復合改性煤瀝青的流變性能研究

李佰昌

(浙江交通資源投資有限公司 杭州市 310020)

煤瀝青用作道路材料，對石料的潤濕和黏附性能較好，路面具有抗油侵蝕、摩擦系數大等優點。同時煤瀝青較石油瀝青更加廉價，特別是在當今石油價格處于高位的情況下，有著較高的經濟效益優勢。然而，煤瀝青的溫度敏感性較強，具體表現為高溫時易流淌，低溫時易發生脆斷。為了提高煤瀝青的使用性能，主要通過選擇合適的改性劑來對其進行改性。

研究表明[1-2]，通過煤瀝青與石油渣油共混改性，瀝青的抗老化性能、高溫穩定性及石料粘附性有較大的改善，感溫性能無顯著變化。混合瀝青混合料較石油瀝青混合料的高溫性能和水穩定性能有較大的改善，低溫性能變化不大。另一方面使用聚苯乙烯、聚乙二醇、多聚甲醛、呋喃樹脂、硬脂酸等聚合物改性劑[3-5]，能夠有效降低有害有毒物質的含量，能有效降低煤瀝青對溫度的敏感程度，有效地改善了改性煤瀝青的高溫流變性能，煤瀝青的高低溫性能尤其是低溫性能得到很大改善，對溫度的敏感度也有所下降。同時降低煤瀝青的表面張力，從而起到了降粘增塑的作用。復合改性劑還對煤瀝青中多環芳烴類等有害物質有較好的脫除效果，降低煤瀝青對人體和環境的危害。

1 實驗部分

通過采用多種聚合物和渣油對煤瀝青進行復合改性，通過動態剪切流變儀分析測試復合改性煤瀝青的流變性能和使用性能。

1.1 原料

試驗所用中溫煤瀝青選自河北旭陽焦化有限公司，各項基本指標如表1所示。試驗所使用的減壓渣油選自燕山石化公司生產的減壓渣油，其四組分含量分別為：飽和分78.67%、芳香分8.59%、膠質12.01%、瀝青質0.18%、焦炭0.45%，基本性質如表2所示。

表1 中溫煤瀝青的性能指標

表2 減壓渣油的性能指標

1.2 實驗方法

將渣油和煤瀝青按照一定的比例混合加入到反應器中，用電熱套在120℃下加熱，并用攪拌器攪拌1 h，得到軟化煤瀝青；然后將溫度升至140℃，按比例加入復合改性劑，繼續攪拌0.5 h，反應結束后，將制得的復合改性煤瀝青倒入容器中，留待進行性能測試。為了避免污染試驗室環境和保護試驗人員的健康，整個試驗過程均在通風良好的通風柜內進行。復合改性劑組成如表3所示，渣油、煤瀝青及復合改性劑復配比例如表4所示。

表3 復合改性劑的組成

表4 復合改性煤瀝青的組成

使用Anton Paar公司的瀝青動態剪切流變儀Smartpave101來對復合改性煤瀝青進行流變性能試驗[6]。

(1)溫度掃描試驗，采用控制應力模式，控制應力為100 Pa，角頻率10 rad/s，掃描溫度范圍為80～10℃，升溫速率為0.025 ℃/s，得到不同溫度下復數模量等參數。

(2)動態頻率掃描試驗，采用控制應變的模式，控制總應變為1%，試驗溫度為60℃、45℃、30℃，采樣頻率為0.1～100 Hz，得到不同頻率下的復數模量等參數。

2 結果與討論

2.1 復合改性煤瀝青溫度掃描分析

對復合改性煤瀝青D-0、D-1、D-2、D-3和D-4進行溫度掃描，溫度掃描范圍為10～80℃。復合改性煤瀝青復數模量及相位角δ隨溫度的變化情況分別如圖1所示。

圖1 復合改性煤瀝青復數模量G*和相位角δ隨溫度的變化

從圖中可以看出，復合改性煤瀝青均體現出粘彈性體特征，但相位角δ和tanδ有不同的變化情況。相位角δ越小，瀝青就越和彈性體類似，抵抗高溫變形的能力就越強；δ越大，越和粘性體類似。復合改性煤瀝青的復數模量G*隨溫度升高而減小，說明彈性分量減少，瀝青變軟；相位角δ隨著溫度的升高而呈增高的趨勢，表明粘性分量增高，彈性分量降低。在10～80℃的溫度范圍內，D-4的復數模量普遍大于其他幾種瀝青，表明其彈性有所增強。總體來看，相位角δ在30～80℃的溫度范圍內變化不大。在大部分溫度范圍內，D-1、D-2、D-3和D-4的相位角均比D-0小，說明四種瀝青的彈性行為較D-0增強。D-0的相位角在60℃左右達到最大值，D-3和D-4的相位角隨著溫度的升高而增大，說明D-4的彈性性能較好，溫度敏感性較低。

通常用60℃時的車轍因子G*/sinδ來評價瀝青的抗車轍性能，然而在實際應用中，在很寬的溫度范圍內，瀝青路面都會在外部荷載的作用下產生高溫永久形變，因此評價瀝青抵抗車轍變形能力選取的溫度范圍為25～60℃。復合改性煤瀝青車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，隨著溫度的增高，瀝青的G*/sinδ迅速減小，說明瀝青對高溫永久變形的抵抗能力逐漸減弱；

圖2 復合改性煤瀝青車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化

而D-4的G*/sinδ遠大于其他幾種瀝青，即其高溫抗永久變形能力強，復合改性煤瀝青抗車轍能力順序為：D-4>D-3>D-1>D-2>D-0。

2.2 復合改性煤瀝青動態頻率掃描分析

在行車荷載的作用下瀝青路面結構主要體現為動態加載效應，不同的車速用不同荷載下作用頻率來代表，路面行車速度的大小則與加載頻率的大小所對應，路面高速的行車用高頻率來代表，路面低速的行車用低頻率來代表。利用動態頻率掃描試驗，來考察瀝青的模量與路面行車速度的關系，可以描述車輪荷載對瀝青路面的影響，以及長達數十年的自重蠕變荷載對斜坡處道路的影響。在不同溫度下對復合改性煤瀝青D-0、D-1、D-2、D-3和D-4進行動態頻率掃描，復合改性煤瀝青的動態剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化情況分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 復合改性煤瀝青動態剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化(30℃)

圖4 復合改性煤瀝青動態剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化(45℃)

圖5 復合改性煤瀝青動態剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化(60℃)

可以看出，隨著加載頻率的增大，動態剪切模量G*不斷增加，在低頻區G*總體變化不大，而在高頻區G*的增幅急劇增大；隨著加載頻率的增大，相位角δ逐漸減小；這是因為隨著荷載頻率的增大，每次循環過程所產生的形變中彈性形變成分逐漸增多，瀝青的相位角也隨之降低。試驗溫度從30℃升到60℃過程中，G*隨溫度升高而降低，這是由于溫度升高，瀝青軟化，從而抵抗形變的能力降低。相位角δ隨試驗溫度變化不明顯。總體來看，復合改性煤瀝青D-4的動態剪切模量G*高于其他四種復合改性煤瀝青，尤其在高頻區，D-4的G*遠遠大于D-0；在低頻區，特別是溫度為45℃和60℃時，D-1的G*大于其他復合改性煤瀝青。這說明D-4和D-1有較好的抵抗形變的能力。

2.3 復合改性煤瀝青零剪切粘度分析

零剪切粘度(Zero Shear Viscosity, ZSV)是剪切速率接近于零時的粘度極限值，由于它對瀝青中的高分子添加劑比較敏感，因此可以用來評價改性瀝青和基質瀝青的高溫性能。在溫度較低或改性瀝青等某些特殊情況下，盡管使用很低的剪切速率，但隨著速率的降低粘度值依然有較大的增長幅度，不能通過圖形外推得到ZSV，可以根據經驗和流變學理論來擬合相關公式得到ZSV，通常使用的流變學模型有Cross模型和Carreau模型。通過加速加載試驗來對比評價高溫性能指標的研究表明[7]，與加速加載試驗的車轍相關性最好的是利用Carreau模型模擬得出的零剪切粘度值。同時有關研究也表明通過Carreau模型來擬合動態頻率掃描數據得到的ZSV值與通過蠕變恢復試驗所得的ZSV值結果比較接近[8]。對于一般試驗條件下(例如角頻率的掃描范圍在0.63～630 rad/s之間)得到的粘度η，可假設η0?η?η∞，于是能夠將Carreau模型公式簡化為：

式中：η為粘度;η0為零剪切粘度ZSV；ω為平衡狀態的剪切速率；k為具有時間量綱的材料參數；m為無量綱的材料參數。

利用簡化后的Carreau模型公式對復合改性煤瀝青的60℃粘度與角頻率的關系進行擬合求解。復合改性煤瀝青復合粘度與角頻率關系如圖6所示，擬合結果如表5所示。

從圖6、表5可以看出，采用Carreau模型公式

圖6 復合改性煤瀝青的60℃復合粘度η隨頻率的變化

表5 復合改性煤瀝青零剪切粘度擬合結果

來擬合復合改性煤瀝青復合粘度與角頻率的關系相關性較好，相關系數均在0.95以上。其中，D-3的零剪切粘度ZSV為221.7 Pa·s，D-4的零剪切粘度ZSV為325.5 Pa·s，較其他三種瀝青有較大提高，即瀝青中的粘性成分有所提高，改善了其抗變形能力。

3 結論

(1)復合改性煤瀝青的復數模量G*隨溫度升高而減小，相位角δ隨著溫度的升高而呈增高趨勢。隨著溫度的增高，瀝青的G*/sinδ減小較快，復合改性煤瀝青抗車轍能力順序為：D-4>D-3>D-1>D-2>D-0。

(2)隨著加載頻率的增大，復合改性煤瀝青動態剪切模量G*不斷增加，相位角δ隨著加載頻率的增大而逐漸減小，復數粘度η*呈減小趨勢。D-4較其他四種瀝青有較高的η*，D-4有更好的抗流動變形能力。

(3)對復合改性煤瀝青的60℃粘度與角頻率的關系進行擬合，相關系數大于0.95，相關性較好。其中，D-3和D-4的零剪切粘度ZSV較其他三種有較大提高，瀝青中的粘性成分有所提高，改善了瀝青的抗變形能力。