高性能高黏改性瀝青高低溫性能研究

賀玉瑩， 賈曉鵬， 王菲菲， 張艷君*， 趙立東

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院, 邯鄲 056038； 2.中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司, 北京 100176； 3.河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司， 秦皇島 066099)

隨著道路行業(yè)的快速發(fā)展，抗滑降噪大孔隙瀝青路面由于可及時(shí)將路面積水排出，抑制濺水起霧,消除不利作用路表水膜，抗滑降噪等優(yōu)異的路用性能，逐漸在中國(guó)大面積推廣應(yīng)用[1]。作為核心材料的高黏改性瀝青具備黏度高，彈性好的特點(diǎn)，其優(yōu)異的高低溫性能及耐久性從而保證了抗滑降噪路面的路用性能及使用壽命。

中國(guó)對(duì)高黏改性瀝青的研究與應(yīng)用起步較晚，早期依賴進(jìn)口材料，隨著中國(guó)改性技術(shù)的提升，針對(duì)高黏改性瀝青的研究也逐漸增多[2-5]。交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的高黏改性劑HVA技術(shù)引領(lǐng)了中國(guó)高黏改性瀝青的發(fā)展[6]。徐國(guó)其等[7]研究了3種高黏改性劑制備的高黏改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，結(jié)果表明，隨著時(shí)間的增加改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性能會(huì)下降，李欠[8]將兩種高黏改性劑與基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行摻配，從抗密度、抗剪切能力、熱穩(wěn)定性等方面入手，探究高黏改性劑的改性效果。Hu等[9]通過(guò)黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)、紅外光譜實(shí)驗(yàn)對(duì)高黏改性瀝青的自愈性進(jìn)行了研究，并與基質(zhì)瀝青的性能進(jìn)行比較。

為進(jìn)一步改善高黏改性瀝青的性能，提升抗滑降噪大孔隙瀝青路面耐久性，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)高性能高黏改性劑HVA-H，采用光學(xué)顯微鏡觀察不同高黏劑摻量下改性瀝青的分散性，采用測(cè)力延度試驗(yàn)與低溫小梁彎曲試驗(yàn)(bending beam rheometer test,BBR)研究其低溫性能；通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(dynamic shear rheological test，DSR)與穩(wěn)態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)分析其高溫穩(wěn)定性，綜合評(píng)價(jià)高黏改性瀝青的性能，并與HVA高黏改性劑和其他廠家高黏改性劑進(jìn)行對(duì)比研究，為其在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性瀝青

試驗(yàn)中采用苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 SBS modified asphalt technical index

1.1.2 高黏改性劑

HVA-H高黏改性劑為中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司在HVA高黏改性劑基礎(chǔ)上進(jìn)行的產(chǎn)品升級(jí)，外觀圖[圖1(a)]為淡黃色橡膠顆粒，直徑小于2 mm，這是因?yàn)橹睆教螅唣じ男詣┎荒芗?xì)化并均勻地分散于瀝青中，容易產(chǎn)生離析。HVA高黏改性劑如圖1(b)所示、粉末高黏改性劑如圖1(c)所示，性能指標(biāo)如表2所示。均滿足《瀝青混合料改性添加劑第2部分：高黏度添加劑》(JT/T860.2—2013)要求。

圖1 高黏改性劑Fig.1 High viscosity additive

表2 高黏改性劑性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of high adhesive modifier

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熒光顯微鏡

采用德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的Stemi508型光學(xué)顯微鏡對(duì)高黏改性瀝青進(jìn)行微觀觀測(cè)。將加熱到180 ℃的SBS改性瀝青與HVA-H改性劑進(jìn)行摻配，改性劑摻加比例分別為4%、6%、8%、10%，高速剪切機(jī)在4 500 r/min勻速攪拌30 min，使改性劑均勻地分散在SBS改性瀝青中。將載玻片與蓋玻片放置烘箱中保溫10 min，取適量制備好的HVA-H高黏改性瀝青滴在載玻片上，蓋上蓋玻片并用手輕輕壓勻，將其水平放在180 ℃的恒溫烘箱中流平1 min后取出，用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀形貌。

1.2.2 測(cè)力延度試驗(yàn)

測(cè)力延度試驗(yàn)采用德國(guó)Anton Paar公司生產(chǎn)的DDA 3自動(dòng)力-延伸度測(cè)定儀。測(cè)試溫度為5 ℃,拉伸速率為5 cm/min。按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行測(cè)力延度試驗(yàn)，記錄延度和峰值力。

1.2.3 BBR試驗(yàn)

采用美國(guó)Cannon公司生產(chǎn)的TE-BBR彎曲梁流變儀對(duì)高黏改性瀝青進(jìn)行加載試驗(yàn)，樣條尺寸為127 mm×12.7 mm×6.35 mm，為了防止瀝青樣條變形影響勁度模量S和蠕變速率m值，脫模之前將澆注好的試件放在-5 ℃的冷卻室中冷卻30 min在脫模，脫模之后將瀝青樣條平放。分別在-12、-18、-24 ℃下以恒定的應(yīng)力輸入持續(xù)加載240 s，取第60秒的S與m試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以S≤300 MPa，m≥0.3為條件評(píng)價(jià)瀝青低溫等級(jí)。

1.2.4 DSR試驗(yàn)

采用德國(guó)Anton Paar公司生產(chǎn)的MCR72/92型旋轉(zhuǎn)流變儀分別對(duì)原樣瀝青和經(jīng)過(guò)薄膜烘箱試驗(yàn)(thin film oven test,TFOT)的瀝青進(jìn)行高溫性能研究，將制備好的瀝青緩緩倒入模型中，在室溫下放置半個(gè)小時(shí)，冷卻后脫模。試驗(yàn)時(shí)將瀝青放入板間距為1 mm的平行板之間，試驗(yàn)頻率10 rad/s。記錄溫度為58、64、70、76、82、88、94 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的車轍因子G*/sinδ，其中G*為復(fù)數(shù)剪切模量，δ為相位角。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 最佳摻量確定

亮點(diǎn)部分為改性劑體系；黑色部分為瀝青組分圖2 不同HVA-H改性劑摻量的高黏改性瀝青 熒光顯微圖像Fig.2 High viscosity modified asphalt fluorescence microscope with different HVA-H modifier dosages

對(duì)高黏改性瀝青進(jìn)行微觀觀測(cè)。如圖2所示?？梢钥闯觯?dāng)HVA-H高黏改性劑摻量小于6%時(shí)，SBS改性瀝青與HVA-H高黏改性劑之間的擴(kuò)散與吸附作用不充分，此時(shí)瀝青為連續(xù)相，分散相為HVA-H高黏改性劑，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還未形成。當(dāng)HVA-H高黏改性劑摻量為8%時(shí)，HVA-H高黏改性劑吸附SBS改性瀝青中的油分，在瀝青中充分發(fā)育、溶脹，并均勻分散其中，形成如“蜥蜴皮膚”一樣的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改性劑由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，HVA-H高黏改性瀝青中的改性劑與SBS改性瀝青均為連續(xù)相態(tài)，是最佳的相態(tài)分布體系，此時(shí)高黏改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性最好[10]。HVA-H高黏改性劑摻量10%時(shí)，SBS改性瀝青變?yōu)榉稚⑾?，填充在HVA-H高黏改性劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，改性劑含量過(guò)多，黏度變大，剪切制備過(guò)程中出現(xiàn)剪切不均勻，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。由以上分析可知，HVA-H高黏改性劑的最佳摻量為8%。

2.2 高黏改性瀝青性能研究

為與試驗(yàn)室原有的HVA高黏改性劑和其他廠家粉末高黏改性劑制成的高黏改性瀝青進(jìn)行性能對(duì)比，將SBS改性瀝青分別添加HVA-H高黏改性劑、HVA高黏改性劑和粉末高黏改性劑，在相同摻量8%下做進(jìn)一步的改性性能試驗(yàn)。各性能指標(biāo)如表3所示，均滿足《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3350-03—2020)[11]要求。

2.3 低溫性能研究

2.3.1 測(cè)力延度試驗(yàn)與分析

對(duì)拉伸柔量的定義學(xué)者們存在著爭(zhēng)議，段國(guó)勝[12]認(rèn)為拉伸柔量為峰值力fmax與其對(duì)應(yīng)的延度dmax之比；鄭錦聰?shù)萚13]認(rèn)為拉伸柔量為峰值力fmax與斷裂時(shí)延度d之比值?，F(xiàn)采用延度d做指標(biāo)，這是因?yàn)檠佣萪max只能代表峰值力時(shí)延度，不能評(píng)價(jià)全過(guò)程的拉伸特性，因此拉伸柔量的表達(dá)式為

表3 高黏改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of highly viscous modified asphalt

(1)

式(1)中：d為斷裂時(shí)延度，cm；fmax為峰值力，N。

如圖3所示，加入改性劑之后，老化前后的延度都得到不同程度的提升，表明高黏改性劑的加入能夠使瀝青的低溫性能得到改善。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/E20—2011)[14]中的低溫性能評(píng)價(jià)體系，HVA-H高黏改性瀝青延度最大，低溫性能最好,SBS改性瀝青延度最低，低溫性能最差，HVA高黏改性瀝青的延度與粉末高黏改性瀝青的延度相差不大，無(wú)法精確區(qū)分兩種瀝青低溫性能優(yōu)劣。由拉伸柔量的定義可知，拉伸柔量越小，改性瀝青的延展能力越強(qiáng)，低溫性能越好，通過(guò)計(jì)算拉伸柔量，得到低溫性能優(yōu)劣：SBS改性瀝青<粉末高黏改性瀝青

圖3 老化前后延度與拉伸柔量變化曲線Fig.3 The curve of the change in the amount of aging and the soft amount of stretch

2.3.2 BBR試驗(yàn)與分析

對(duì)4種瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。S為蠕變速率，其值越大，瀝青越脆，彈性恢復(fù)能力越差，對(duì)瀝青的低溫抗裂性能是不利的；m為勁度模量蠕變速率，其值越大，溫度應(yīng)力累積越緩慢，路面產(chǎn)生開(kāi)裂的可能性小。

由表4可以看出，SBS改性瀝青與粉末高黏改性瀝青低溫等級(jí)均為-22 ℃，與SBS改性瀝青相比，粉末高黏改性瀝青較稠，在溫度較低情況下，沒(méi)有韌性，容易開(kāi)裂破壞瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)；HVA-H與HVA高黏改性瀝青低溫等級(jí)均為-28 ℃，表明在低溫條件下，瀝青的黏韌性能起到作用，而HVA-H高黏改性瀝青m最大，S最小，說(shuō)明HVA-H高黏改性瀝青低溫下表現(xiàn)出更多的柔性，彈性恢復(fù)能力和松弛應(yīng)力的能力越好，抗永久變形的能力強(qiáng)，低溫下路面不容易產(chǎn)生開(kāi)裂[15]。

根據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制如圖4所示的點(diǎn)線圖。

從圖4可以看出：溫度由-12 ℃變化到-24 ℃，S逐漸變大，m逐漸變小，這是因?yàn)殡S著溫度的降低，SBS改性瀝青與改性劑分子間運(yùn)動(dòng)減弱，相互作用力減小，瀝青變硬、變脆，松弛能力逐漸下降，抗裂性能不佳，符合BBR試驗(yàn)表征瀝青材料的低溫和應(yīng)力松弛能力變化規(guī)律；SBS改性瀝青蠕變率最大，其次為粉末高黏改性瀝青和HVA高黏改性瀝青，HVA-H高黏改性瀝青蠕變速率最小，結(jié)合m的圖像比較規(guī)律得出：改性劑的添加使SBS改性瀝青的低溫性能得到不同程度的提升，低溫性能排序：粉末高黏改性瀝青

表4 高黏改性瀝青BBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Highly viscous modified asphalt BBR test data

圖4 BBR試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of the BBR test

瀝青混合料的低溫性能與BBR低溫蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)方法更為接近，但由于試驗(yàn)儀器昂貴，并未被廣泛使用，測(cè)力延度試驗(yàn)儀器成本低，操作簡(jiǎn)便，制樣方便，因此，研究測(cè)力延度與BBR兩者之間的相關(guān)性具有重要的工程實(shí)踐意義。將拉伸柔量與m值進(jìn)行二次擬合，探究二者的相關(guān)性，R2表示拉伸柔量與蠕變勁度m之間的相關(guān)關(guān)系，R2越大，拉伸柔量與蠕變勁度m之間的相關(guān)關(guān)系越好，R2最大值為1，擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 拉伸柔量與勁度模量值關(guān)系曲線Fig.5 Stretches the relationship curve between the soft amount and the m-value

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)S和m與《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/E20—2011)中[14]低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)延度之間不存在相關(guān)性，這主要是因?yàn)楦男詣┓N類不同，在瀝青中加入改性劑后，瀝青流變特性發(fā)生很大的改變，膠體結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜，因此，JTG/E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[14]中用延度指標(biāo)來(lái)表征瀝青低溫性能的優(yōu)劣已很難再滿足要求；圖5中老化前后R2均大于0.89，表明拉伸柔量f與反映瀝青低溫蠕變性能的勁度模量值關(guān)系密切。

綜上所述，測(cè)力延度試驗(yàn)制樣方便，造價(jià)低，操作簡(jiǎn)便，與BBR試驗(yàn)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，可以很好地評(píng)價(jià)低溫性能；HVA-H高黏改性瀝青低溫性能優(yōu)于其他高黏改性瀝青。

2.4 高溫性能研究

2.4.1 DSR試驗(yàn)與分析

瀝青PG分級(jí)是美國(guó)SHRP計(jì)劃中提出的以G*/sinδ作為分級(jí)指標(biāo)，對(duì)瀝青高溫性能進(jìn)行分級(jí)，是一種“溫度躍升”思想,從58 ℃開(kāi)始對(duì)老化前后的瀝青進(jìn)行掃描獲得瀝青G*/sinδ,若該溫度下瀝青的G*/sinδ滿足規(guī)范要求原樣瀝青和老化瀝青分別不小于1.0 kPa和2.20 kPa,直接進(jìn)入下一個(gè)溫度的掃描試驗(yàn),溫度級(jí)差為6 ℃，直到瀝青G*/sinδ不滿足要求為止，PG等級(jí)即為不滿足要求前一個(gè)測(cè)試溫度[16]。對(duì)4種高黏改性瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分級(jí)結(jié)果如表5所示。

表5 高溫分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 High temperature grading test results

由表5可知，SBS改性瀝青高溫等級(jí)為76 ℃，加入高黏改性劑后瀝青的稠度增加,流變性能均得到改善。粉末高黏改性瀝青高溫等級(jí)為88 ℃，流變性能提升較低。HVA-H和HVA高黏改性瀝青高溫等級(jí)均大于94 ℃，雖然高溫等級(jí)相等，但前者G*/sinδ較高，說(shuō)明HVA-H高黏改性瀝青的流動(dòng)變形小，高溫性能佳。瀝青的G*/sinδ在老化前后均隨溫度的升高而降低，這與相位角δ有關(guān)，溫度升高，瀝青逐漸由凍結(jié)狀態(tài)向流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，黏性成分不斷增加，表現(xiàn)為δ增大，G*/sinδ減小[17]。

根據(jù)表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制如圖6所示的車轍因子G*/sinδ隨溫度變化圖。

圖6 車轍因子G*/sinδ隨溫度變化圖Fig.6 Rut factor G*/sinδ is shown with temperature change

通過(guò)圖6進(jìn)行分析，SBS改性瀝青的G*/sinδ最低，彈性恢復(fù)能力和抗車轍性能最差，TFOT后SBS改性瀝青中輕質(zhì)組分揮發(fā)，黏性成分下降，流動(dòng)變形小，G*/sinδ得到提升。依次類推進(jìn)行G*/sinδ大小排序：SBS改性瀝青<粉末高黏改性瀝青

2.4.2 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)與分析

高黏改性瀝青的彈性比例較大,黏度狀態(tài)不穩(wěn)定，通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定黏度比較困難。在剪切速率χ→0的情況下,瀝青流動(dòng)性質(zhì)與偽塑性流體相似,在線性流動(dòng)區(qū)域中的黏度趨于常數(shù),并達(dá)到最大值,這個(gè)黏度就是零剪切黏度η0[18]。相關(guān)研究表明η0與60 ℃車轍試驗(yàn)存在密切關(guān)系，瀝青材料的抗車轍特性可用60 ℃η0來(lái)表征[19]。通過(guò)低頻穩(wěn)態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)對(duì)η0進(jìn)行逼近,同時(shí)運(yùn)用Carreau模型和Cross模型對(duì)曲線進(jìn)行擬合,兩種模型擬合式如式(2)、式(3)所示，擬合結(jié)果如圖7、表6所示。

Carreau模型擬合式為

(2)

Cross模型擬合式為

(3)

式中:η0為零剪切黏度，Pa·s;η∞為無(wú)限大速率黏度，Pa·s;χ為剪切速率，s-1;p為材料參數(shù)，無(wú)量綱；κ為特征松弛時(shí)間，無(wú)量綱。

由圖7可以看出，HVA-H與HVA高黏改性瀝青抗車轍能力較優(yōu)，這是因?yàn)檫@兩種改性劑充分且均勻地分散于SBS改性瀝青分子中，分子鏈之間相互鍵合交聯(lián)，內(nèi)聚力和摩擦力增加，形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使高溫性能得到提升。HVA-H配方中多添加了一種熱塑性彈性體材料，由連接到橡膠聚丁二烯(PB)片段的聚苯乙烯(PS)制成，兼具橡膠和樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)生交聯(lián)作用更充分，故HVA-H高黏改性瀝青抗車轍性能最好[20]；粉末高黏改性瀝青抗車轍能力較差，這是由于粉末高黏改性劑為粉末狀，密度小，體積大，在制備過(guò)程中剪切溶脹不均勻，存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，黏結(jié)力相對(duì)較弱。

表6 兩種流變模型擬合模型下的零剪切黏度擬合結(jié)果Table 6 The result of zero-shear viscosity fitting under two rheological models fitting models

圖7 零剪切黏度擬合圖Fig.7 Zero shear viscosity fit

由表6可知,對(duì)Carreau和Cross模型擬合式進(jìn)行擬合均可得到合理的η0值,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.98以上,后者的擬合結(jié)果較大, 這是因?yàn)樵诓牧系膽?yīng)力-應(yīng)變模型中,當(dāng)χ→0時(shí),瀝青的流變特性與牛頓流體接近；而當(dāng)χ為0～1時(shí),η0均隨著χ的增大而減小,此時(shí)為假塑性流體。因式(3)右側(cè)第二項(xiàng)分母值比式(2)大,因此用Origin2018軟件進(jìn)行擬合時(shí)，Cross模型擬合出來(lái)的η0大。3種高黏改性瀝青的η0均比SBS改性瀝青大,說(shuō)明高黏改性劑的摻加可不同程度提高SBS改性瀝青的高溫性能。Cross模型擬合結(jié)果顯示,HVA高黏改性瀝青與粉末高黏改性瀝青的η0值差別不大,無(wú)法很好區(qū)分這兩種高黏改性瀝青高溫性能優(yōu)劣，但Carreau模型擬合結(jié)果顯示，粉末高黏改性瀝青與HVA高黏改性瀝青的η0差別較大，可精確評(píng)價(jià)出不同高黏改性瀝青的高溫性能優(yōu)劣。3種高黏改性瀝青中抗車轍能力排序?yàn)椋悍勰└唣じ男詾r青

3 結(jié)論

(1)HVA-H高黏改性劑摻量為8%時(shí)高黏改性瀝青分散性最佳；HVA-H高黏改性劑高低溫性能均優(yōu)于HVA高黏改性劑和其他廠家粉末高黏改性劑。

(2)隨著新材料，新工藝的出現(xiàn)，規(guī)范中用延度已很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫變形能力，測(cè)力延度中拉伸柔量這一指標(biāo)能在一定程度上代替BBR試驗(yàn)，可用來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青低溫性能。

(3)高黏改性瀝青的高溫黏度評(píng)價(jià)指標(biāo)η0可通過(guò)Carreau模型與Cross模型擬合得到，但Carreau模型擬合流動(dòng)曲線更精確，推薦使用Carreau模型擬合。