不同蒸發方式對改性乳化瀝青殘留物的流變性能影響研究

徐 文 潘梅娟 張 愷 令狐圓圓 李 紅

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (江西省交通科學研究院2) 南昌 330200)

0 引 言

熱拌瀝青混合料在拌和及攤鋪過程中涉及到高溫和煙霧排放，會產生揮發性有機物和溫室氣體[1-3].乳化瀝青是通過機械剪切作用，將瀝青微粒均勻分散在含有乳化劑和添加劑的水溶液中，形成水包油的穩定體系.乳化瀝青黏度低，可用于常溫施工，具有節能、方便施工、節約瀝青和保護環境等優點[4-5].尤其是改性乳化瀝青，其性能優于普通的乳化瀝青[6]，被廣泛應用于道路建設和養護，例如，穩定基層[7]、冷再生[8-9]、微表處[10-13]、黏結層[14].另外，除了典型的道路工程應用外，乳化瀝青還可用于許多其他特定領域，如高速鐵路，穩定彈藥銷毀廢物和固化電鍍泥.

乳化瀝青中水分蒸發或者與集料混合后發生破乳，瀝青微粒則逐漸在集料表面或集料之間聚結，并最終建立起路面性能，因此乳化瀝青殘留物的獲取和性能測試，對其產品的開發和應用具有重要影響.雖然關于乳化瀝青殘留物的獲取方法有很多種標準方法，例如，規范JTG E20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》中的直接加熱法，《ASTM D7497-09》低溫蒸發法，《ASTM D7403-09》減壓蒸餾法，但是國內外學者并沒有達到統一的共識，尤其是對于聚合物改性乳化瀝青.過高的蒸發或者蒸餾溫度和加熱時長會使聚合物發生明顯降解，這對殘留物的性能測定產生誤導.另外，傳統的評價方法和指標并非基于性能，例如，軟化點、針入度和延度等，很難深入理解乳化瀝青的物理化學性質，進而制約了高性能乳化瀝青的開發和冷拌混合料的發展和應用.

針對上述問題，文中選取兩種常用的改性乳化瀝青，SBS改性乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，分別采用直接加熱法和低溫蒸發法獲取殘留物.基于流變學原理，利用動態剪切流變儀(DSR)進行溫度掃描和多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗，采用復數剪切模量、相位角、車轍因子、不可恢復蠕變柔量和恢復百分率等指標，對比分析在40～76 ℃試驗溫度區間內的高溫變形恢復性能，從而得出不同獲取方法對殘留物流變性能的影響規律，為殘留物的獲取方法與高溫性能評價提供新思路.

1 試驗材料與方法

1.1 改性乳化瀝青

采用湖北某公司出品的SBS改性乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，乳液的基本性能指標見表 1，表中蒸發殘留物的性質均采用直接加熱法測試完成.根據規范[15]采取直接加熱法獲取乳化瀝青殘留物，見圖 1.在熔融態將殘留物澆入DSR試模中，冷卻后取出備用.根據《ASTM D7497-09》采取低溫蒸發法獲取乳化瀝青瀝青殘留物[16-17]，見圖 2.試驗中采用自行制作的硅膠板，根據固含量與硅膠板面積計算澆筑的乳化瀝青質量，然后依次放置在25和60 ℃烘箱中養生各24 h，最終獲得厚度在2 mm左右的瀝青薄膜，待其冷卻后，通過小刀將薄膜切成邊長為18 mm左右的方塊，從而獲得DSR試驗試樣.文中采用直接加熱法和低溫蒸發法獲得的殘留物分別用SBS-Z、SBS-D、SBR-Z和SBR-D來表示.

表1 改性乳化瀝青性能檢測結果

圖1 直接加熱法DSR試樣制備

圖2 低溫蒸發法DSR試樣制備

1.2 流變性能試驗

采用動態剪切流變儀(DSR)來評估改性乳化瀝青殘留物的流變性能.試驗選取直徑為25 mm的轉子，轉子與下平行板間隙為1 mm.動態剪切流變儀采用英國某公司產品KINEXOS DSR.試驗中通過溫度掃描(46～76 ℃，溫度梯度為6 ℃)在加載頻率為10 rad/s(1.59 Hz)下獲得殘留物的復數模量G*和相位角δ.G*定義為最大應力與最大應變之比，表示材料的抗變形能力；δ為瀝青的粘彈性狀態，當δ為0°時，表示材料為純彈性，而當δ為90°時，表示材料為純黏性.通過計算獲得車轍因子G*/sinδ，其數值越高，則瀝青材料的抗車轍性能越好.

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溫度掃描的測試模式為應變控制，而多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗的測試模式為應力控制.MSCR試驗旨在評估在不同應力水平(0.1和3.2 kPa)下材料的彈性響應和抗車轍性能. 在測試過程中，殘留物首先在0.1 kPa剪切應力下加載1 s后卸載恢復9 s，重復10個周期，緊接著在3.2 kPa剪切應力下重復上述步驟.整個試驗共20個周期，耗時200 s.通過設備自動采集的應變數據計算得到兩種應力下10個周期的平均不可恢復蠕變柔量Jnr0.1和Jnr3.2，以及平均恢復百分率R0.1和R3.2.各參數的計算方法如見式(1)～(4).不可恢復蠕變柔量反映瀝青的抗永久變形能力，數值越小，瀝青的高溫性能越好.蠕變恢復率數值越大，殘留物的彈性恢復性能越好.

(1)

(2)

(3)

(4)

圖3為聚四氟乙烯圓環與常規軟化點試樣環疊加示意圖.使用改進后的試模制備乳化瀝青殘留物后，對上部試樣完成脫模，然后用加熱鐵鏟迅速刮去高出部分的殘留物，即可獲得低溫蒸發下軟化點和彈性恢復試樣.

在進行MSCR試驗之前，未對乳化瀝青殘留物進行老化試驗，因為本文的研究目的在于評價不同溫度條件下獲取殘留物的性能差異，而老化程序會對試驗結果產生干擾.另外，本文每次至少對三個試樣進行了重復試驗，以確保必要的精度和準確度.

2 試驗結果與分析

2.1 常規性能試驗結果

在傳統大學普通化學教學的過程中，教師只是根據教材內容一味地傳授學生知識，教學過程是枯燥的。學生也只能無意識情緒不加區分地全盤接受，學習過程是被動的。在這種狀態下學習，學生是很難激發學習興趣的，同時也不利于培養學生的發散思維。將多媒體應用在大學教學中，可以充分發揮多媒體的作用，既強化了教師與學生間的互動，又提高了學生的學習熱情，還調動了學生的主觀能動性。

圖3 改進的軟化點試樣模具示意圖

圖4 蒸發殘留物的軟化點和彈性恢復

2.2 溫度掃描試驗結果

圖5為改性乳化瀝青殘留物的復數模量、相位角和車轍因子隨著溫度變化的趨勢圖.由圖5a)～b)可知，隨著溫度的升高，殘留物的G*變小而δ緩慢增大，說明溫度上升提高了殘留物的流動性，使其由彈性體向粘彈性體轉變.在圖5a)中，比較兩種改性乳化瀝青殘留物，低溫蒸發法獲得的殘留物具有更高的G*，并且在直接加熱法獲得的兩種殘留物G*較為接近的情況下，低溫蒸發后SBS改性乳化瀝青殘留物的G*具有更大的增幅.由此說明，本文采用的兩種規范方法獲得的改性乳化瀝青殘留物G*具有一定的差異，并且獲取方法對SBS改性乳化瀝青殘留物G*影響更大.兩種規范方法中主要的區別在于加熱溫度和加熱時間，已有研究表明過高的加熱溫度和時間會造成乳化瀝青中聚合物改性劑的降解.直接加熱法試驗條件為163 ℃加熱蒸發2～3 h，而低溫蒸發法試驗條件為25和60 ℃下分別進行24 h烘箱固化，說明我國規范方法低估了改性乳化瀝青殘留物的高溫性能，可能原因就是高溫條件對聚合物的改性效果造成了不利影響.在圖5b)中，SBS改性乳化瀝青殘留物的δ始終小于SBR改性乳化瀝青的δ，說明SBS改性劑對提高乳化瀝青殘留物的彈性性能更顯著.隨著溫度的升高，SBS改性乳化瀝青殘留物的相位角增長率相對來說更緩慢，說明SBR改性乳化瀝青殘留物的彈性損失受到溫度影較大.另外，直接加熱法使SBS改性乳化瀝青殘留物的相位角增大，對SBR改性乳化瀝青殘留物的相位角影響并不明顯，這進一步說明高溫條件下對SBS改性效果有更顯著的不利影響.在圖5c)中，隨著溫度的升高，殘留物的G*/sinδ都呈現逐漸減小的趨勢，并且直接加熱法獲得的殘留物G*/sinδ均小于低溫蒸發法.進一步計算得到SBS和SBR兩種改性乳化瀝青殘留物G*/sinδ的損失百分率，直接加熱法相對低溫法分別減小了0.31%～0.44%和0.26%～0.27%，說明高溫條件削弱了殘留物的抗車轍性能，并且對SBS改性乳化瀝青的影響更大.

圖5 改性乳化瀝青殘留物的各項因素

2.3 MSCR試驗結果

圖4為采用直接加熱法和低溫蒸發法獲取殘留物的軟化點和彈性恢復試驗結果.由圖 4可知：SBS改性乳化瀝青殘留物具有更高的軟化點和彈性恢復率，說明其具有更優的高溫性能和彈性性能.對比兩種獲取殘留物的方法，低溫蒸發法獲取的殘留物具有更高的軟化點，對于SBS-D還具有大的彈性恢復率，但對SBR-D和SBR-Z的彈性恢復影響不大.這說明低溫獲取的殘留物具有更好的高溫性能和彈性恢復性能，可以初步判斷，造成這種現象的原因為直接加熱法較高的加熱溫度對聚合物改性劑造成了不利影響.

R參數對于評價瀝青抗車轍能力非常重要，因為它代表了瀝青的延遲彈性.殘留物在每個循環剩余時間的9 s內R越高，表明彈性性能越好.圖9為在0.1和3.2 kPa應力水平下殘留物的R平均值，由圖9可知SBS改性的乳化瀝青殘留物R值更大，說明其具有更優異的彈性性能，這與溫度掃描中殘留物δ表現出來的規律具有一致性.在低應力水平下，兩種方法獲取的殘留物R在不同溫度下并沒有顯著的差異.但是在高應力水平下，兩種殘留物的R值隨著溫度升高均呈現減小的趨勢，尤其是SBS改性的乳化瀝青殘留物在64 ℃后減小速率顯著增大，并且不同殘留物獲取方法對SBS改性的乳化瀝青殘留物彈性性能具有更大影響.同時也說明了在高應力水平下，溫度的升高對R參數有負面影響.需要注意的是，在溫度掃描中，SBR改性乳化瀝青殘留物的δ隨著溫度的增幅大于SBS改性的乳化瀝青殘留物，而R參數顯示溫度對SBS改性的殘留物彈性性能具有更大的不利影響，造成這種現象的可能原因是溫度掃描和MSCR試驗的控制模式不同.

1.3.2 青少年信息貧困研究。劉亞[33]把青少年作為一個特殊群體來研究。他認為由于青少年對概念的定義或描述不準確，其信息需求表達能力不足，而導致檢索能力不足；使用信息資源的能力并不理想，難以實現知識建構與創新；對網上的信息幾乎不加質疑并引用，缺乏信息評價判斷能力。需要將青少年信息行為作為新命題進行研究。王潔瑾[34]通過調查研究，構建信息貧困視野的青少年信息行為模型，指出青少年信息貧困多是因為信息獲取障礙，表現在習慣使用省時省力方式檢索，信息檢索能力不高，信息處理能力不理想；存在信息吸收能力缺陷，表現在信息需求表達障礙、缺少信息判斷能力以及知識結構不完善等。

圖6 剪切應變變化(0.1 kPa)

圖7 剪切應變變化(3.2 kPa)

Jnr作為瀝青抗變形能力的指標，其值越小，表明抗車轍能力越強.圖8為乳化瀝青殘留物分別在0.1和3.2 kPa應力水平下的Jnr值，由圖8可知，無論是低應力水平還是高應力水平下，殘留物的Jnr值都呈現增大的趨勢，并且SBR改性乳化瀝青殘留物的Jnr值增大速率更顯著.相對SBR來說，直接加熱法和低溫蒸發法獲得的SBS改性乳化瀝青殘留物均具有較低的Jnr值.由圖8可知，兩種應力水平下，對于同一種改性劑改性的乳化瀝青殘留物，直接加熱法獲取的殘留物具有更大的Jnr值.以上數據分析表明，SBS改性的乳化瀝青殘留物具有更高的抗變形能力，并且相對低溫蒸發法，直接加熱法對兩種殘留物的抗變形能力都有負面影響.

表 1為兩種改性乳化瀝青的基本性能指標，其中關于蒸發殘留物的固含量、針入度、軟化點、延度和彈性恢復的數據均采用直接加熱法獲取的試樣進行測試.由于針入度試模較深，低溫蒸發無法獲取完全固化的殘留物，因此無法進行常規的針入度試驗.軟化點試樣環厚度為6.4 mm，彈性恢復試模厚度為10 mm，結合前期使用硅膠墊制備殘留物的經驗可知，低溫蒸發法能夠獲取軟化點和彈性恢復的試樣.乳化瀝青中水分蒸發完全后，殘留物的高度會明顯降低，因此在澆筑軟化點和彈性恢復試模時，乳化瀝青用量需要在高度方向上有富余.因此，本文對軟化點試樣環和彈性恢復試模進行了改進.采用兩個相同的彈性恢復試模重疊使用進行乳化瀝青澆筑，需要注意的是在試模相接觸部分應涂抹隔離劑.對于軟化點試樣環，由于形狀的不規則，不能采用疊加的方式增加環高度，因此采用聚四氟乙烯板材通過數控機床加工成與常規軟化點試樣環外徑和內徑一致的環狀模具.

圖8 在0.1和3.2 kPa應力水平下的Jnr值

郭文安：教材編寫往往被人看成是對學科基礎知識的編排與闡述，對有關科研成果的概括和整理，因而不受重視，甚至不被看作是一種科學研究。教材編寫與科學研究確有所區別，前者主要是在已有科研成果基礎上進行的。但是，二者亦有共同點，教材編寫同樣具有探索、研究、整合與創新的屬性，實質上也是一種科學研究。因為一本好的教材應有廣博、堅實、精深的專業知識。它不應限于概括與整理已有的科研成果，在學科理論的簡明化、系統化和體系化上都應有新的突破、發展與提高。它應兼具專業性、基礎性、學術性和前瞻性。它可使廣大師生及讀者受益匪淺，獲得進一步探究的依據與動力。可以說，一本好教材其價值并不亞于一本好專著。

圖9 在0.1和3.2 kPa應力水平下的R值

3 結 論

1) SBS改性乳化瀝青殘留物具有更高的軟化點和彈性恢復率，說明其具有更優的高溫性能和彈性性能.對比兩種獲取殘留物的方法，低溫蒸發法獲取的殘留物具有更高的軟化點，對于SBS-D還具有大的彈性恢復率，但對SBR-D和SBR-Z的彈性恢復影響不大.

權重的確定方法，影響農業機械化水平指標權重具有代表性的方法主要有層次分析法、信息權重法(主成分分析法、因子分析法)、德爾菲法、層次分析法與德爾菲法的聯合應用法等[5]；也有從機械替代勞動力前后，耗費人工量大小的角度來設置權重的研究文獻[6]。本文認為目前畜牧業機械化統計數據的不可獲得性導致無法科學運用層次分析法和信息權重法，因此三級指標權重的確定同樣根據耗費人工量的大小而定。從機械替代勞動力的角度設定權重，在篩選出的5個指標中，根據各自用工量(見表1)占總這5個環節用工總量的比例來分配，詳見表2。

2) 在溫度掃描試驗中，低溫蒸發法獲得的殘留物具有更高的G*和G*/sinδ，并且SBS-D的δ更小，而兩種獲取方法對SBR-D和SBR-Z的δ影響不大.說明直接加熱法降低了殘留物的抗車轍性能，并且對SBS改性乳化瀝青的影響更大.

3) 在MSCR試驗中，通過分析剪切應變和恢復應變值、Jnr和R指標，結果表明低溫蒸發法獲取的殘留物具有更高的抗剪切變形能力和彈性性能，并且在高應力水平下，對SBS改性乳化瀝青殘留物性能影響更大.

4) 兩種獲取殘留物的方法具有不同的試驗溫度和加熱時長，導致了殘留物流變性能測試結果的差異.在后續工作中，將進一步研究不同溫度、濕度和真空度條件下獲取的殘留物微觀和老化方面的性能差異，為確定合適的殘留物獲取方法提供研究基礎.