BRA 改性瀝青流變特性試驗研究

武紅英，鄒 純

（中證財項目管理有限公司，山西 太原 030021）

0 引言

在車輛荷載和自然環(huán)境的耦合作用下，由于瀝青膠結料的流變特性不良導致的車轍、裂縫等病害，是瀝青路面的主要破壞形式。此類病害并非僅發(fā)生在路面的上面層，通常會延展到中面層，不僅增加了道路維修和養(yǎng)護工作的難度，也消耗了大量的人力、物力。為提高瀝青路面的耐久性，國內外學者[1-2]進行了大量的研究，通過對基質瀝青進行改性，提高其性能是主要手段之一。在眾多的改性方式中，天然瀝青改性又以價格低廉、施工便捷，以及優(yōu)良的改性效果被廣泛應用，如布敦巖瀝青改性瀝青（BRA）[3]。程龍等[4]研究了BRA 改性瀝青的高溫流變特性，表明BRA 能提高基質瀝青的高溫性能。趙群等[5]考慮了短期老化后BRA 改性瀝青的高溫流變特性，研究發(fā)現(xiàn)，在高溫區(qū)間內，短期老化可以提高BRA 改性瀝青的抗變形能力。目前關于BRA 改性瀝青的研究，主要集中在基本路用性能方面，而流變特性方面的研究較少，且多為高溫流變特性。基于以上背景，本文對BRA 改性瀝青的基本指標和高溫流變特性進行了研究。

1 原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 基質瀝青

采用70 號道路石油瀝青，瀝青技術性能試驗結果如表1 所示，其各項性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)[6]的技術要求。

表1 瀝青試驗指標

1.1.2 改性劑

改性劑選用BRA，BRA 屬于天然瀝青改性劑，其主要技術指標如表2 所示。

表2 BRA 的技術指標

1.2 試驗方法

1.2.1 BRA 改性瀝青制備

將基質瀝青加熱到充分流動狀態(tài)，之后把摻量分別為25%、50%BRA改性劑加入其中，并采用剪切機在恒定溫度條件下進行攪拌，攪拌時間為30 min，待瀝青中的氣泡充分排除后倒入燒杯中備用。

1.2.2 BRA 改性瀝青化學組成分析

分析BRA 改性瀝青的化學元素組成，主要包括：氮、碳、氫等基本元素。

1.2.3 BRA 改性瀝青流變特性研究

采用Brookfield 旋轉黏度試驗，研究BRA 改性瀝青的黏溫特性；采用動態(tài)剪切流變試驗（DSR），在基于應變控制模式下，研究老化前后的BRA 改性瀝青的高溫流變特性。試驗嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）進行[7]。

2 試驗結果與分析

2.1 化學組成分析

瀝青是一種特殊的碳氫化合物，同時又兼有非金屬衍生物的特點，因此瀝青的化學組成較為特別，含有多種微量元素。不同的微量元素構成導致不同類型瀝青間的性能差異較大。例如，改性瀝青通常由于氧元素含量較高，從而使得其抗氧化能力優(yōu)于普通瀝青。因此，從微觀的角度，通過研究BRA 改性瀝青的化學組成，可以分析BRA 改性劑對基質瀝青的性能影響規(guī)律。表3 為基質瀝青和BRA 改性瀝青的元素分析結果。

表3 基質瀝青和BRA 改性瀝青的元素分析結果

根據(jù)元素測定的試驗數(shù)據(jù)分析可知，BRA 改性劑的加入使得基質瀝青的元素組成發(fā)生了明顯改變。其中硫元素以及氧元素均得到了明顯提升，硫元素相比基質瀝青增加了83.3%，氮元素增加了87.5%，而氧元素更是突增了22.2 倍。目前研究認為，較高的硫元素可以提高瀝青的均勻性，經(jīng)BRA改性后的瀝青可能具備更好的黏附性。

2.2 Brookfield 旋轉黏度

瀝青的黏度具有明顯的感溫性，可以隨溫度的變化而變化，瀝青的黏溫關系是瀝青流變學研究的基本內容之一[5]。圖1 為不同摻量BRA 改性瀝青的黏溫關系曲線圖。

圖1 BRA 改性瀝青黏溫曲線圖及135 ℃下的黏度值

由圖1 可以看出，在110 ℃～150 ℃的溫度區(qū)間內，隨著溫度的升高，基質瀝青和BRA 改性瀝青的黏度均有所降低，這符合瀝青本身的特性，即溫度越高，瀝青的流動性越明顯。通過對比基質瀝青和BRA 改性瀝青的黏度可以得到，在相同溫度下，不同摻量BRA 改性后瀝青的黏度均明顯高于基質瀝青。其中25%摻量下的BRA 改性瀝青的黏度是基質瀝青的1.5 倍。當BRA 摻量增加至50%時，改性瀝青的黏度得到了進一步提高，其黏度值和同等溫度下的基質瀝青膠漿幾乎相等。而BRA 改性瀝青黏度值是基質瀝青的4.2 倍，高溫性能得到了大幅提升。

值得注意的是，瀝青的黏度并非越高越好。當黏度過高時，由于瀝青流動性較低，不僅會增加瀝青混合料的拌合強度，同時還會使得瀝青裹復集料不均勻，并最終影響路面鋪筑后的使用性能。因此，我國的《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》以及SHRP 瀝青膠結料中也對瀝青的高溫黏度值進行了相應規(guī)定，135 ℃時黏度值不大于3 Pa·s。為此，本文進一步研究了135 ℃下BRA 改性瀝青的黏度值。由圖1 可知，隨著BRA 摻量的提高，改性瀝青的黏度也得到了相應提高，但即使是純BRA 摻量下的黏度也僅為1.6 Pa·s，遠小于規(guī)范 3 Pa·s 的限定值。綜上所述，BRA 改性劑在使得基質瀝青具有良好高溫性能的同時，也可以充分保證其施工和易性。

2.3 高溫流變性能

目前國內外研究瀝青的高溫流變特性主要是基于Superpave 體系里的動態(tài)剪切流變試驗進行的，通過測量相位角δ 和復數(shù)模量G*，可以計算出車轍因子G* / sinδ 以表征瀝青高溫流變性能。瀝青的車轍因子越高，其抵抗高溫變形的能力越強。表4 顯示了在不同溫度下不同BRA 摻量改性瀝青的車轍因子 G* /sinδ 試驗結果。

表4 不同BRA 摻量改性瀝青的抗車轍因子

由表4 可知，隨著溫度的升高，基質瀝青和BRA 改性瀝青的車轍因子均有所下降，這主要是因為溫度升高，瀝青的流動性增加導致的。此外，在相同溫度下，BRA 改性瀝青的車轍因子均大于基質瀝青及瀝青膠漿。當溫度為64 ℃下，摻50% BRA 改性瀝青的車轍因子相比基質瀝青分別提高了74.8%。此外，動態(tài)剪切流變試驗，當瀝青的車轍因子小于1.0 kPa 時候停止試驗，即默認瀝青已達到一定程度的流動態(tài)，此時瀝青的抗變形能力較弱。對于基質瀝青，當溫度達到76 ℃時，其車轍因子已小于1.0 kPa。而50%摻量BRA 改性瀝青的車轍因子仍可保持在1.23 kPa，甚至高于同等溫度下基質瀝青膠漿的車轍因子。BRA 改性瀝青的失效溫度可提高至82 ℃，抗高溫變形能力顯著提升。

3 結語

本文采用室內試驗研究了高溫條件下BRA 的流變特性，主要結論如下：

a）BRA 改性劑的加入使得基質瀝青的硫元素以及氧元素均得到了明顯提升，而氫元素、碳元素則有所降低。

b）Brookfield 旋轉黏度試驗表明，在相同溫度下，50%和100%摻量的BRA 改性瀝青的黏度分別是基質瀝青的1.5 和4.2 倍，高溫性能得到了顯著改善。此外BRA 改性瀝青的135 ℃黏度值均小于3 Pa·s，具有良好的施工和易性。

c）相同溫度下BRA 改性瀝青的車轍因子大于基質瀝青和瀝青膠漿，且隨BRA 摻量的增加而愈發(fā)顯著。