不同標(biāo)號(hào)瀝青膠漿流變性能研究

葉爾木拉提·木哈得爾

（中鐵建新疆京新高速公路有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

瀝青混合料性質(zhì)隨溫度及荷載作用變化而變化，在不同溫度條件下表現(xiàn)出彈性、黏性和黏彈性。現(xiàn)代膠漿理論認(rèn)為，瀝青混合料是一種三級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散系，一般認(rèn)為瀝青膠漿（由填料及瀝青組成）的構(gòu)成及性質(zhì)對(duì)瀝青混合料的力學(xué)性能與路用性能具有決定性的影響[1]。Zhan 等[2]研究分析了瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量與瀝青膠漿黏彈性之間的關(guān)系表明兩者的相關(guān)性較強(qiáng)，可利用瀝青膠漿的黏彈性較好地預(yù)測(cè)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量。Arshadi[3]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青膠漿的黏彈性與混合料抗車轍性能關(guān)系緊密，瀝青膠漿中的黏性成分和彈性成分可以很好地提高混合料的抗車轍性能。相比彈性成分作用，黏性成分對(duì)混合料的抗車轍性提高更明顯。Cristian Durta[4]采用不同的礦粉填料，在不同溫度條件下對(duì)基質(zhì)瀝青及其膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，通過(guò)瀝青的流變性能得到了預(yù)估的瀝青膠漿的特性參數(shù)，并建立了瀝青與瀝青膠漿之間的聯(lián)系。以上眾多研究均表明，瀝青膠漿對(duì)瀝青混合料性能具有較大的影響。因此，對(duì)不同標(biāo)號(hào)瀝青與礦粉填料所組成的瀝青膠漿流變性能進(jìn)行了深入研究，其結(jié)果對(duì)于合理選擇瀝青種類具有重要的參考價(jià)值。

1 瀝青膠漿的制備

1.1 原材料

研究采用70#（SK）、50#（TPK）、30#（KL）、20#（KL）4 種不同的瀝青，其技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如圖1 所示。礦粉采用石灰?guī)r礦粉，礦粉技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 礦粉技術(shù)指標(biāo)

圖1 瀝青基本性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青膠漿制備

采用0.6、0.9、1.2、1.5 四個(gè)不同的粉膠比制備瀝青膠漿。先將礦粉置于105℃烘箱中加熱4 h 以去除水分，同時(shí)將4 種瀝青置于烘箱中，加熱溫度分別為其軟化點(diǎn)溫度+100℃，將瀝青烘至流動(dòng)狀態(tài)即可。之后將流淌狀態(tài)的瀝青置于相對(duì)應(yīng)溫度下的油浴鍋中，開(kāi)動(dòng)葉片攪拌器，葉片速度為500 r/min，邊攪拌瀝青邊分批次加入稱量好的瀝青，攪拌一共持續(xù)30 min，以保證礦粉與瀝青的充分混合。攪拌完成后立即制備DSR 樣品，防止礦粉在瀝青膠漿中沉淀，同時(shí)對(duì)制備的DSR 樣品在1 d 內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，防止樣品性質(zhì)發(fā)生變化。

2 瀝青膠漿在不同頻率下的流變性能

為了研究瀝青膠漿在更廣溫度域及頻率域中的性能，對(duì)上述16 種瀝青膠漿在5 種溫度（40℃、50℃、60℃、70℃、80℃）下進(jìn)行了頻率掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)頻率范圍為0.1～100 rad/s，應(yīng)變選擇1.25%，獲得了不同溫度、不同瀝青、不同粉膠比的瀝青膠漿各類流變學(xué)指標(biāo)隨加載頻率變化的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同頻率下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量數(shù)據(jù)，采用更適用于瀝青膠漿的sigmoidal 模型，對(duì)不同溫度下的瀝青膠漿頻率掃描曲線進(jìn)行主曲線擬合，從而對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行更廣溫度范圍的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)不同標(biāo)號(hào)、不同粉膠比的瀝青膠漿按上述試驗(yàn)條件進(jìn)行頻率掃描，得到16 種瀝青膠漿在5 種溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量隨頻率變化數(shù)據(jù)，并繪制瀝青模量主曲線，如圖2 所示。

圖2 瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量主曲線

根據(jù)以上瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量主曲線，利用sigmoidal 模型，求出不同瀝青膠漿5℃和15℃下的不同頻率時(shí)的復(fù)數(shù)剪切模量。選擇10 Hz 時(shí)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量作為基準(zhǔn)分析對(duì)象。圖3 為不同瀝青膠漿在5℃和15℃時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量。

圖3 不同溫度下的瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量

對(duì)以上不同溫度下的瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量進(jìn)行方差分析，得到瀝青標(biāo)號(hào)[70#（SK）、50#（TPK）、20#（KL）]及粉膠比大小（0.6、0.9、1.2、1.5）兩個(gè)因素對(duì)復(fù)數(shù)剪切模量的顯著性影響水平（α=5%水平下）。方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 方差分析結(jié)果

由上述方差分析結(jié)果可知，在60℃高溫條件下，粉膠比與瀝青類型對(duì)瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量均具有顯著性的影響，且瀝青類型對(duì)膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量影響水平更顯著。我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)估也充分考慮了60℃、10 rad 下瀝青結(jié)合料復(fù)數(shù)剪切模量的影響。這也說(shuō)明瀝青結(jié)合料的復(fù)數(shù)剪切模量對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)的重要性。

在15℃中溫條件下，粉膠比與瀝青類型對(duì)瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量同樣具有顯著性的影響。此時(shí)兩種因素對(duì)復(fù)數(shù)剪切模量的影響水平大致相等。在5℃低溫條件下，上述兩種因素對(duì)膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量同樣均具有顯著性的影響，但在此條件下，粉膠比對(duì)復(fù)數(shù)剪切模量的影響更為顯著。

3 瀝青膠漿在不同溫度下的流變性能

為了更具體地了解不同溫度下，瀝青膠漿性能受粉膠比和瀝青種類的影響，利用DSR 試驗(yàn)儀測(cè)試了上述16 種不同標(biāo)號(hào)、不同粉膠比的瀝青膠漿在不同溫度下的各項(xiàng)流變學(xué)指標(biāo)。測(cè)試條件如下：采用應(yīng)變控制方式，應(yīng)變選用1.25%，平行板直徑為25 mm，間隙為1 mm，試驗(yàn)頻率選為10 rad/s，試驗(yàn)溫度間隔固定在6℃。得到不同粉膠比的瀝青膠漿在不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車轍因子G*/sinδ、儲(chǔ)存模量G′和損耗模量G″。以下分別對(duì)各流變學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。

3.1 復(fù)數(shù)剪切模量G*與相位角δ

不同瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G* 和相位角δ如圖4 所示。

圖4 不同瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量及相位角

在瀝青種類及粉膠比不變的情況下，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量均隨著溫度的增大而減小，對(duì)應(yīng)到混合料中，預(yù)示著瀝青混合料的抗車轍性能隨著溫度的升高而降低。同時(shí)，隨著溫度的升高，瀝青膠漿的相位角也有逐漸增大的趨勢(shì)，更進(jìn)一步表明溫度越高，瀝青的彈性成分越低而黏性成分越高。

對(duì)不同瀝青及不同粉膠比兩種因素對(duì)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量及相位角進(jìn)行兩因素方差分析。表3為試驗(yàn)溫度40℃條件下，4 種瀝青4 種粉膠比共16種瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G* 在顯著性水平α=5%條件下的方差分析結(jié)果。

表3 40℃時(shí)瀝青膠漿G* 方差分析結(jié)果

由表3 可知，F(xiàn)（瀝青類型）=54.52＞F crit=3.26，F(xiàn)（粉膠比）=10.09＞F crit=3.49，表明瀝青種類及粉膠比對(duì)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量具有顯著性影響。結(jié)合表4 可知，瀝青標(biāo)號(hào)越低，粉膠比越大，組成的瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*越大。

表4 不同溫度下瀝青膠漿G* 方差分析結(jié)果

對(duì)40～88℃下的瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量G*進(jìn)行方差分析，可以得到不同溫度下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*對(duì)瀝青類型和粉膠比的方差分析結(jié)果F值（見(jiàn)表4）。

由表4 可以發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，F(xiàn)（瀝青類型）值始終大于F crit，且隨著溫度的升高，F(xiàn)（瀝青類型）值有先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，F(xiàn)（粉膠比）值也有隨著溫度升高先增大后減小的趨勢(shì)，且在82℃及88℃高溫條件下，F(xiàn)（粉膠比）值開(kāi)始小于F crit。以上規(guī)律表明，在所試驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，粉膠比對(duì)瀝青膠漿的G*影響比瀝青類型對(duì)瀝青膠漿的G*影響更顯著。隨著溫度的升高，兩種因素對(duì)膠漿G* 影響的顯著性先增大后減小，在70℃時(shí)兩者的顯著性達(dá)到最大，即在此溫度下，調(diào)整瀝青種類及粉膠比大小對(duì)瀝青膠漿的G* 影響最大。隨著溫度達(dá)到82℃以上后，粉膠比對(duì)瀝青膠漿G* 在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒(méi)有顯著性的影響，說(shuō)明在高溫條件下，改變粉膠比不會(huì)顯著性地改變?yōu)r青膠漿的G*。

對(duì)瀝青膠漿的相位角δ 進(jìn)行相應(yīng)的方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同溫度下瀝青膠漿相位角δ 方差分析結(jié)果

由表5 可知，瀝青類型及粉膠比對(duì)瀝青膠漿相位角的影響顯著性指標(biāo)F 值均隨著溫度的升高而出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。從具體數(shù)值可以看出，F(xiàn)（瀝青類型）值始終大于F crit，而F（粉膠比）值始終小于F crit。以上規(guī)律表明，瀝青類型對(duì)瀝青膠漿的相位角具有顯著性的影響，而粉膠比對(duì)瀝青膠漿的相位角沒(méi)有顯著性影響，即在所選用的幾種瀝青及粉膠比的范圍內(nèi)，改變?yōu)r青種類可以顯著性地調(diào)整瀝青膠漿中的黏彈性比例，而改變粉膠比大小則對(duì)瀝青膠漿的黏彈性比例無(wú)顯著性的影響。同時(shí)，在較高溫度（如70℃）下，改變?yōu)r青類型對(duì)瀝青膠漿黏彈性比例的影響顯著性水平最大，而當(dāng)溫度再升高至70℃以上后，這種影響的顯著性水平又會(huì)逐漸減小。

3.2 車轍因子G*/s inδ

基于以上分析，得到了瀝青膠漿的力學(xué)指標(biāo)——復(fù)數(shù)剪切模量G* 及相位角δ 在瀝青種類及粉膠比兩種因素下的顯著性水平。為了深入了解這兩種因素對(duì)瀝青膠漿的路用性能的影響，本文選用了車轍因子G*/sinδ、儲(chǔ)存模量G′、損耗模量G″3 種流變學(xué)指標(biāo)，分別分析上述兩種因素對(duì)瀝青膠漿的抗車轍性能、彈性和黏性的顯著性水平，探究瀝青種類及粉膠比在不同溫度下對(duì)瀝青膠漿的影響水平。圖5 分別為不同粉膠比下70#（SK）、50#（TPK）、30#（KL）、20#（KL）瀝青膠漿在不同溫度下的車轍因子G*/sinδ。

圖5 瀝青膠漿車轍因子

對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用相同的方差分析方法，得到不同瀝青膠漿不同溫度下G*/sinδ、G′、G″的F（瀝青類型）值與F（粉膠比）值，分別列于表6 中。

表6 不同溫度下瀝青膠漿G*/s inδ 方差分析結(jié)果

由表6 可知，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)（瀝青類型）值一直大于3.26，且F（瀝青類型）值大F（粉膠比）值一個(gè)量級(jí)。同時(shí)，F(xiàn)（粉膠比）值隨著溫度的升高而下降，當(dāng)試驗(yàn)溫度為64℃時(shí)，F(xiàn)（粉膠比）值開(kāi)始小于3.49。以上規(guī)律表明，瀝青類型對(duì)瀝青膠漿車轍因子G*/sinδ 具有顯著性影響，同時(shí)其影響水平遠(yuǎn)高于粉膠比對(duì)瀝青膠漿車轍因子G*/sinδ 的影響水平。由于車轍因子常作為瀝青類材料的抗車轍性能指標(biāo)，因此在該試驗(yàn)溫度條件下，相較于改變粉膠比的大小，改變?yōu)r青種類能顯著性地提升瀝青膠漿的抗車轍性能。當(dāng)溫度高于64℃時(shí)，改變粉膠比對(duì)瀝青膠漿的抗車轍性能沒(méi)有顯著性影響，說(shuō)明在高溫條件下，若需要提升瀝青膠漿的抗車轍性能，最有效的方法是改變?yōu)r青種類。

將上述G*、δ、G*/sinδ 這3 種流變學(xué)指標(biāo)在不同溫度下的方差分析結(jié)果整理匯總，具體見(jiàn)表7。表7中，* 表示具有顯著性影響，** 表示顯著性影響水平更高，無(wú)標(biāo)志的代表此因素對(duì)指標(biāo)無(wú)顯著性影響。

表7 粉膠比及瀝青類型對(duì)瀝青膠漿流變指標(biāo)影響水平

由表7 可知，在瀝青膠漿中，瀝青種類對(duì)膠漿流變學(xué)性能影響始終最為顯著，而粉膠比僅在中溫條件下對(duì)瀝青膠漿的G* 及G″具有顯著性影響。

4 結(jié)論

對(duì)70#（SK）、50#（TPK）、30#（KL）、20#（KL）4種瀝青分別按照0.6、0.9、1.2、1.5 的粉膠比制備了16 種瀝青膠漿，并對(duì)其進(jìn)行了溫度掃描以及頻率掃描試驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下：

（1）瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量隨著瀝青標(biāo)號(hào)的減小及粉膠比的增大而升高；瀝青膠漿的相位角隨著瀝青標(biāo)號(hào)增大而增大，而與粉膠比相關(guān)性不大。

（2）瀝青膠漿頻率掃描試驗(yàn)及主曲線結(jié)果表明：在5℃低溫條件下，粉膠比對(duì)瀝青膠漿的力學(xué)性能影響更顯著；在15℃中溫條件下，粉膠比及瀝青種類對(duì)瀝青膠漿的力學(xué)性能影響水平大致相同；在60℃高溫條件下，瀝青種類對(duì)瀝青膠漿的力學(xué)性能影響更顯著。

（3）不同溫度下瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車轍因子G*/sinδ 的影響因素分析結(jié)果表明：在中高溫條件下，瀝青種類對(duì)膠漿流變學(xué)性能影響最為顯著。