多種類(lèi)瀝青及復(fù)合改性材料常規(guī)-流變性能相關(guān)性分析

林楠 郭鋒 趙興寨

摘 要：通過(guò)試驗(yàn)研究膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青及混合改性瀝青微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)、高溫環(huán)境與低溫環(huán)境對(duì)其流變性能影響。測(cè)試結(jié)果表明：膠粉改性瀝青、SBS改性劑與瀝青相容性較好，但橡膠粉改性瀝青與石材之間界面附著力高于SBS改性瀝青。DSR試驗(yàn)表明：橡膠粉改性瀝青溫度具備低溫耐裂性及高溫耐變形性。綜上對(duì)混合改性瀝青流變性能研究，旨在為我國(guó)研發(fā)新型高性能瀝青提供有效技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：混合改性瀝青;高低溫環(huán)境;流變性能;膠粉改性瀝青;耐變形性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0050-04

Correlation Analysis of Conventional Rheological Properties of Various Kinds of Asphalt and Composite Modified Materials

Lin Nan1， Guo Feng2， Zhao Xingzhai1

（1.Xi an Railway Vocational and Technical College， Xi an 710600， China;

2.Shaanxi Deli Engineering Design Co.， Ltd.，Xi an 710000 ，China）

Abstract：The effects of microstructure， high temperature environment and low temperature environment on rheological properties of crumb rubber modified asphalt， SBS modified asphalt and mixed modified asphalt were studied. The test results show that rubber powder modified asphalt and SBS modifier have good coMPatibility with asphalt， but the interfacial adhesion between rubber powder modified asphalt and stone is higher than SBS modified asphalt. DSR test shows that rubber powder modified asphalt has low temperature crack resistance and high temperature deformation resistance. In conclusion， the research on rheological properties of mixed modified asphalt aims to provide effective technical support for the research and development of new high-performance asphalt in China.

Key words：mixed modified asphalt; high and low temperature environment; rheological properties; crumb rubber modified asphalt; deformation resistance

0 引言

瀝青混凝土路面在我國(guó)主要用于高級(jí)別公路，我國(guó)北方夏季與冬季溫差較大，由于瀝青對(duì)溫度具有較強(qiáng)敏感性，因此瀝青路面損壞現(xiàn)象，如夏季的車(chē)轍和冬季的脆性開(kāi)裂等，已逐漸引起道路維修部門(mén)重視。目前，我國(guó)迫切需要找到具有良好低溫抗裂性與高溫抗變形性的瀝青材料。瀝青及其混合物視為代表性粘彈性材料，其機(jī)械性能在瀝青路面使用中發(fā)揮重要作用。

石油瀝青與煤焦油瀝青相比，前者更具有較低分子量與分布廣泛等特性，其機(jī)械性能對(duì)溫度更具敏感性、低溫環(huán)境易發(fā)生脆裂、高溫環(huán)境易流動(dòng)、彈性性能極差、并且抗老性能較差，上述原因?qū)κ蜑r青應(yīng)用范圍存在約束條件。煤焦油瀝青具備極高軟化點(diǎn)，其對(duì)礦物顆粒具有良好附著力。如果將其直接與石油瀝青融合使用，則會(huì)減弱石油瀝青蠕變性能及低溫抗裂性。所以，在石油瀝青中加入煤焦油瀝青和SBS能夠加強(qiáng)石油瀝青流變性能。目前我國(guó)對(duì)煤焦油瀝青及石油瀝青混合性能研究鮮少，混合后的改性瀝青流動(dòng)性能是否得到改善還有待考究。為有效解決上述問(wèn)題，試驗(yàn)中將軟化后的煤焦油瀝青與石油瀝青混合，加入適當(dāng)改性劑，探究其在高溫和低溫環(huán)境下的流變性、可塑性及粘彈性，以期為研發(fā)新型高性能瀝青提供技術(shù)支持。

1 改性瀝青流變性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

改性瀝青流變性能試驗(yàn)所用儀器及產(chǎn)地、試劑及配比產(chǎn)地等如表1所示。

1.2 試驗(yàn)步驟

首先，將煤瀝青與焦油放置在115～155℃環(huán)境下充分?jǐn)嚢枞诤?其次，按一定比例將其與石油瀝青均勻融合，并將混合物加熱至145～200℃，在其中放入添加劑及SBS，將其放置發(fā)育3～5h后制作模型探究其性能指標(biāo)及在不同溫度下黏度變化情況[1];最后，檢測(cè)改性瀝青的滲透性、延展性、軟化點(diǎn)等性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與性能研究

2.1 改性瀝青高溫環(huán)境流變性能

在瀝青材料中分別添加15%質(zhì)量、20%質(zhì)量的軟化煤瀝青，將其充分均勻混合得到改性后瀝青，其軟化點(diǎn)隨軟軟化煤瀝青添加量的變化規(guī)律如圖1所示。

判斷道路瀝青高溫性能與否首要標(biāo)準(zhǔn)即是其軟化點(diǎn)。由圖1看出，改性瀝青軟化點(diǎn)明顯高于原始瀝青軟化點(diǎn)，充分表明SBS與煤焦油瀝青對(duì)瀝青改性起到良好效果，并可以滿(mǎn)足公路瀝青高溫性能標(biāo)準(zhǔn)[2]。當(dāng)SBS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是添加總量5%時(shí)，改性瀝青的t800為76～85℃;在相同SBS用量下，15%煤瀝青軟化點(diǎn)比20%煤瀝青軟化點(diǎn)高出4～8℃。兩者曲線(xiàn)變化趨勢(shì)幾乎相同，與SBS含量變化引起相比，兩者之間差異較小。所以，能夠初步判定SBS對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)影響高于對(duì)煤焦油瀝青軟化點(diǎn)影響，并占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.2 改性瀝青低溫環(huán)境流變性能

在瀝青材料中分別添加15%質(zhì)量、20%質(zhì)量的軟化煤瀝青，將其充分均勻混合得到改性后瀝青，其延展度隨軟軟化煤瀝青添加量的變化規(guī)律如圖2所示[3]。

瀝青在5℃環(huán)境中的延展性是衡量其低溫流變性能重要標(biāo)準(zhǔn)。延展性值越高，則瀝青的低溫流變性能越強(qiáng)，并其抗低溫破裂性也越強(qiáng)。圖2中可以看出，混合改性瀝青延展性遠(yuǎn)高于原始瀝青延展性。這表明通過(guò)混合改性可以顯著改善瀝青低溫流變性能，隨著SBS含量增加，改性瀝青的延展性先升高后下降[4]。15%軟化煤焦油瀝青的改性瀝青延展性比20%軟化煤焦油瀝青改性瀝青的延展性高50～100mm，流變性能更加明顯。當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，前者延展度最高值為1080mm;當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí)，后者延展度最高值為970mm。

綜上所述，軟化瀝青含量為15%改性瀝青的高溫及低溫流變性能要高于軟化瀝青含量為20%的改性瀝青;當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，前者的高溫和低溫流變性能更好。

2.3 改性瀝青綜合流變性能

SBS改性瀝青的軟化瀝青含量為15%的質(zhì)量設(shè)置為100份，其中SBS包含12%B1、16%B2、20%B3、24%B4和28%B5[5];將具有20%軟化煤焦油瀝青的SBS改性瀝青的質(zhì)量設(shè)置為100份，通過(guò)SBS改性的瀝青包含12%D1、16%D2、20%D3、24%D4和28%D5。E1代表原油石油瀝青，測(cè)量?jī)蓚€(gè)系列黏度溫度曲線(xiàn)，如圖3、圖4所示。

在兩個(gè)圖中，根據(jù)SBS含量增多，在相同溫度下每個(gè)樣品的黏度均有增加，而每個(gè)樣品粘度在140～170℃溫度范圍內(nèi)逐漸增加。改性瀝青黏度高于原油瀝青，SBS構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是改性瀝青黏度增加的首要因素[6]。比較兩個(gè)相同SBS比的瀝青黏度，軟化質(zhì)量為20%的改性瀝青黏度比軟化質(zhì)量為15%的改性瀝青黏度高230～350mPa·s，相比之下SBS添加含量變化值，前者對(duì)瀝青黏度增加作用較小。盡管煤焦油瀝青能夠提高混合改性瀝青的黏性能，但對(duì)其作用影響較小，有助于將混合改性瀝青與石材在較低溫度下混合[7]。B系列中，在130～155℃溫度環(huán)境中，其黏度處于中等水平，流變性良好，能夠迅速增加碎石顆粒表面、減少改造時(shí)間，另外，瀝青有助于提升瀝青混合物黏力。在D系列中，SBS含量為4%的樣品黏度與B3相近，但通過(guò)綜合性能標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，SBS含量為5%、軟化煤焦油含量為15%的改性瀝青具備良好的流變性能。

3 相關(guān)因素對(duì)混合改性瀝青流變性能影響研究

3.1 負(fù)載頻率對(duì)改性瀝青流變性能影響

圖5顯示在不同溫度下膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的相角頻率曲線(xiàn)變化圖。能夠看出，隨溫度緩慢上升，兩種瀝青相角變化趨勢(shì)逐漸增大，即表明材料粘黏性隨溫度升高而增大。比較上述兩種材料，發(fā)現(xiàn)在相同頻率下，低溫環(huán)境下膠粉改性瀝青比SBS改性瀝青相角較大，表明低溫環(huán)境下膠粉改性瀝青具備較多損耗模量導(dǎo)致發(fā)生變形現(xiàn)象增多，因此其粘黏性能優(yōu)于SBS改性瀝青，能夠有效控制度道路因低溫開(kāi)裂等現(xiàn)象[8];在高溫環(huán)境中膠粉改性瀝青相角小于SBS改性瀝青相角，表明膠粉改性瀝青在高溫環(huán)境中具備儲(chǔ)能模量，使其剛度性能較好，不易受高溫影響產(chǎn)生變形等現(xiàn)象。在相同溫度環(huán)境中，膠粉改性瀝青相角變化率與SBS改性瀝青相比前者小于后者，這表明添加膠粉改性瀝青的瀝青溫度敏感性低于SBS改性瀝青，膠粉改性瀝青更具溫度穩(wěn)定性。

從圖5可以看出，兩種改性瀝青相角在不同溫度下隨加載頻率的增加而減小，即頻率越大，車(chē)轍發(fā)生變形情況越少[9]。加載頻率與車(chē)輛道路行駛速度一樣，頻率越高相應(yīng)驅(qū)動(dòng)速度也就越高。速度越高即載荷作用在路面上的時(shí)間越短，并且載荷造成的變形在其散布之前已完全消散，因此不易形成車(chē)轍痕跡。所以，當(dāng)頻率較高時(shí)，瀝青具有較強(qiáng)抗車(chē)轍性能，與實(shí)際道路車(chē)轍現(xiàn)象一致。

3.2 阻尼性能對(duì)改性瀝青流變性能影響

在荷載作用下，瀝青混合物將發(fā)生熱能與力學(xué)性能轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致其能量過(guò)度消耗直至散盡，粘彈性材料力學(xué)性能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芸赏ㄟ^(guò)阻尼能量進(jìn)行表示。阻尼能量是在標(biāo)準(zhǔn)振幅下，清晰表示每個(gè)循環(huán)負(fù)載下耗損能量與存儲(chǔ)能量比值。根據(jù)科研人員研究結(jié)果，在正弦負(fù)載下的阻尼能量Δg=2πsinδ[10]。由試驗(yàn)可以證明，在相同頻率基礎(chǔ)上，低溫環(huán)境中膠粉改性瀝青比SBS改性瀝青具有較強(qiáng)阻尼性能，這表明膠粉改性瀝青可以在低溫環(huán)境下發(fā)生較大變形現(xiàn)象，能夠有效抑制路面低溫崩裂等現(xiàn)象;在高溫環(huán)境中SBS改性瀝青阻尼性能高于膠粉改性瀝青，說(shuō)明SBS改性瀝青在高溫環(huán)境中會(huì)發(fā)生較大變形現(xiàn)象，而膠粉改性瀝青具備良好高溫抗變形能力。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在軟化瀝青含量為15%的混合改性瀝青中，其高溫、低溫流變性能高于軟化瀝青含量為20%的混合改性瀝青流變性能。

（2）SBS含量為5%、軟化煤焦油含量為15%的改性瀝青具備良好的流變性能。

（3）石油瀝青與軟化煤焦油瀝青均勻融合，能夠提高改性瀝青粘結(jié)性能，使混合改性瀝青與石材混合溫度有所下降。

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