu)。其主要原因是SBS聚合物在瀝青中形成了連續(xù)相，使瀝青中的重組分與聚合物相相互物理交聯，改善瀝青的粘彈性。

表3 基質泡沫瀝青不同實驗條件下的車轍因子

表4 SBS改性泡沫瀝青不同實驗條件下的車轍因子

2.1.2 泡沫瀝青溫度穩(wěn)定性研究 采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)的控制應變模式對瀝青進行溫度掃描實驗，實驗溫度為40～80 ℃。研究表明[5-8]將 logG′與logT進行線性回歸，可以得到一元一次方程，通過回歸方程斜率就能評價瀝青對溫度變化的穩(wěn)定性，方程斜率的絕對值越小，瀝青的溫度穩(wěn)定性越好，其中G′和T分別為復數儲能模量和開氏溫標。logG′與logT之間的線性關系見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知，瀝青發(fā)泡前后的復數儲能模量G′的對數與開氏溫標T的對數的線性回歸相關性好，其相關系數都接近1?；|瀝青的回歸方程斜率的絕對值為49.9，當發(fā)泡用水量為1%，1.5%，2.0% 時，方程斜率的絕對值分別為50.1，48.7，48.6。表明隨發(fā)泡用水量的增加，基質泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性是先降低，然后再提高，大致上變化不大。SBS改性泡沫瀝青的回歸方程斜率的絕對值為35.4，當發(fā)泡用水量為1%，1.5%，2.0%時，方程斜率的絕對值分別為38.28，37.62，37.3，說明隨著發(fā)泡用水量的增加，SBS改性泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性存在略微降低，原因是瀝青中殘留水分降低了泡沫瀝青的粘彈性。與基質泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的線性回歸方程斜率的絕對值均<49.9，表明SBS改性泡沫瀝青在40～80 ℃時，其溫度穩(wěn)定性更好，泡沫瀝青的性能也更加的穩(wěn)定。主要原因是SBS改性劑加入到基質瀝青中，經過一系列的物理變化，使得SBS聚合物極性偏向于膠質。

圖1 基質泡沫瀝青復數儲能模量(G′)對數與溫度(T)對數關系(W為發(fā)泡用水量)

圖2 SBS改性泡沫瀝青復數儲能模量(G′)對數與溫度(T)對數關系(W為發(fā)泡用水量)

2.1.3 泡沫瀝青粘度研究 采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)的溫度掃描實驗模式來研究泡沫瀝青粘度隨用水量的變化的影響，實驗參數：溫度為60～80 ℃、發(fā)泡用水量為0%～2%。粘度變化曲線見圖3、圖4。

圖3 基質泡沫瀝青高溫粘度

圖4 SBS改性泡沫瀝青高溫粘度

由圖3、圖4可知，當實驗溫度一定時，發(fā)泡過程將會降低瀝青的粘度，所以泡沫瀝青可適用于溫拌技術。當用水量從1%提高到2%時，發(fā)現基質泡沫瀝青的粘度基本無變化，而SBS改性泡沫瀝青的粘度存在一定程度的下降。當實驗溫度升高時，泡沫瀝青中殘留水分減少，瀝青發(fā)泡前后的粘度逐漸相等。在相同溫度和用水量條件下，與基質泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的粘度更高，對集料的黏附性更好，路用性能更佳。

2.2 疲勞特性

采用DSR的Time-sweep模式研究瀝青發(fā)泡前后疲勞性能的變化，將復數模量減少到初始模量一半時的作用次數(Nf50)作為疲勞性能的評價指標[9-11]。實驗參數：溫度為25 ℃，應變?yōu)?%，實驗頻率為10 Hz，發(fā)泡用水量為1.5%，平行板直徑8 mm。瀝青的疲勞壽命變化見圖5、圖6。

圖5 基質泡沫瀝青的加載次數

圖6 SBS改性泡沫瀝青的加載次數

由圖5、圖6可知，基質瀝青與基質泡沫瀝青的加載次數分別為3 820次、2 301次，SBS改性瀝青發(fā)泡前后的加載次數分別為7 342次、7 025次，說明發(fā)泡過程將導致瀝青的耐久性下降。原因是泡沫瀝青中殘留水分影響了瀝青相的連續(xù)性。

基質瀝青發(fā)泡前后加載次數差距較大，而SBS改性瀝青發(fā)泡前后加載次數差距較小，說明SBS改性瀝青的疲勞穩(wěn)定性更好。與基質泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的實驗加載次數大約是它的3倍，原因是SBS改性劑中的聚合物構成了具有彈性的空間三維網狀結構。

2.3 低溫特性

采用差示掃描量熱儀(DSC)進行測試。實驗參數：保護氣(N2)流量50 mL/min，沖掃氣65 mL/min，升溫速率為15 K/min，溫度掃描范圍是-50～100 ℃，發(fā)泡用水量為1.5%。熱流率隨溫度變化關系曲線見圖7。

由圖7可知，瀝青經過發(fā)泡之后，其玻璃態(tài)轉變溫度Tg均有一定程度的提高，說明發(fā)泡過程將會導致瀝青的低溫抗裂性變差。原因是由于泡沫瀝青中殘留的水分凍結了其分子鏈，限制了其運動能力。

圖7 熱流率與溫度關系曲線

與基質泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的玻璃態(tài)轉變溫度Tg大約降低15 ℃，表明SBS改性泡沫瀝青的低溫抗裂性更好。原因是由于SBS改性劑中聚合物的玻璃態(tài)轉變溫度Tg為-15 ℃左右，給予了SBS改性泡沫瀝青良好的低溫特性。

3 結論

(1)流變特性實驗表明，發(fā)泡過程將導致泡沫瀝青的高溫性能和粘度下降，提高發(fā)泡用水量，泡沫瀝青的高溫性能和粘度將逐漸降低，對基質泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性影響不明顯，而對SBS改性泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性存在提高。與基質泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的高溫性能和溫度穩(wěn)定性更好。

(2)疲勞性能實驗表明，由于殘留水分的持續(xù)作用，發(fā)泡過程將導致瀝青的耐久性下降。與基質泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的耐久性更好。

(3)通過低溫實驗結果發(fā)現，由于泡沫瀝青中殘留著少量的水分，發(fā)泡過程將導致泡沫瀝青的玻璃態(tài)轉變溫度Tg略微升高，其低溫性能降低。較基質泡沫瀝青而言，SBS改性泡沫瀝青的玻璃態(tài)轉變溫度大約低了15 ℃，具有更好的低溫抗裂性。

(4)由于泡沫瀝青的粘度低，所以可以實現低溫條件下拌和，能降低二氧化碳排放，減少污染，節(jié)約成本但基質泡沫瀝青的高溫性能、疲勞性能以及低溫性能較普通瀝青有一定程度下降，SBS改性泡沫瀝青略有降低。