聚合物改性瀝青細觀結構和重復蠕變特性研究

王 嵐，常春清，邢永明

（1.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學 理學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

聚合物改性瀝青由于具有較好的高、低溫性能而被廣泛應用于瀝青路面.常用的聚合物改性瀝青有SBS改性瀝青、橡膠粉（CR）改性瀝青以及復合膠粉（CCR）改性瀝青等［1－3］.CR 改性瀝青是將廢舊橡膠輪胎磨成粉末加入瀝青中，經剪切研磨后再經溶脹作用而制成的一種環保型改性瀝青，具有造價低、高低溫性能及降噪性能良好等優點.CCR 改性瀝青是將SBS和廢舊橡膠粉同時作為改性劑并按一定比例加入瀝青中而制成的一種改性瀝青.近年來，這3種改性瀝青在包括內蒙古在內的中國西北部地區得到了廣泛應用.該類地區氣候溫差大，夏季高溫干燥，因而要求瀝青具有較低的溫度敏感性和較好的抗高溫變形性能.因此深入了解、對比分析上述3種改性瀝青的性能，可為合理選用瀝青提供理論依據.

目前，關于瀝青蠕變性能的研究很多.如利用彎曲梁流變儀（BBR），通過對低溫條件下瀝青的彎曲蠕變勁度及彎曲勁度－時間關系曲線的斜率進行分析，以研究膠粉改性瀝青膠粉含量、溶脹率對其低溫性能的影響［4－5］，以及老化作用對改性瀝青低溫性能的影響［6－7］；也有利用動態剪切流變儀（DSR）對瀝青進行剪切蠕變試驗，通過總應變和永久應變來分析瀝青的變形恢復能力［8］；利用DSR 通過剪切蠕變試驗、蠕變恢復試驗及重復蠕變試驗，對蠕變柔量、永久變形及累積應變的變化進行分析，研究熱瀝青添加劑對瀝青流變性能的影響［9］；還有利用蠕變恢復試驗數據進行擬合，得到伯格斯模型參數，進而對瀝青的黏彈特性及抗車轍性能進行分析［10－11］；此外，通過研究證明，利用重復蠕變試驗得到蠕變勁度的黏性部分來評價瀝青的抗高溫特性與混合料車轍試驗結果一致，說明利用蠕變勁度的黏性部分來評價瀝青黏彈特性具有可靠性［12］.綜觀已有的相關研究，大多基于蠕變試驗、蠕變恢復試驗、重復蠕變試驗結果之上，而綜合瀝青細觀結構和重復蠕變特性，對比研究幾種聚合物改性瀝青流變性能隨溫度和荷載變化規律的還不多見.

本文針對中國西北部地區常用的3種聚合物改性瀝青，基于細觀結構特征及流變學原理，利用HITACHIS－3400N 掃描電子顯微鏡（SEM）來觀察3種改性瀝青的微觀結構表面形貌，得到其細觀結構特征；利用動態剪切流變儀（DSR）進行重復剪切蠕變試驗，對比分析改性瀝青的高溫變形恢復特性，得出3種聚合物改性瀝青膠漿變形隨時間、溫度和荷載的變化規律.

1 聚合物改性瀝青的微觀形貌分析

圖1 聚合物改性瀝青微觀形貌Fig.1 Microstructure of polymer modified asphalts

試驗所用基質瀝青均為盤錦AH－90道路石油瀝青，CR 改性瀝青為基質瀝青中摻入20%1）本文所涉及的摻量等均為質量分數.的0.60mm（30目）橡膠粉顆粒制成；SBS改性瀝青中SBS改性劑的摻量為4%；CCR 改性瀝青中摻入18%的橡膠粉顆粒和2%的SBS改性劑.利用掃描電鏡觀察3 種改性瀝青的微觀形貌及改性劑的分布.試樣在掃描電鏡下的微觀表面形貌如圖1所示.由圖1可見，SBS改性瀝青中，由于SBS改性劑本身呈網狀結構，因此使其具有很強的吸附瀝青能力，兩者間融合很好，呈現出表面均勻的特征.CR改性瀝青中橡膠粉顆粒表面粗糙，因而具有較大的表面積，且不能溶解于瀝青，它和瀝青之間的界面模糊，界面厚度較大，橡膠顆粒被瀝青完全包裹，兩者緊密結合，兩相界面之間具有良好的黏結性.與SBS改性瀝青相比，CR 改性瀝青呈現出非均勻相，是一種不均勻體系.在瀝青中摻加膠粉顆粒后，由于兩者的模量不同，在溫度降低時會在膠粉顆粒中引起應力集中現象，促使其產生大量銀紋和剪切帶，此時膠粉顆粒會消耗大量能量，因此可以提高瀝青的沖擊強度和可塑性，使改性瀝青的低溫柔韌性能得到提高［13］.CCR 改性瀝青中的改性劑與瀝青間的界面結合狀態介于CR 和SBS改性瀝青之間，兼具SBS和CR 改性瀝青的性質.由于3種改性瀝青中的輕組分經過滲透、擴散進入SBS或橡膠粉顆粒網絡結構中，使SBS及橡膠粉顆粒溶脹，從而有效降低了游離蠟含量［14］.組分的變化使得高蠟含量的瀝青從溶膠結構轉變為溶－凝膠型結構，感溫性顯著下降.

2 重復蠕變試驗及分析

利用DSR 進行3種改性瀝青膠漿重復蠕變試驗.考慮到恢復時間接近蠕變時間的10倍已經足以使改性瀝青的延遲彈性得到完全恢復，且在重復荷載作用之后得到的永久變形發展曲線基本接近直線［13］，故加載方式采用加載1s（進行蠕變試驗）、卸載9s（變形恢復）作為1 次蠕變恢復循環，共進行100次循環.由于中國西北地區夏季路面最高溫度基本為50～65 ℃，因此重復蠕變試驗溫度t采用55，65℃，加載應力P 則采用150，300Pa.

2.1 累積應變

圖2為不同加載應力、不同試驗溫度下3種改性瀝青膠漿的重復蠕變累積應變曲線.可以看出，隨著加載次數的增加，3種改性瀝青的累積應變增大.由曲線斜率可以看出，無論在何種溫度和加載應力下，SBS改性瀝青累積應變增加的速率都為最大.在加載應力相同的情況下，溫度的升高均使改性瀝青的累積應變增加，其中CR 改性瀝青累積應變的增幅最小，SBS改性瀝青的增幅最大，而且在相同溫度下SBS改性瀝青累積應變隨加載次數增加而增加的幅度也是最大的.在3種改性瀝青中，CR 改性瀝青的累積應變最小，而SBS改性瀝青的累積應變最大，說明CR 改性瀝青對溫度的敏感性最小，具有較好的抵抗高溫變形能力，其次為CCR 改性瀝青.這是由于CR 改性瀝青中的橡膠粉在高溫下把芳香油從瀝青中吸附到了橡膠粉的聚合物鏈中，從而溶脹形成溶－凝膠狀結構，使瀝青的溫度敏感性降低［15］.當加載應力不同時，加載應力越大，改性瀝青的累積應變越大，其中SBS改性瀝青的增幅最大，CR 改性瀝青的增幅最小，說明CR 改性瀝青在高溫下具有最高的模量和抗變形能力.這是由于膠粉粒子在CR改性瀝青體系中起著增強作用，使得瀝青的模量增加.此外，由圖2還可看出，盡管3種改性瀝青的累積應變均隨溫度升高和應力增大而增加，但其中SBS改性瀝青的累積應變都為最大，其次為CCR 改性瀝青，說明SBS改性瀝青抗變形能力最差.

圖2 累積應變隨荷載作用次數變化關系Fig.2 Relationship between accumulated strain and loading number

2.2 延遲彈性性能

瀝青作為典型的黏彈性材料，具有一定的延遲彈性，在變形恢復研究中，黏度不再是唯一的指標，延遲彈性對改性瀝青變形發展的影響也至關重要.通過蠕變恢復試驗可將延遲彈性從永久變形中分離出來.將恢復階段的初始應變即卸載瞬時應變用εL表示，恢復階段末的殘余應變用εP表示.用εP／εL表示永久變形占總變形的比例，即變形中黏性部分的比例.

統計3種改性瀝青在加載應力P＝150Pa，試驗溫度t＝55，65℃條件下重復蠕變試驗的應變后得出了加載次數為1，10，25，50，75，90，100次時的εP／εL值，如圖3所示.由圖3可見，在不同試驗溫度下，3種改性瀝青的εP／εL值在加載前期階段都隨著加載次數的增加而增加，體現了瀝青的永久變形隨加載次數的增加而不斷積累；CCR 改性瀝青及SBS改性瀝青在加載25次之后的εP／εL值基本趨于平緩且較接近，在50次之后這種趨勢則更加明顯，而CR改性瀝青在加載50次之后的εP／εL值也趨于平緩.情況表明，加載50次后隨加載次數的增加材料變形發展逐漸趨于穩定，改性瀝青延遲彈性的影響也隨之減小.因此可以認為加載次數達到50次后，加載應力的影響已比較穩定，用此時的累積應變可以對瀝青進行可靠的評價.

圖3 εP／εL隨加載次數變化關系Fig.3 Relationship betweenεP／εL and loading number（P＝150Pa）

2.3 蠕變勁度模量

由四單元Burgers模型本構方程可知，瀝青的蠕變柔量J（t）主要由3部分組成：彈性部分Je，延遲彈性部分Jde和黏性部分Jv，即：

在評價改性瀝青高溫性能時，用瀝青高溫性能評價指標G＊／sinδ 無法反映瀝青結合料的延遲彈性變形.因為在動態剪切試驗結果中，G＊作為瀝青的勁度模量包括了瀝青的彈性和黏性兩部分，而δ也是關于彈性和黏性的相對指標.用G＊／sinδ作為高溫性能評價指標僅僅將瀝青的彈性部分和黏性部分分開，而黏性部分中存在著延遲彈性部分，它會使瀝青變形隨著荷載作用的消失而逐漸恢復.尤其是聚合物改性瀝青，由于改性劑的添加提高了瀝青的彈性和延遲彈性部分的性能，所以G＊／sinδ并不是評價改性瀝青高溫性能的最佳指標.

文獻［16－17］提出采用黏性柔度的倒數GV（蠕變勁度的黏性部分）作為評價改性瀝青高溫性能的指標.因為黏性變形是產生永久變形的主要原因，對Burgers流變模型分析可知，GV的擬合是基于Burgers模型中Maxwell元件黏壺部分的殘余應變與時間t的關系特性，反映的是瀝青對永久變形的抵抗能力，它將改性瀝青的延遲彈性從黏性部分中分離出來.因此，通過對改性瀝青黏性性能的研究來評價其高溫變形性能是行之有效的，GV與瀝青混合料抗車轍變形性能具有較好的相關性.

針對3種改性瀝青在55℃，150Pa條件下的試驗結果，利用Burgers模型本構方程（式（2）），通過試驗數據擬合得到GV值，GV值與加載次數之間的關系見圖4.由圖4可知，3種改性瀝青在加載初期的GV值較大，隨著加載次數的增加而逐漸減小，并在50次之后開始保持穩定.Bahia等［16］建議采用第50次和51次蠕變恢復試驗的數據進行流變模型擬合，以剔除初期加載不穩定因素和延遲彈性效應的影響.由圖4可明顯看出，CR 改性瀝青的GV值大于CCR 改性瀝青和SBS 改性瀝青的CV值，說明CR 改性瀝青具有更好的抗車轍能力.

式中：J0，J1為彈性柔量（MPa－1）；η1 為Burgers模型中黏壺1的黏滯系數.

圖4 GV隨加載次數的變化Fig.4 Relationship between GV and loading number（t＝55℃，P＝150Pa）

為分析不同溫度及加載應力下3種改性瀝青黏性性能的變化規律，采用Origin軟件分別對它們在重復蠕變恢復試驗第50次和第51次的數據進行擬合得到GV值，并對其取平均，結果見圖5.由圖5可知，隨溫度增加，3種改性瀝青的GV值減小，說明改性瀝青抵抗變形的能力隨溫度升高而下降，這與實際瀝青路面的高溫性能變化規律相一致.在溫度相同、加載應力不同時各改性瀝青的GV值均變化不大，這說明加載應力的變化不至于影響改性瀝青的黏性性能.對比分析3種改性瀝青在不同溫度及加載應力下的GV值，可以看到CR 改性瀝青明顯大于CCR 改性瀝青和SBS改性瀝青，說明CR 改性瀝青的抗高溫變形能力要強于另外2種改性瀝青.

圖5 3種改性瀝青在不同條件下的GV值Fig.5 GV values for three modified asphalts under different conditions

3 結論

（1）橡膠粉和SBS改性劑與瀝青間界面結合良好，使得改性瀝青的相態結構發生變化，降低了瀝青的感溫性.

（2）隨加載次數、加載應力的增大和溫度的升高，3種改性瀝青的累積應變增大，其中CR 改性瀝青的累積應變最小，具有最好的抗高溫變形能力和最小的溫度敏感性，其次為CCR 改性瀝青.

（3）采用重復蠕變恢復試驗第50次和第51次數據進行擬合得到的GV值來評價瀝青的高溫性能，發現CR 改性瀝青的GV值最大，因而具有最好的蠕變恢復能力，其次為CCR 改性瀝青.

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