基于動態剪切流變試驗的硅粉/SBS復合改性瀝青性能分析

，*，

(1.東北林業大學土木工程學院, 黑龍江哈爾濱150040；2.東北林業大學黑龍江省道路結構與綠色生態技術重點實驗室, 黑龍江哈爾濱150040；3.龍建路橋股份有限公司, 黑龍江哈爾濱150090)

0 引言

瀝青材料溫度敏感性強，高溫情況下瀝青路面容易產生車轍變形，在諸多研究中也都顯現SBS改性瀝青的優良性能[1-3]，高低溫性能均能在一定程度滿足路況要求，因此在實際工程中多應用SBS改性瀝青。但是對于二次復合改性瀝青的研究仍處于起步階段[4-10]，我國硅粉儲量豐富，同時硅粉又具有獨特的微孔結構，熱穩定性和吸附能力都很強，對硅粉作為改性劑制成改性瀝青在之前的研究過程中已有大量成果[10-14]。本文立足于SBS改性瀝青，以及硅粉作為改性劑的優良性能，將硅粉與SBS加入基質瀝青中二次復合制成硅粉/SBS復合改性瀝青，通過對復合改性瀝青的性能進行研究，探究加入硅粉之后的復合改性瀝青的性能變化。

1 試驗材料及瀝青制備

根據地域選擇東北三省地區三種硅粉材料，與SBS復合制成改性瀝青， SBS改性劑采用YH-791H(SBS1301)型，硅粉與SBS改性劑技術指標見表1和表2。

表1 三種硅粉主要技術指標Tab.1 Technical indicators of three silicon powders

為避免硅粉與SBS復合過程中出現分層、沉淀現象，采用以下方法制備改性瀝青。將基質瀝青加熱到170～190 ℃，加入SBS改性劑剪切機剪切60 min，再加入硅粉攪拌機攪拌30 min。根據研究表明[15]，硅粉與SBS制成復合改性瀝青的選擇摻量為：SBS為4 %，硅粉為6 %。

2 試驗數據集結果及分析

2.1 不同種類硅粉對復合改性瀝青性能的影響

根據文獻[16]試驗方法，摻量為4 %的SBS改性瀝青性能指標試驗結果見表3。

表3 SBS改性瀝青3大指標Tab.3 Three major indicators of SBS modified asphalt

選取的三種不同產地不同SiO2含量的硅粉根據制備工藝制成硅粉/SBS復合改性瀝青，測定的三大指標試驗數據結果見表4。

表4 三類硅粉/SBS復合改性瀝青3大指標Tab.4 Three major indicators of silicon/SBS composite modified asphalts

從表3和表4可看出，硅粉的加入可有效改善復合改性瀝青的高溫性能，且當SiO2含量大于92 %的硅粉對改性瀝青的性能有顯著的提高，軟化點、延度與針入度值均有明顯變化，硅粉/SBS復合改性瀝青的綜合性能越好，在之后復合改性瀝青的試驗中可使用SiO2含量高的硅粉作為改性劑。

2.2 硅粉/SBS改性瀝青流變性能

2.2.1 不同種類改性瀝青的流變性能

本文通過動態剪切流變試驗對基質瀝青、硅粉改性瀝青、SBS改性瀝青和硅粉/SBS復合改性瀝青進行對比研究，具體改性方案見表5。

表5 各類改性瀝青改性方案Tab.5 Modification schemes of modified asphalts

基質瀝青與三種改性瀝青動態剪切流變試驗數據結果見表6。

根據表6以及圖1～2可得，

① 隨著溫度的升高，復數剪切模量G*以及抗車轍因子G*/sinδ均降低。在相同溫度下，復數剪切模量G*以及抗車轍因子G*/sinδ的依次順序為硅粉/SBS復合改性瀝青>SBS改性瀝青>硅粉改性瀝青>基質瀝青，這說明硅粉的加入可提高瀝青的抗變形能力，降低瀝青的溫度敏感性[17]。

② 在試驗過程中，相位角隨著溫度的變化以及改性劑的加入并未出現很大變化，這說明硅粉的加入，與瀝青以及SBS不會發生化學變化產生新的物質，彈性、粘性成分組成比例不會發生明顯變化。

③ 根據SHAP對臨界溫度的規定[3]，G*/sinδ與溫度的關系式為ln(G*/sinδ)=lna-bT,其中a、b均為常系數，T為溫度，因此得到四種瀝青的臨界溫度，結果見表7。

從表7可看出，4種瀝青的相關系數值均在0.989～0.999之間，說明在自然對數坐標下，G*/sinδ與溫度具有很好的線性關系。b值也在0.065 7～0.125 9之間，且隨著改性劑的加入之間降低，說明硅粉的加入可降低瀝青對溫度的敏感性，提高瀝青材料的高溫穩定性。

表6 4種瀝青DSR試驗結果Tab.6 DSR test results of four asphalts

圖1G*與溫度的關系
Fig.1RelationshipbetweenG*andtemperature

圖2G*/sinδ與溫度的關系
Fig.2RelationshipbetweenG*/sinδandtemperature

表7 四種瀝青DSR試驗臨界溫度Tab.7 Critical temperature of four asphalts

2.2.2 不同硅粉摻量對硅粉/SBS復合改性瀝青流變性能影響

硅粉及加入可提高復合改性瀝青的性能，現取2 %、4 %、6 %與8 %四種不同硅粉摻量進行DSR動態剪切試驗，并評價不同硅粉摻量對硅粉/SBS復合改性瀝青的影響，試驗結果見表8。

表8 不同硅粉摻量DSR試驗結果Tab.8 DSR test results of different silicon powder contents

從表8可看出：

① 隨著硅粉摻量的增加，復數剪切模量G*與抗車轍因子G*/sinδ呈現先增后減的趨勢 ，當摻量增大到6 %時達到最佳。這說明硅粉摻量的增加會提高復合改性瀝青的抗變形能力，降低瀝青的溫度敏感性。

② 當硅粉摻量過大時，會使硅粉在瀝青中出現過于集中的現象，致使復合改性瀝青的抗變形能力減弱。這就解釋了硅粉摻量達到8 %后G*與G*/sinδ會出現降低的現象。不同硅粉摻量下復合改性瀝青的臨界溫度見表9。

表9 不同硅粉摻量復合改性瀝青DSR試驗臨界溫度Tab.9 Critical temperature of composite modified asphalt with different silicon powder contents

從表9可看出，各摻量的硅粉/SBS復合改性瀝青臨界溫度均大于SBS改性瀝青，隨著硅粉摻量的增加，臨界溫度呈先增后減的趨勢，硅粉摻量為6 %時為最佳臨界溫度，再增大到8 %后呈略微下降的趨勢。因此當硅粉摻量為6 %時硅粉/SBS復合改性瀝青，抗變形能力最大，溫度敏感性最低。

硅粉/SBS復合改性瀝青具有良好的流變性能主要原因在于：

① 在復合改性瀝青改性過程中，硅粉、SBS與瀝青屬于物理混溶狀態，不會發生化學反應產生新的物質。因此，在改性瀝青中，硅粉作為改性劑仍然能夠保留自身優良的材料性能。

② 硅粉堆積密度小，在剪切攪拌瀝青膠漿過程中，可以均勻分散在瀝青中，形成均勻連續的網狀結構，相容性較好，不易發生分層、凝聚或者分離現象的性質[18]。

③ 硅粉作為無機材料，導熱系數低，作為改性劑制成復合改性瀝青，會降低復合改性瀝青的導熱系數，使其高溫穩定性提高。

④ 硅粉粒徑微小，比表面積大，吸附性強，可以提高分子間作用力，降低復合改性瀝青的流動特性，提高抗變形能力[19]。

3 結論

本文選取三種不同產地不同SiO2含量的硅粉，通過制備工藝制成硅粉/SBS復合改性瀝青，根據三大性能指標測定及DSR流變試驗得到如下結論：

① 硅粉的加入有利于提高改性瀝青的高溫抗變形能力，復合改性瀝青軟化點提升，針入度降低，但延度值相對于SBS改性瀝青略降低。

② 選取不同SiO2含量的硅粉制成的復合改性瀝青,通過三大性能指標性能的測定,得到SiO2含量越高,改性瀝青的軟化點與延度均得到提升,即復合改性瀝青的高溫穩定性、低溫抗裂性越好,并且SiO2超過92 % 的活性硅對提高復合改性瀝青的性能有明顯效果。

③ 通過動態剪切流變試驗可看出，隨著硅粉的加入，復數剪切模量G*與抗車轍因子G*/sinδ均有一定程度的提高。在相同溫度下，復數剪切模量G*以及抗車轍因子G*/sinδ的依次順序為硅粉/SBS復合改性瀝青>SBS改性瀝青>硅粉改性瀝青>基質瀝青，這說明硅粉作為改性劑使改性瀝青具有很好的高溫抗變形能力。

④ 隨著硅粉摻量的增大，復數剪切模量與抗車轍因子呈先增大后減小的趨勢，硅粉摻量為6 %時硅粉/SBS復合改性瀝青的抗變形能力最高，溫度敏感性最小，高溫性能最優。