DIBCH增塑劑改性瀝青高溫流變特性

傅珍，劉松然，林萌蕾，史柯，王鈺潔

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

改性瀝青的使用能夠有效提高瀝青路面性能[1-2]。增塑劑作為塑料橡膠制品的助劑，可以改善聚合物的柔韌性、拉伸性及抗沖擊性[3-5]。將增塑劑作為瀝青改性劑能夠明顯改善瀝青的低溫性能，但對(duì)高溫性能具有消極影響[6-9]。目前多數(shù)研究?jī)H采用常規(guī)技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)增塑劑改性瀝青的高溫性能，而對(duì)其高溫流變特性的研究極少。為全面掌握增塑劑對(duì)瀝青高溫性能的影響規(guī)律，并為增塑劑改性瀝青的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供參考，本文選用環(huán)己烷二甲酸二異丁酯(DIBCH增塑劑)作為改性劑，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)與多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，綜合研究DIBCH增塑劑對(duì)瀝青高溫流變特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

環(huán)己烷二甲酸二異丁酯(DIBCH)，一級(jí)品,其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；A級(jí)SK90#瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

DHR-1型動(dòng)態(tài)剪切流變儀。

表1 DIBCH增塑劑技術(shù)指標(biāo)

表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青的制備

將SK90#基質(zhì)瀝青放入135 ℃的恒溫烘箱中，加熱至其呈流動(dòng)狀態(tài)，加熱保溫時(shí)間約為1.5 h。隨后將500 g左右呈流動(dòng)狀態(tài)的基質(zhì)瀝青倒入實(shí)驗(yàn)缸中，緩慢加入1.5%的DIBCH增塑劑，用玻璃棒攪拌1～2 min，使增塑劑與基質(zhì)瀝青初步混合。利用高速剪切機(jī)，剪切溫度控制為130 ℃，剪切速率1 000 r/min， 持續(xù)剪切10 min，使增塑劑與基質(zhì)瀝青充分混合，即可制得DIBCH改性瀝青。

1.3 性能測(cè)試

采用DHR-1型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，按照SHRP B-003及AASHTO TP5中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)DIBCH改性瀝青及基質(zhì)瀝青進(jìn)行頻率掃描實(shí)驗(yàn)、溫度掃描實(shí)驗(yàn)及多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)(MSCR)實(shí)驗(yàn)。

1.3.1 頻率掃描實(shí)驗(yàn) 分別通過(guò)30，40，50，60 ℃溫度條件下的頻率掃描，測(cè)出瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，再根據(jù)時(shí)溫等效原理構(gòu)建主曲線，對(duì)瀝青的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能作進(jìn)一步分析。頻率掃描范圍設(shè)定為0.1～100 rad/s，實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變值控制為1.25%。

1.3.2 溫度掃描實(shí)驗(yàn) 對(duì)原樣及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化實(shí)驗(yàn)(RTFOT)后的瀝青試樣進(jìn)行溫度掃描實(shí)驗(yàn)，測(cè)定不同溫度條件下瀝青試樣的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，研究瀝青在不同溫度下的性能表現(xiàn)，并采用車轍因子與其臨界溫度，評(píng)價(jià)瀝青材料的抗車轍能力。實(shí)驗(yàn)溫度范圍為30～60 ℃，加載頻率為10 rad/s，應(yīng)變值控制為1.25%。

1.3.3 多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn) 多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)可以反映瀝青材料在重復(fù)加載及卸載作用下的抗變形能力。實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，應(yīng)力水平0.1 kPa和3.2 kPa，實(shí)驗(yàn)溫度選擇34，40，46，52，58 ℃，每個(gè)應(yīng)力水平下加載1 s后卸載9 s為一個(gè)周期，共進(jìn)行10個(gè)周期。采用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢蛻?yīng)變恢復(fù)率表征瀝青材料的重復(fù)蠕變特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 主曲線的構(gòu)建及分析 為研究瀝青在更廣的溫度和頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，根據(jù)時(shí)溫等效原理[10]，以30 ℃為參考溫度，按照不同摻量DIBCH改性瀝青在40，50，60 ℃下的移位因子，將頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行水平移位，得到復(fù)數(shù)剪切模量主曲線和相位角主曲線，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 30 ℃復(fù)數(shù)剪切模量主曲線

圖2 30 ℃相位角主曲線

由圖1可知，隨角頻率的增大，DIBCH改性瀝青復(fù)數(shù)模量的增長(zhǎng)幅度略大于基質(zhì)瀝青，且DIBCH摻量越大，復(fù)數(shù)模量增長(zhǎng)幅度越大。在低頻區(qū)(高溫區(qū))，DIBCH改性瀝青的復(fù)數(shù)模量小于基質(zhì)瀝青，在高頻區(qū)(低溫區(qū))，改性瀝青與基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量差值較小。說(shuō)明DIBCH的摻入對(duì)瀝青的高溫性能有一定不利影響。

相位角反映瀝青材料在動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)彈性行為與黏性行為所占比例的關(guān)系[11]，其值越大，說(shuō)明材料越接近于黏性體，在高溫條件下抗變形能力越差。

由圖2可知，在低頻區(qū)，DIBCH改性瀝青的相位角小于SK90#瀝青，說(shuō)明DIBCH使瀝青中彈性成分比例提高，但該部分相位角數(shù)據(jù)離散性較大，參考價(jià)值不大。在高頻區(qū)，DIBCH改性瀝青的相位角大于SK90#瀝青，且隨DIBCH摻量的增加，相位角逐漸增大，說(shuō)明DIBCH使瀝青中黏性成分含量增加。

2.1.2 相態(tài)結(jié)構(gòu)分析 通過(guò)頻率掃描實(shí)驗(yàn)，得到基質(zhì)瀝青及不同摻量DIBCH改性瀝青的儲(chǔ)存模量(G′)和損失模量(G″)，進(jìn)而對(duì)瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。以基質(zhì)瀝青和1.5% DIBCH改性瀝青為代表進(jìn)行分析，不同溫度下其模量隨角頻率的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

(a)基質(zhì)瀝青

由圖3可知，SK90#基質(zhì)瀝青和DIBCH改性瀝青的G′和G″都隨角頻率的增大而增大，在同一實(shí)驗(yàn)溫度下，G′均小于G″，且隨溫度的升高，G′與G″的差值逐漸增大。這是因?yàn)殡S溫度的升高，瀝青結(jié)合料中黏性成分所占比例逐漸增大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃ 時(shí)，基質(zhì)瀝青和DIBCH改性瀝青的儲(chǔ)存模量曲線斜率非常小，近乎于平臺(tái)區(qū)。說(shuō)明在60 ℃時(shí)，瀝青的相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，瀝青中黏性成分所占比例大幅提升，瀝青從黏彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成黏流性狀態(tài)。

2.2 溫度掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)原樣和RTFOT老化后的SK90#瀝青及不同摻量DIBCH改性瀝青分別進(jìn)行溫度掃描實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

(a)原樣瀝青

(a)原樣瀝青

由圖4可知，不同瀝青試樣的復(fù)數(shù)模量均隨溫度升高呈線性下降趨勢(shì)，各條曲線幾乎平行。DIBCH改性瀝青的復(fù)數(shù)模量在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)均小于SK90#瀝青，且隨著DIBCH摻量的增加，曲線依次下降但下降距離逐漸縮短。老化后，瀝青的復(fù)數(shù)模量隨溫度升高而下降的幅度減小，且不同瀝青試樣復(fù)數(shù)模量的差值較小，在較高溫度條件下模量基本重合。

由圖5可知，隨實(shí)驗(yàn)溫度的升高，老化前后瀝青試樣的相位角均逐漸增大，即瀝青黏性成分的占比與實(shí)驗(yàn)溫度呈正相關(guān)關(guān)系。老化后，SK90#瀝青和DIBCH改性瀝青的相位角均減小，說(shuō)明瀝青老化后彈性性能增強(qiáng)。此外，SK90#瀝青在老化前后的相位角均小于DIBCH改性瀝青，說(shuō)明SK90#瀝青的彈性性能較DIBCH改性瀝青更優(yōu)異，即高溫抗車轍能力更好，DIBCH的摻入使瀝青的高溫穩(wěn)定性略有降低。但隨溫度的升高，老化前后DIBCH改性瀝青黏性成分的增長(zhǎng)幅度均小于SK90#瀝青。說(shuō)明DIBCH的摻入對(duì)瀝青的溫度敏感性具有一定改善作用。

車轍因子(G*/sinδ)是評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)，G*/sinδ越大，瀝青的抗車轍能力越強(qiáng)。圖6是SK90#瀝青和不同摻量DIBCH改性瀝青老化前后的車轍因子與溫度關(guān)系曲線圖。

(a)原樣瀝青

由圖6可知，老化前后瀝青車轍因子的對(duì)數(shù)與實(shí)驗(yàn)溫度均呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度越高，瀝青的抗車轍能力越差。老化前后SK90#瀝青的車轍因子均大于DIBCH改性瀝青，且隨DIBCH摻量的增加，車轍因子依次下降。說(shuō)明DIBCH的摻入對(duì)瀝青的抗車轍能力具有負(fù)面影響。此外，RTFOT老化后，不同瀝青試樣的車轍因子均增大。

SHRP規(guī)范中規(guī)定，原樣瀝青的車轍因子不能低于1.0 kPa，短期老化后瀝青的車轍因子不能低于2.2 kPa。為對(duì)DIBCH改性瀝青的高溫性能做進(jìn)一步分析，通過(guò)計(jì)算得到車轍因子處于臨界值時(shí)的溫度——臨界溫度(THS)，以表征瀝青的高溫抗車轍能力。THS越高，瀝青材料抗車轍能力越好[12]。臨界溫度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同瀝青的臨界溫度

由表3可知，隨DIBCH摻量的增加，老化前后瀝青的臨界溫度均逐漸降低，但下降幅度逐漸減小。說(shuō)明DIBCH摻量在1.5%～3.0%時(shí)，其摻入對(duì)瀝青高溫性能產(chǎn)生一定影響，但影響程度較小。老化前后SK90#瀝青與DIBCH改性瀝青的臨界溫度均在58～64 ℃范圍內(nèi)，即其高溫等級(jí)均為PG58，說(shuō)明適量DIBCH的摻入不會(huì)降低瀝青的高溫等級(jí)。老化后瀝青的臨界溫度較原樣瀝青有所降低，不同瀝青的臨界溫度降低值依次為2.07，1.04，0.79，0.08，0.06 ℃。可知，DIBCH摻入后，臨界溫度的降低值減小，說(shuō)明瀝青的抗老化性能有較小提升。

2.3 多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于采用SHRP規(guī)范中的車轍因子對(duì)改性瀝青高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，未能考慮其較高的彈性恢復(fù)能力，為對(duì)DIBCH改性瀝青的高溫性能進(jìn)行更全面的分析，本研究采用了多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)(MSCR)實(shí)驗(yàn)，其能真實(shí)模擬重復(fù)加載和卸載的車輛荷載作用[13]。分別在0.1 kPa和3.2 kPa的應(yīng)力水平下，對(duì)SK90#瀝青及不同摻量DIBCH改性瀝青進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以SK90#瀝青和3.0%DIBCH改性瀝青的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

(a)基質(zhì)瀝青

(a)基質(zhì)瀝青

由圖7、圖8可知，在兩種應(yīng)力水平下，瀝青的應(yīng)變值均隨溫度升高而增大，且溫度越高，應(yīng)變值的增長(zhǎng)速率越大。說(shuō)明隨溫度的升高，瀝青的蠕變恢復(fù)能力逐漸降低。在相同的應(yīng)力水平和溫度下，DIBCH改性瀝青的應(yīng)變明顯大于SK90#瀝青的應(yīng)變，且DIBCH摻量越大，基質(zhì)瀝青與改性瀝青的應(yīng)變差值越大。說(shuō)明DIBCH增塑劑的摻入，會(huì)降低瀝青的高溫穩(wěn)定性。

MSCR實(shí)驗(yàn)采用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)和恢復(fù)率(R)作為評(píng)價(jià)瀝青抗變形能力的指標(biāo)。在0.1 kPa 和3.2 kPa的應(yīng)力水平下，SK90#瀝青和不同摻量DIBCH改性瀝青的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖9、圖10。

(a)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

(a)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

由圖9(a)和圖10(a)可知，在同一應(yīng)力水平下，SK90#瀝青和DIBCH改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膶?duì)數(shù)與溫度均呈線性相關(guān)關(guān)系。隨DIBCH摻量的增加，擬合曲線逐漸上移，即不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐饾u增大，但曲線上移距離逐漸縮短，DIBCH摻量為2.5%和3.0%時(shí)的曲線非常接近。說(shuō)明DIBCH的摻入使瀝青的高溫抗變形能力降低，但降低幅度隨DIBCH摻量的增加逐漸減小。

由圖9(b)和圖10(b)可知，在同一應(yīng)力水平同一實(shí)驗(yàn)溫度下，隨DIBCH摻量的增加，改性瀝青的恢復(fù)率逐漸減小。說(shuō)明DIBCH在一定程度上降低了瀝青的蠕變恢復(fù)能力。在應(yīng)力水平為3.2 kPa、溫度為60 ℃左右時(shí)，不同瀝青試樣的恢復(fù)率均接近于0，說(shuō)明此時(shí)瀝青材料基本喪失蠕變恢復(fù)能力。

3 結(jié)論

通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)及多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)4種不同摻量DIBCH改性瀝青及基質(zhì)瀝青的高溫流變特性進(jìn)行分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)瀝青中黏性成分所占比例受溫度影響，溫度越高，黏性成分比例越大。在60 ℃溫度條件下，瀝青中黏性成分所占比例急劇增大，彈性成分所占比例急劇減小，瀝青從黏彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ち餍誀顟B(tài)，發(fā)生相結(jié)構(gòu)的變化。而DIBCH增塑劑的摻入，能夠降低黏性成分隨溫度升高而增加的幅度，可以在一定程度上改善瀝青的溫度敏感性。

(2)DIBCH改性瀝青的低頻復(fù)數(shù)剪切模量稍小于SK90#瀝青，即DIBCH對(duì)瀝青的高溫性能略有影響；隨DIBCH摻量的增加，瀝青中黏性成分逐漸增多，瀝青的車轍因子逐漸減小，即DIBCH對(duì)瀝青的高溫抗車轍能力具有不利影響。然而，DIBCH的摻入不影響瀝青的PG等級(jí)，改性前后瀝青的高溫等級(jí)均為PG58。

(3)在同一應(yīng)力水平和溫度條件下，DIBCH改性瀝青的應(yīng)變大于SK90#瀝青，且隨DIBCH摻量的增加，瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐饾u增大、恢復(fù)率逐漸減小，即與基質(zhì)瀝青相比，DIBCH改性瀝青的高溫抗變形能力和蠕變恢復(fù)能力相對(duì)較弱。

(4)DIBCH增塑劑對(duì)瀝青高溫性能具有不利影響，但DIBCH摻量在3.0%以下時(shí)，其對(duì)瀝青高溫性能的影響較小。因此，在對(duì)DIBCH改性瀝青開(kāi)展進(jìn)一步研究與應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意控制DIBCH的摻量，在DIBCH對(duì)瀝青高溫性能不產(chǎn)生過(guò)大影響的前提下，充分發(fā)揮其對(duì)瀝青低溫性能的優(yōu)良改善作用。