溫拌膠粉改性瀝青的流變和微觀性能評價

王 嵐， 張 琪， 馮 蕾

(1.內蒙古工業大學 內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010051； 2.內蒙古工業大學 土木工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010051)

近年來，膠粉改性瀝青作為一種綠色公路材料被廣泛關注[1]，但是由于其施工過程的高能耗和高排放阻礙了它的推廣[2].應用溫拌技術，不僅可以降低膠粉改性瀝青混合料的施工溫度，還能改善服役期瀝青路面的流變性能并延長其使用壽命[3-4].羅望群等[5]研究發現使用溫拌膠粉改性瀝青能提高路面的高溫和抗疲勞性能.

目前，瀝青力學性能的研究主要依賴于動態剪切流變儀(DSR)、彎曲梁蠕變試驗(BBR)等宏觀試驗手段.原子力顯微鏡(AFM)作為一種研究物體微觀形貌及力學特性的儀器被應用到瀝青材料領域中.楊震等[6]利用AFM發現苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性劑的摻入提高了基質瀝青的微觀楊氏模量.常睿等[7]用AFM研究發現膠粉改性瀝青的微觀力學指標(黏附力、微觀楊氏模量、耗散能)較基質瀝青均有不同程度的提高，說明膠粉改性瀝青的微觀力學特性得到改善.但關于溫拌膠粉改性瀝青微觀形貌、力學特性及其與宏觀力學性能相關性的研究還不多見.本文利用AFM研究了2種溫拌劑對膠粉改性瀝青的微觀形貌和力學性能的影響，利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)探究瀝青結構狀態及官能團的變化，同時采用DSR試驗分析了2種溫拌劑對其宏觀流變性能的影響，并通過微觀力學性能和宏觀流變性能對比分析，探究兩者之間的關系.

1 試驗

1.1 原材料

1)文中涉及的摻量均為質量分數.

原樣瀝青為盤錦90#基質瀝青；選取山東交通科學研究院自主研發的降黏劑和表面活性劑作為溫拌劑，其中EM型降黏劑為白色片狀固體物，SDYK型表面活性劑為黃褐色乳狀固液混合物.EM型降黏劑的作用機理是：將熔點略低于瀝青的降黏劑摻加到瀝青中，降黏劑到達熔點后會以液體形式存在，增大瀝青的流動性，從而達到降低黏度的效果[8]，同時摻入降黏劑會使瀝青化學鍵發生變化，—CH烷基長鏈露到外側，形成降黏劑溶劑化層，阻礙瀝青4組分重新聚集在一起，起到隔離作用，有利于降低黏度[9].SDYK型表面活性劑作用原理是：將表面活性劑添加到瀝青中攪拌均勻后，親水基和水結合形成具有潤滑作用的結構性水膜，降低瀝青表面的張力和黏度；繼續拌和，水膜遭到破壞，微量水排出，促進石料間滑動，施工和易性增強.考慮改性瀝青的流變性能，選取20%摻量1)的60μm膠粉改性瀝青進行試驗[10].將膠粉加入基質瀝青中攪拌，制備得到膠粉改性瀝青(CR).依據相關研究[11]，分別將1%摻量的EM型降黏劑、0.6%摻量的SDYK型表面活性劑加入到膠粉改性瀝青中，制備得到EM型溫拌膠粉改性瀝青(CR-EM)和SDYK型溫拌膠粉改性瀝青(CR-SDYK)溫，將試樣封存以備使用.基質瀝青和膠粉改性瀝青性能參數見表1.

表1 基質瀝青和膠粉改性瀝青性能參數

1.2 試驗方法

1.2.1DSR試驗

采用Discovery HR-1型動態剪切流變儀，分別對3種膠粉改性瀝青進行溫度掃描和頻率掃描試驗，用正弦波方式加載，選擇控制應力目標值進行試驗.其中，頻率掃描的溫度為28～82℃，每隔6℃掃描1次，每個溫度下的頻率(ω)掃描范圍為0.1～100.0rad/s；溫度掃描時的荷載頻率為0.1、1.0、10.0、100.0rad/s，每個頻率下的溫度掃描范圍為28～82℃，溫度步長為6℃.

1.2.2FTIR測試

采用Cary 640 FTIR傅里葉變換紅外光譜儀，對3種膠粉改性瀝青分別進行了FTIR測試.

1.2.3AFM試驗

采用Bruker Moutilmode 8原子力顯微鏡，在峰值力輕敲模式下對3種膠粉改性瀝青樣品的形貌及力學性能進行了測試，掃描頻率0.977Hz，掃描范圍為20μm×20μm，分辨率為256×256，試驗溫度為25℃.采用熱鑄法制備瀝青試樣，首先將膠粉改性瀝青加熱至流動狀態，接著用鑷子夾取少量瀝青滴于直徑為1.5cm的圓鐵片上，然后將圓鐵片置于165℃的烘箱內，讓瀝青自由流動，直至瀝青全部流平整為止，放置時間約為20min，最后將試樣取出自然冷卻至室溫.

2 結果與分析

2.1 DSR分析

通常Superpave中車轍因子G*/sinδ評價指標可以較好地評價瀝青混合料的抵抗外力變形能力，但Shenoy[12]利用Burges模型時發現相位角較小時車轍因子公式不再適用.膠粉改性瀝青的相位角較小，且變化不明顯，故車轍因子公式不適用于評價溫拌膠粉改性瀝青的抵抗外力變形能力.考慮到彈性延遲的影響，采用改進的車轍因子G*/sin9δ，能全面分析膠粉改性瀝青材料的黏彈性變化情況，可以更好地評價溫拌膠粉改性瀝青的抵抗外力變形能力，相位角δ在0°～90°時此公式都適用，且對相位角的變化更為敏感，改進車轍因子G*/sin9δ越大，抵抗外力變形能力越好.

圖1為膠粉改性瀝青的改進車轍因子G*/sin9δ.由圖1(a)可見:3種瀝青的改進車轍因子均隨溫度升高而降低，且在低溫時差異較大，高溫時差異較小，這歸因于溫度升高分子間運動加劇，分子間熱運動導致分子間相互作用減弱，彈性性能減弱，抗變形能力降低；相同溫度時，改進車轍因子的排序為CR-SDYK>CR-EM>CR，2種溫拌劑的摻入可以增強CR的抗變形能力，這是因為溫拌劑的加入可以使膠粉充分溶脹于基質瀝青中，使膠粉分布相對均勻，其加筋作用增強，形成整體穩定結構，抗剪切能力提高，抗變形能力增強.由圖1(b)可見：3種瀝青的改進車轍因子隨荷載頻率加快不斷增大，這是因為瀝青材料本身的黏彈特性，荷載頻率低則作用時間長，相位角變化大，黏度和柔韌性增大[13]，抗變形能力減弱；2種溫拌劑的摻入使改進車轍因子增大，與圖1(a)得到的結論一致.

圖1 膠粉改性瀝青的G*/sin9δFig.1 G*/sin9δ of crumb rubber modified asphalts

2.2 FTIR分析

圖2 膠粉改性瀝青的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of crumb rubber modified asphalts

2.3 AFM試驗分析

2.3.1微觀形貌分析

圖3 膠粉改性瀝青的AFM微觀形貌圖Fig.3 AFM micromorphologies of crumb rubber modified asphalts

由于膠粉改性瀝青表面存在細微起伏與峰谷交錯的情況，因此用均方根粗糙度Rq來表征溫拌膠粉改性瀝青的表面粗糙度，表面粗糙度越大，微觀尺度下瀝青相態差異性越大，相分離現象越顯著，微觀結構穩定性越差，彈性性能減弱，抗變形能力降低.均方根粗糙度Rq定義為：

(1)

(2)

式中：A為掃描面積，A=20μm×20μm；h(x，y)為劃分單元點(x,y)的形貌高度函數；h0為參考高度.

利用AFM分析軟件NanoScope Analysis中的“Roughness”模塊測定CR、CR-EM和CR-SDYK的均方根粗糙度Rq，結果如圖4所示.由圖4可見，2種溫拌劑均使瀝青的Rq減小，這是因為溫拌劑的摻入使穩定的飽和—CH鍵數量增多，相態差異減小，相分離現象減弱，微觀結構穩定性和均勻性增強.

圖4 膠粉改性瀝青的均方根粗糙度RqFig.4 Rq of crumb rubber modified asphalts

2.3.2微觀力學特性分析

AFM試驗中探針與瀝青表面接觸，對瀝青施加一個微小作用力，保證瀝青產生的形變在彈性范圍之內，這種接觸類似于剛性小球與彈性體之間的相互作用，一般采用接觸力學中的DMT(Derjaguin-Muller-Toporov)模型來對探針回撤過程進行擬合分析，得到樣品的微觀楊氏模量E*：

(3)

(4)

式中：Ftip為探針針尖對瀝青表面施加的微作用力；Fad為探針針尖與瀝青表面之間的黏附力；r為探針曲率半徑；δ為瀝青試樣變形量；Vs、Vtip分別為瀝青、探針的泊松比；Es、Etip分別為瀝青、探針的模量.

圖5為膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量E*.由圖5可見:CR的E*主要分布在250～280MPa之間，CR-EM的E*主要分布在230～350MPa之間，CR-SDYK的E*主要分布在270～330MPa之間.膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量E*呈典型的正態分布，計算其平均值，結果如圖6所示.由圖6可見：2種溫拌劑的摻入提高了膠粉改性瀝青的彈性模量，抵抗外力荷載能力增強.結合2.1節的結論，表明溫拌劑EM和SDYK均可提高CR抵抗外力變形的能力.

圖5 膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量E*Fig.5 E* of crumb rubber modified asphalts

圖6 微觀楊氏模量E*的平均值Fig.6 Average value of E*

2.3.3宏觀流變性能與微觀力學指標相關性分析

雖然試驗條件不同，但是瀝青的微觀楊氏模量和改進車轍因子都體現了瀝青抵抗外力作用的抗變形能力.圖7為膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量與改進車轍因子的關系圖.由圖7可見：3種膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量和28℃下的改進車轍因子的相關系數R2均達到0.97以上；改進車轍因子隨著微觀楊氏模量的增大而增大.瀝青微觀楊氏模量和改進車轍因子的關系說明2種溫拌劑可提高瀝青的彈性性能以及抗變形能力.分析其原因：EM型降黏劑是一種蠟型溫拌劑，可以完全溶解在瀝青中[13]，使膠粉改性瀝青具有更穩定的膠團結構，膠團結構穩定性強，抗剪切變形能力越強，抗變形能力得以改善；SDYK型表面活性劑是一種陽離子表面活性劑，其與膠粉改性瀝青中的瀝青膠質黏結，使瀝青中連續相體積增大，黏性降低[16]，彈性性能增強，抗變形能力提高.

圖7 膠粉改性瀝青的微觀楊氏模量與改進車轍因子的關系圖Fig.7 Relationship between E* and G*/sin9δ of crumb rubber modified asphalt

3 結論

(1)EM型溫拌膠粉改性瀝青(CR-EM)和SDYK型溫拌膠粉改性瀝青(CR-SDYK)的抗變形能力均優于膠粉改性瀝青(CR)，表明EM型降黏劑和SDYK型表面活性劑可以提高CR的抗變形能力.

(2)溫拌劑EM和SDYK對膠粉改性瀝青以物理改性為主.

(3)溫拌劑的摻入降低了瀝青微觀均方根粗糙度Rq，瀝青微觀相態差異性減??；微觀楊氏模量增大，改善了瀝青的微觀力學特性.

(4)對膠粉改進瀝青的微觀力學指標(微觀楊氏模量)與宏觀流變指標(改性車轍因子G*/sin9δ)進行相關性分析，兩者的相關系數在0.97以上，具有良好的相關性.