基于動態流變法的溫拌高黏改性瀝青中高溫性能研究

張 澤，許 斌，劉 奕，姜 濤，高奧東

(1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074；2.中路高科(北京)公路技術有限公司,北京 100088；3.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；4.廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司,廣西 南寧 530023)

0 引言

為能夠提增現代道路整體應用特性以及耐久水平，美國于20世紀80年代制定了為期5 a的公路發展規劃，即SHRP，這其中為能夠分析瀝青這一特殊的并對溫度極其敏感的材料，提出了采用動態剪切流變儀測定瀝青材料的流變性能這種新的瀝青評價體系[1-2]。瀝青的典型性能包含針入度、延度、黏度等指標[3]，這些都是對其流變性能在特殊條件下某一個點的分析，對于瀝青流變特性的研究主要結合DSR儀器對其震蕩檢測，繼而獲得特定的時間和溫度范圍內瀝青持續性的性能變化規律，由此完成對瀝青材料動態特性的測定以及評估[4-6]。時敬濤等[7]系統地研究了有機降黏型溫拌劑Sasobit對高黏改性瀝青物理性能和流變性能的影響。Rodríguez-Alloza等[8]、陳穎川等[9]研究了4種降黏型溫拌劑對高黏改性瀝青性質的影響。本研究選用兩種溫拌劑RH和JY-W1，制取兩類溫拌高黏改性瀝青，基于動態剪切流變設備就改性瀝青予以原樣PG高溫測定，結合溫掃試驗對其溫度敏感特性進行評估，結合多應力重復蠕變恢復(MSCR)試驗分析各種瀝青的高溫蠕變恢復特性，利用頻掃(FS)試驗模擬對各種瀝青不同的加載頻率，從而得到評價其性能變化規律。

1 原材料

1.1 試驗材料

高黏改性瀝青主要用于透水瀝青路面的設計[10]。本研究并未采用成品的高黏改性瀝青，而是利用SBS改性瀝青和高黏劑進行制備。本研究所用的高黏劑是HVA高黏高彈添加劑,采用的兩種溫拌劑分別為RH溫拌劑和JY-W1溫拌劑。RH溫拌技術是基于交通運輸部公路科學研究院開發的RH溫拌瀝青改性劑研發的成套應用技術，RH溫拌劑以粉末狀固體存在，屬于有機降黏性溫拌劑；JY-W1是一種棕色油性溫拌劑，屬于發泡降黏性溫拌劑，由市面銷售提供。物理技術指標見表1～表3，性狀如圖1所示。

表1 RH物理指標Tab.1 Physical indicators of RH

表2 JY-W1物理指標Tab.2 Physical indicators of JY-W1

表3 HVA物理指標Tab.3 Physical indicators of HVA

圖1 三種改性劑Fig. 1 Three modifiers

1.2 溫拌高黏改性瀝青的制備

1.2.1 高黏改性瀝青

獲得高黏改性瀝青：首先需要將稱取獲得的SBS改性瀝青置于器皿內，同時于烘箱內進一步加熱至180 ℃左右，待其充分流動后備用；其次按照SBS改性瀝青與HVA髙黏劑92∶8的設計比例稱取一定量的髙黏劑，將備用的SBS改性瀝青在高速剪切機上進行剪切；然后在剪切過程中緩緩加入HVA，此時將剪切機的速率增大到(5 000±200)r/min，同時將溫度保持在(180±10) ℃環境下，剪切30 min，完畢以后斷開剪切設備，最后將制備好的樣品置于180 ℃的環境下靜置30 min，得到完整的高黏改性瀝青以備用。瀝青高速剪切機如圖2所示。

圖2 瀝青高速剪切機Fig.2 Asphalt high-speed shearing machine

1.2.2 溫拌高黏改性瀝青

制備溫拌高黏改性瀝青：在以RH作為溫拌改性劑制備溫拌高黏改性瀝青時，RH溫拌劑的用量分別為高黏改性瀝青用量的3%，4%和5%。第1步，將制備好的高黏改性瀝青放入180 ℃的烘箱中烘至流動狀；第2步，將準確稱量的RH溫拌劑加入到高黏改性瀝青中，用玻璃棒大致攪拌均勻；第3步，將攪拌后的瀝青放在剪切機上進行剪切，剪切速率設為(3 000±100)r/min，溫度維持在(180±10) ℃環境下，剪切 30 min，最后將其置于180 ℃的環境下靜置發育30 min，去除氣泡等待使用。以JY-W1溫拌劑制備溫拌高黏改性瀝青與上述唯一不同的是，JY-W1為油性溫拌劑，JY-W1溫拌劑的用量為0.3%，0.4%和0.5%，將JY-W1溫拌劑加入到高黏改性瀝青中不需要進行剪切，只需在攪拌狀態下緩慢添加至預先加熱好的高黏改性瀝青中，隨后攪拌約10 min，排除氣泡，完成溫拌高黏改性瀝青的制備。制備流程見圖3。在本研究中，為了便于歸類和區別分析，將摻加0.3%，0.4%及0.5%JY-W1溫拌劑的高黏改性瀝青分別擬名為J1瀝青、J2瀝青及J3瀝青，同樣將摻加3%，4%及5%RH溫拌劑的高黏改性瀝青分別擬名為R1瀝青、R2瀝青及R3瀝青。瀝青剪切效果及其微觀結構見圖4～圖5。

圖3 溫拌高黏改性瀝青制備工藝Fig.3 Preparation process of warm-mixed high-viscosity modified asphalt

圖4 瀝青剪切效果Fig.4 Asphalt shearing effect

圖5 不同瀝青微觀結構Fig.5 Microstructures of different asphalts

2 中高溫性能分析

2.1 原樣PG高溫試驗

在利用動態剪切流變儀(DSR)進行本試驗之前，需要按照要求設定參數，其中包含應變數值、角頻率以及平行板的上下間距，分別為12%，10 rad/s 以及1 mm[11]。試驗原理是當溫度升高或者降低時，瀝青的黏彈性能會發生較為明顯的變化[12-14]。瀝青抵抗車轍的強弱通過車轍因子G*/sinδ情況表示，這一數值越高，則反映出瀝青高溫時抵抗車轍變形水平越理想。SHRP規劃中明確要求原樣瀝青這一指標不得低于1 kPa，詳細結果見表4。

表4 幾種改性瀝青的車轍因子參數Tab.4 Rutting factor parameters of several modified asphalts

由表4可得到不同種改性瀝青車轍因子G*/sinδ和溫度之間的關系曲線，見圖6。

圖6 幾種改性瀝青車轍因子的變化曲線Fig.6 Curves of rutting factors of several modified asphalts

結合上述圖表不難發現，不同改性瀝青的車轍因子因為溫度的不斷提升而表現為降低態勢，相比較同一溫度下幾種改性瀝青的車轍因子，摻加溫拌劑高黏改性瀝青的高溫抗變形能力普遍比原樣高黏改性瀝青高；在58～70 ℃之間，RH溫拌劑3種摻量對高黏改性瀝青車轍因子G*/sinδ的作用大不相同，這說明溫度和溫拌劑摻量都是影響幾種瀝青高溫性能的重要因素，并且在溫度范圍內，3%RH溫拌高黏改性瀝青的車轍因子G*/sinδ遠低于高黏改性瀝青，這表明此摻量的RH溫拌劑可以使高黏改性瀝青表現出更多的黏分，彈性恢復性能減弱；隨著試驗溫度的升高，幾種瀝青的車轍因子G*/sinδ變化曲線發生交叉或有交叉的趨勢，這表明有些瀝青的溫度敏感性非常高，比如摻量為0.4%和0.5%的JY-W1溫拌高黏改性瀝青，其車轍因子G*/sinδ的下降速率相對較快?？傮w來看，在高溫狀態下，RH溫拌劑對高黏改性瀝青抗車轍能力的改善要比JY-W1溫拌劑好一些，除此之外，摻加4%RH溫拌劑的高黏改性瀝青的抗變形能力最強，在這一層面說明此摻量的RH溫拌劑可以對瀝青的高溫性能起到良好的改性作用。

2.2 不同瀝青多應力重復蠕變恢復試驗(MSCR)

動態剪切流變儀MSCR試驗被廣泛用于評價瀝青結合料的抵抗變形能力。在試驗開始前，也需按照要求設定相應的試驗參數，其中包括25 mm的平行板，0.1 kPa和3.2 kPa兩個應力參數。每個應力水平作用時間為100 s，總共200 s，10 s為一個周期。

試驗溫度設為60 ℃，試驗完成后，可以得到兩個應力水平下幾種改性瀝青的應變隨時間的變化曲線，見圖7。

圖7 幾種改性瀝青應變變化曲線Fig.7 Strain curves of several modified asphalts

當應力水平為0.1 kPa時，由圖7(a)可知，加入溫拌劑的高黏改性瀝青的應變明顯高于高黏改性瀝青，其中4%RH溫拌高黏改性瀝青的應變是高黏改性瀝青的數倍，由于荷載應力較小，雖然在時間-應變圖中可較直觀地看出應變差距，但是應變的數量級非常小，不足以用來評價高黏改性瀝青與溫拌高黏改性瀝青的抗變形能力，此應力水平可作為下一個應力狀態的過渡與對比。

當應力水平達到3.2 kPa時，從圖7(b)可以看出，各種瀝青的應變都有大幅度的增加，并且各種瀝青的蠕變恢復能力均有所降低，其中溫拌高黏改性瀝青最為明顯。與此同時，溫拌高黏改性瀝青與高黏改性瀝青每次循環產生的應變差距隨時間的變化逐漸增大，在施加應力的最開始階段，各種瀝青的應變變化情況大體一致，這說明兩種溫拌劑對高黏改性瀝青黏性成分的作用隨時間的變化而減弱，但蠕變恢復能力逐漸增強。

綜上所述，在一定的應力水平內，兩種溫拌劑對高黏改性瀝青的抗變形能力和蠕變恢復能力都有影響，并且每種溫拌劑的每種摻量有著不同的影響程度。兩種溫拌劑對高黏改性瀝青抗變形能力的保持或改善只發生在應力施加初始階段，而其蠕變恢復能力卻隨著時間的變化明顯提高。因此抗變形能力的大小順序基本為：高黏改性瀝青>JY-W1溫拌高黏改性瀝青>RH溫拌高黏改性瀝青；蠕變恢復能力大小順序大致為：RH溫拌高黏改性瀝青>JY-W1溫拌高黏改性瀝青>高黏改性瀝青。

蠕變恢復指標R以及蠕變柔量Jnr可被作為MSCR測試的評估參量，前者主要反饋了不同蠕變循環之后其恢復形變指標及瀝青恢復形變性能情況，后者則用于反饋瀝青高溫抵御車轍能力大小，結合各個應變參量能夠獲得二者指標的具體結果，詳細計算為：

R=(γρ-γnr)/(γρ-γ0)，

(1)

Jnr=γnr/τ，

(2)

(3)

(4)

式中，γρ為每個周期內的峰值應變；γnr為每個周期內的殘留應變；γ0為每個周期內的初始應變；τ為蠕變應力；R0.1i為0.1 kPa應力情況下的各個蠕變的循環恢復率，i為1～10；Jnr0.1i為0.1 kPa應力情況下的各個無法恢復的蠕變柔量，i為1～10。

計算結果如表5和圖8所示。

表5 多應力重復蠕變恢復試驗計算結果Tab. 5 Calculation result of multi-stress repeated creep recovery test

圖8 各個應力情況下的不同改性瀝青蠕變恢復率和不可恢復蠕變柔量比較Fig. 8 Comparison of creep recovery rate and unrecoverable creep compliance of different modified asphalts under different stresses

由上述圖表可知，在兩個應力水平下，幾種瀝青材料都表現出不同的恢復能力，并且無論應力水平是0.1 kPa或者3.2 kPa，幾種改性瀝青的蠕變恢復能力大小順序都是5%RH溫拌高黏改性瀝青>4%RH溫拌高黏改性瀝青>3%RH溫拌高黏改性瀝青>0.5%JY-W1溫拌高黏改性瀝青>0.4%JY-W1溫拌高黏改性瀝青>0.3%JY-W1溫拌高黏改性瀝青>高黏改性瀝青，但是它們的差距幅度不大。兩個應力水平相比較，在0.1 kPa時，高黏改性瀝青和RH溫拌高黏改性瀝青的蠕變柔量Jnr更大，這說明在荷載水平增大時，兩種改性瀝青抵御永久變形性能更為突出，高溫抵御車轍表現性能更好。綜上所述，幾種改性瀝青中，RH溫拌高黏改性瀝青的高溫性能最佳，并且最佳摻量為4%；JY-W1溫拌高黏改性瀝青次之，最佳摻量為0.4%；高黏改性瀝青相對低于前兩種改性瀝青。

2.3 溫度掃描試驗

本節通過溫度掃描試驗分析瀝青的溫度敏感性。設置應力參數為0.1 kPa，試驗掃描溫度范圍為30～80 ℃，使用25 mm的平行板。

該部分對不同改性瀝青予以溫度掃描分析，得到相位角δ、車轍因子大小情況。δ越小則反映出瀝青材料恢復性能越理想，車轍因子越大則反饋瀝青材料抗剪切變形能力越強[15-16]。圖9反映了相位角δ、車轍因子G*/sinδ分別與溫度的關系。

圖9 不同改性瀝青相位角和車轍因子同溫度之間的關系Fig.9 Relationships of phase angle with rutting factor and temperature of different modified asphalts

從圖9(a)可知，摻入溫拌劑高黏改性瀝青的δ基本上都小于高黏改性瀝青。δ越大說明恢復性能越差，高黏改性瀝青恢復性能最差，兩種溫拌高黏改性瀝青恢復性能相對較好。摻加RH溫拌劑高黏改性瀝青的δ隨溫度的升高而減小，說明隨著溫度的升高，RH溫拌高黏改性瀝青的恢復性能增強，使其高溫性能得到提升，其中4%和5%兩種摻量改性瀝青的δ隨溫度減小的趨勢大致相同，而摻加3%RH溫拌劑改性瀝青的δ隨溫度變化的速率較慢。高黏改性瀝青和JY-W1溫拌高黏改性瀝青的δ隨著溫度的升高先小幅度減小后又增大，說明這兩種瀝青在合適的溫度范圍內恢復性能較好，摻加0.5%JY-W1溫拌劑高黏改性瀝青的δ在小溫度范圍內減小后又大幅度增大，這說明高溫改變了該瀝青的內部結構。

G*/sinδ越大說明瀝青抗車轍能力越好，從圖9(b)可知，在相對低溫范圍內，高黏改性瀝青的G*/sinδ略大于兩種溫拌瀝青，其中3%RH溫拌高黏改性瀝青的抗車轍能力最弱，這是因為高黏改性瀝青在較低溫度時表現出更多的黏性，甚至發硬，抵抗車轍變形能力增強，溫拌劑的加入降低了高黏改性瀝青黏度，使其抵抗變形能力降低，當溫度慢慢升高，高黏改性瀝青更多的黏性成分逐漸消失，致其抗車轍變形能力迅速下降。除此之外，隨著溫度的升高，幾種瀝青的G*/sinδ變化情況幾乎相同，并且最終趨于一致，這說明兩種溫拌劑在連續溫度下對高黏瀝青的改性容易發生疲勞，最終消失。這與上述2.1節得出的結論并不相悖，因為溫度的取值狀態不同，上述為單點高溫，本節為連續中高溫。

2.4 頻率掃描試驗(FS)

頻率掃描試驗可以通過掃描頻率模擬路面車輛荷載頻率，在小的應變范圍內測定瀝青材料的動態力學響應[17-19]，此處的掃描頻率和加載頻率具有一定的線性聯系。本研究中頻掃試驗使用8 mm轉子，掃描區間為0.1～100 rad/s，掃描溫度為5，20和35 ℃，由此能夠獲得不同掃描溫度下不同改性瀝青的動態剪切仿真結果和相位角隨頻率變化特性聯系，結果如圖10～圖12所示。

圖10 5 ℃下相位角和動態模量隨頻率變化Fig.10 Phase angle and dynamic modulus varying with frequency at 5 ℃

圖11 20 ℃下相位角和動態模量隨頻率變化Fig.11 Phase angle and dynamic modulus varying with frequency at 20 ℃

圖12 35 ℃下相位角和動態模量隨頻率變化Fig.12 Phase angle and dynamic modulus varying with frequency at 35 ℃

由圖10可知，當溫度為5 ℃時，在頻率范圍內，0.3%JY-W1溫拌高黏改性瀝青的δ最小，高黏改性瀝青的δ與之相當；隨著頻率的增大，幾種瀝青的δ都呈現下降趨勢，并且在0～10 Hz低頻時，幾種瀝青的δ下降速率較快，之后慢慢趨于平緩；3%RH溫拌高黏改性瀝青和0.5%JY-W1溫拌高黏改性瀝青的δ有小幅度增大的趨勢；幾種瀝青的G*均呈上升趨勢，并且上升的速率先增大后減小，最終趨于水平，其中高黏改性瀝青的G*最大，0.5%JY-W1溫拌高黏改性瀝青的G*最小，說明5 ℃時，高黏改性瀝青相對其他幾種溫拌高黏改性瀝青具有明顯較高的抗剪切變形能力。

從圖11可以看出，與5 ℃下相位角δ的變化情況相比，溫度為20 ℃時，幾種瀝青的δ也呈下降趨勢，但在一定低頻范圍內，下降的速率有所減緩。幾種改性瀝青的G*隨著頻率增加一直在增大，與5 ℃ 時相比，G*增大的速率加快；5%RH溫拌高黏改性瀝青與0.5%JY-W1溫拌高黏改性瀝青的G*變化趨勢近乎一致。

由圖12可知，溫度為35 ℃時，與前兩個溫度明顯不同的是，幾種瀝青的相位角δ隨頻率增加先快速增大后又小幅度減小；G*則保持之前溫度的趨勢，隨頻率增加逐漸增大。

綜上分析，兩種溫拌劑對改性瀝青恢復性能和抗剪切變形能力的影響程度不同，G*都會隨著掃描頻率增加而逐漸增大，并且隨溫度升高表現為下降態勢?？偠灾?，高黏改性瀝青在低溫時表現出更好的彈性，幾種改性瀝青抗剪切變形能力的大小關系為高黏改性瀝青>0.4%JY-W1溫拌高黏改性瀝青>0.3%JY-W1溫拌高黏改性瀝青>4%RH溫拌高黏改性瀝青>3%RH溫拌高黏改性瀝青>5%RH溫拌高黏改性瀝青>0.5%JY-W1溫拌高黏改性瀝青。

3 結論

(1)無論是高黏改性瀝青的制備還是溫拌高黏改性瀝青的制備，為了保證瀝青性能，需要嚴格設置制備時間、剪切速率、溫度等指標，并且在制備期間，要時刻觀察瀝青的狀態，尤其是均勻性必須滿足要求。

(2)從原樣PG高溫試驗來看，溫度范圍和溫拌劑的摻量都是影響幾種改性瀝青高溫抗車轍性能的重要因素。在同一溫度下，摻加溫拌劑高黏改性瀝青的高溫抗變形能力普遍比原樣高黏改性瀝青高；在高溫狀態下，RH溫拌劑對高黏改性瀝青抗車轍能力的改善要比JY-W1溫拌劑好一些，并且4%為最佳摻量。

(3)結合MSCR試驗數據分析，并通過量化不同改性瀝青蠕變恢復以及不可恢復蠕變情況，得到RH溫拌劑對于高黏改性瀝青高溫特性的改善最為理想，并且最佳摻量為4%；JY-W1溫拌高黏改性瀝青次之，最佳摻量為0.4%；高黏改性瀝青相對低于前兩種瀝青。

(4)溫度掃描試驗通過分別建立相位角δ和車轍因子G*/sinδ與溫度的關系，可以得出，兩種溫拌劑在溫度較高時可以改善高黏改性瀝青的高溫性能。

(5)通過頻掃(FS)試驗仿真車輛荷載頻率對瀝青路面作用效應，并在不同溫度下建立相位角δ、動態模量G*與頻率之間的聯系，高黏改性瀝青的彈性于相對低溫時表現突出，在5～35 ℃溫度范圍內，其抵御剪切變形能力稍強于兩種溫拌高黏改性瀝青，并且兩種溫拌高黏改性瀝青中，JY-W1溫拌高黏改性瀝青的抗剪切變形能力總體高于RH溫拌高黏改性瀝青，尤其0.4%摻量性能最佳。