彈性體與樹脂類高黏瀝青的抗疲勞性能研究

【摘 要】選擇兩種市面常用的改性劑（樹脂類高黏改性劑和彈性體高黏改性劑）采用相同的工藝對瀝青進行改性，并從微觀性能、物理性能、高溫性能和抗疲勞性能四個方面進行測試研究。通過紅外光譜和三大指標結果得出樹脂改性瀝青依靠結晶體進行改性，而彈性體高黏改性瀝青形成三維彈性結構達成改性效果。通過溫度掃描試驗對改性效果進行分析，得到兩者均有不錯的改性效果。通過線性振幅掃描試驗（LAS）試驗發現樹脂類改性瀝青內部結晶體受到一定的應力/應變破壞后，會失去承載能力。而彈性體在在受到應力/應變破壞后，會產生延遲的彈性恢復。建議在車載小（應變小）運營狀況可采用樹脂類高黏改性劑進行改性。

【關鍵詞】高黏改性劑； 紅外光譜； 溫度掃描； LAS

【中圖分類號】U414.7+5【文獻標志碼】A

0 引言

由于高溫降雨增大和城市交通荷載增加的影響，要求路面具有較大的孔隙率和良好的耐久性能，因而排水性瀝青路面得到大量研究，其中高黏改性瀝青更是研究的熱點［2］。高黏瀝青改性劑種類包括熱塑性彈性體、橡膠、樹脂和納米材料等［3］，國外最具代表性高黏改性劑為日本研發的高黏度瀝青TPS（TAFPACK-Super）改性劑，是一種彈性體改性劑。研究表明，TPS可以有效提高瀝青膠結料的感溫性、高溫穩定性、低溫抗裂性及彈性恢復能力等［4-5］。國內研制了 HVM高黏改性劑，其改性的高黏度瀝青具有良好的高溫穩定性、低溫抗裂性且熔點低，并具有較好的拌合性，易于施工應用［6-7］。有研究表明熱塑性樹脂類共聚物很容易分散在瀝青中，并且與瀝青粘合劑具有相對良好的相容性，有更好的儲存穩定性［8］。近年來，關于納米高黏改性瀝青的研究也逐漸增加，研究表明鈉蒙脫土和有機蒙脫土的加入提高了SBS改性瀝青的粘度［9-10］。現階段對于高黏瀝青改性性能已有較多研究，但對于不同高黏改性瀝青的影響機理以及疲勞性能影響研究較少，因此本文選擇常見的樹脂高黏改性劑和彈性體高黏改性劑對瀝青進行改性，并深入研究不同高黏改性劑對瀝青流變性能和抗疲勞性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 高黏瀝青改性劑

本文分別采用樹脂類改性劑和彈性體類改性劑對埃索基質瀝青（E70）進行改性，其改性劑基本參數如表1所示。

1.1.2 高黏改性瀝青制備工藝

制備不同摻量高黏改性瀝青：加熱瀝青至180 ℃—加入改性劑進行手動攪拌10 min—降溫至170 ℃，并以500 r/min勻速攪拌1 h—清理儀器，等待瀝青恢復至室溫。

1.2 試驗方法

1.2.1 微觀性能

本文通過傅里葉紅外光譜試驗（FTIR），對不同高黏改性顏色＼＼白色藍色劑、原樣基質瀝青E70、高黏改性瀝青分別進行微觀分析，FTIR是基于分子和光子運動的試驗，紅外光照射下可對具有一定特征頻率的官能團進行識別，是一種定量分析的有效手段。本文使用的紅外光譜儀檢測的光譜范圍為4 000～600 cm-1，分辨率為 4 cm-1，掃描頻次為16次。

1.2.2 物理性能

按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0604、T 0605、T 0606標準和試驗方法，進行不同種類的高黏改性瀝青的針入度（25 ℃）、軟化點和延度（5 ℃）試驗，利用三大指標試驗結果對高黏改性瀝青的物理性能進行評價。

1.2.3 高溫性能

本文通過溫度掃描對瀝青高溫性能進行評價。

利用DSR進行振蕩試驗（oscillation test）主要是為了獲取瀝青樣品在不同溫度下的模量（G*）與相位角（δ），并計算Superpave車轍因子（G*/sinδ）。試驗規程參照AASHTO T315，規范中選用溫度掃描中車轍因子 G*/Sinδ作為反映瀝青材料抗永久變形的指標，瀝青材料在重復剪切變形時產生的總阻力值可用復數剪切模量 G*指標表征；相位角δ反映了 G*中損耗模量和儲存模量的關系，表示應變相對于應力的滯后程度，G*/Sinδ值越大，表示瀝青在高溫狀態下流動和變形能力越低，則高溫穩定性能越好。

1.2.4 抗疲勞性能

LAS試驗是用來評估瀝青抵抗疲勞破壞的能力，通過在增加的振幅下施加循環載荷。LAS試驗方案包括兩個步驟：第一步是測量未損壞的流變學特性，第二步是測量瀝青的損壞特性。

瀝青的未損壞性能由參數 “α”表示，是由頻率測試間接確定的。α參數是根據瀝青的頻率掃頻測試計算出來的。該試驗的第二步采用了振幅掃頻測試，使用振蕩剪切的應變控制模式，頻率為10 Hz。加載方案包括10 s的恒定應變振幅的間隔，應變振幅從0.1%增加到30%，每10個加載周期記錄一次峰值剪切應變和峰值剪切應力，以及相位角和動態剪切模量。疲勞壽命采用式（1）計算。

Nf=A（γmax）-B（1）

式中：A和B是取決于材料特性的系數，使用簡化粘彈性連續破壞理論（S-VECD）計算。γmax是特定路面結構粘結劑的最大預期應變。試驗按照AASHTO TP101在25 ℃下進行，分別在不同應變水平下計算疲勞壽命。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀性能

利用紅外光譜試驗對不同種類的改性瀝青進行微觀性能分析，選擇基質瀝青和8%摻量的改性瀝青進行紅外光譜試驗，其測試結果分別如圖1、圖2所示。

本文的樹脂高黏改性瀝青紅外光譜的結果如圖1所示，樹脂改性劑在 2 914 cm-1、2 850 cm-1、1 473 cm-1 和 720 cm-1 處顯示出強而高的吸收峰。這些峰均歸因于 CH2 基團的不對稱拉伸、彎曲變形和搖擺變形。特別是720 cm-1處的搖擺變形歸因于n大于4的（CH2）n，即長鏈結構。與觀察到的彈性體改性劑相比，這些 CH2 特征峰更高更窄，這表明樹脂改性劑的多分散性更低，全同立構規整度更高。樹脂改性劑的高 CH2 含量意味著它具有均勻的長鏈結構。因為對于樹脂改性劑而言，沒有觀察到不飽和聚烯烴峰的吸收峰。均勻飽和的長鏈結構在玻璃態溫度下容易結晶，在高溫下會迅速去結晶，因此樹脂改性劑可以顯著提高中溫溫度下的瀝青粘度，而不會影響可加工性。

本文的彈性體高黏改性瀝青紅外光譜的結果如圖2所示，可以看出彈性體改性劑是一種類似于 SBS 的聚烯烴基嵌段共聚物，因此在 966 cm-1和 911 cm-1處表現出很強的吸收，這表明有大量的聚丁二烯鏈段。在 700 cm-1 處的尖銳和高吸收歸因于改性劑上的聚苯乙烯鏈段，這些都是SBS聚合物的典型特征峰，這表明彈性體改性劑的主要成分可能是SBS聚合物。 2 914 cm-1、2 850 cm-1 和 1 420 cm-1 處的區別峰歸因于吸收 -CH- 和 -CH2-，這表明彈性體改性劑的簡單長鏈結構。通過橡膠狀長鏈聚丁二烯鏈段與硬質聚苯乙烯鏈段的結合，彈性體改性劑可以在瀝青內形成堅韌而有延展性的彈性網絡，顯著提高其機械性能。

2.2 三大指標

為了測試不同高黏改性瀝青物理性能影響，對不同摻量的高黏改性瀝青進行三大指標測試，其測試結果如表2所示。

從表 2可以看出，由于樹脂類高黏瀝青內部結晶導致瀝青整體硬化，轉變為流動態時所需能量增加，因此樹脂類高黏瀝青較基質瀝青針入度減小，低溫延度變差，但軟化點提升明顯；而彈性體高黏瀝青由于內部的三維彈性結構，使得瀝青黏稠度增加，針入度較基質瀝青減小11.5%，而后隨摻量的增加而變化不明顯，而軟化點，低溫延度較基質瀝青都有所增加。雖然兩者改性機理不同，但無論樹脂改性瀝青還是彈性體改性瀝青均對基質瀝青有著不錯的改性效果。

2.3 高溫性能

2.3.1 溫度掃描試驗

利用動態剪切流變儀對高黏改性瀝青進行溫度掃描試驗，采用25 mm平行板，設置間隙為1 mm，試驗角頻率為10 rad/s、應變為10%，溫度范圍為40～140 ℃，10 ℃溫度間隔，得到不同摻量高黏改性瀝青儲存模量G*數據結果如圖3所示。

從圖 3可以看出，在40～110 ℃范圍內，樹脂類高黏瀝青的復合模量明顯高于彈性體類高黏瀝青。但在120～140 ℃，樹脂類高黏瀝青模量驟降至基質瀝青水平。其主要原因是樹脂類高黏瀝青在溫度較低時內部結晶體尚未吸熱熔化，對瀝青起到硬化作用，增大其抵抗變形的能力，宏觀表現為復合模量增大。然而，隨著溫度升高，結晶體開始熔化，待溫度達到改性劑熔點，瀝青抵抗變形的能力隨之減弱，致使模量減小。彈性體高黏瀝青在40～140 ℃范圍內，其模量始終大于基質瀝青，主要原因是改性劑在瀝青中生成的三維彈性結構起到了抵抗變形的作用，且該結構不會因溫度升高。

2.4 抗疲勞性能

本文采用LAS試驗評價高黏改性瀝青抗疲勞性能，首先使用頻率掃描對高黏改性瀝青進行剪切測試，以確定其流變性能；然后使用一系列振蕩負載循環的方式測試樣品，振幅按照恒定頻率系統地增加，以引起加速的疲勞損耗。應變振幅從0.1%增加到30，進行不同高黏改性瀝青疲勞性能對比，試驗數據如圖4所示。

如圖4所示，所有的改性瀝青和基質瀝青隨應變的增加而逐漸屈服，彈性體改性瀝青隨摻量的增加屈服程度逐漸減小，直到30%的應變水平，彈性改性瀝青仍然顯示出相當大的應力，表明其仍然保持著強大的結構完整性，并繼續抵抗變形。峰值應力在LAS測試不一定能轉化為強大的抗疲勞能力，但是一個表征硬度的良好指標，峰值應力大小的排序為：E70+8% 樹脂gt; E70+5% 樹脂gt; E70+3% 樹脂gt; E70gt; E70+3% 彈性體gt; E70+5% 彈性體gt; E70+8% 彈性體。說明樹脂類改性劑的加入會隨摻量的增加，內部結晶體增加，使得基質瀝青硬度增加，在較小的應變情況下，具有更強的抵抗變形能力；而彈性體改性劑的加入會隨摻量的增加，三維網絡結構加密，瀝青的彈性增加，相比于基質瀝青硬度減小。

通過公式1分別計算不同應變下的疲勞壽命，結果如圖5所示。

如圖5所示，預計疲勞壽命隨著瀝青應變的增加而減小，隨著樹脂類改性劑的加入，在小應變下對瀝青的疲勞壽命有一定提升作用，大應變下對疲勞壽命有減弱的效果。這說明樹脂類改性瀝青內部結晶體受到一定的應力/應變破壞后，會失去承載能力。對于彈性體改性瀝青而言，在不同應變下都隨摻量增加對基質瀝青的疲勞壽命有著改善的效果，其內部的三維彈性網狀結構在受到應力/應變破壞后，會產生延遲的彈性恢復。

3 結論

（1）樹脂類高黏改性劑、彈性體高黏改性劑的加入都能對瀝青起到改善作用，且隨著摻量增加改性效果越明顯。

（2）通過紅外光譜和三大指標結果得出樹脂類高黏改性劑通過自身結晶體，使得瀝青硬化達到改性效果；而彈性體高黏改性劑與瀝青形成三維彈性結構，增加黏度達到改性效果。

（3）高溫下彈性體高黏瀝青仍具有較大的復合模量，有著良好的抵抗變形能力；而樹脂高黏改性瀝青由于結晶體的熔化，復合模量下降明顯，但在高溫下具有更好的施工和易性。

（4）通過LAS試驗可知，樹脂類改性瀝青內部結晶體受到一定的應力/應變破壞后，會失去承載能力。對于彈性體改性瀝青而言，在不同應變下都隨摻量增加對瀝青的疲勞壽命有著改善的效果，其內部的三維彈性網狀結構在受到應力、應變破壞后，會產生延遲的彈性恢復。

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［作者簡介］青光焱（1982—），男，本科，高級工程師，從事路面工程方面的工作。