基于有機-無機改性劑的改性瀝青流變性能研究

摘要：為評價不同改性劑對瀝青流變性能的影響，文章選擇有機和無機改性劑制備不同類型的改性瀝青，通過時間掃描試驗、多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)（MSCR）試驗和彎曲梁流變（BBR）試驗，并基于Burgers模型，對不同類型改性瀝青在不同溫頻下的流變性能進行評價和比較研究。結(jié)果表明：有機改性劑改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、抗疲勞性能和低溫抗裂性，均明顯優(yōu)于無機改性劑改性瀝青，且無機改性劑因其硬化效果對瀝青的低溫性能有不利影響；基于Burgers模型提出的低溫評價指標，與常規(guī)BBR試驗指標相比，更能真實表征改性瀝青的低溫性能。研究結(jié)果對工程實體優(yōu)選和應(yīng)用不同類型改性瀝青具有參考價值。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；有機改性劑；無機改性劑；流變性能；Burgers模型

U414.1A230733

0 引言

隨著國內(nèi)道路建設(shè)的發(fā)展和伴隨交通量的急劇增加，改性瀝青因其優(yōu)異的路用性能得到廣泛應(yīng)用［1-2］。瀝青改性劑一般可分為兩大類：有機改性劑和無機改性劑［3-4］。在有機改性劑中，常用的是SBS、橡膠粉和SBR等［5-7］。近年來，無機改性劑也逐漸成為道路工作者的研究熱點，且無機改性劑具有環(huán)保、可再生性和經(jīng)濟等優(yōu)點，一般無機改性劑包括納米材料，如蒙脫土、硅藻土和二氧化硅等［8-10］。盡管目前對各種改性瀝青的性能研究已經(jīng)非常普遍，但針對有機改性劑和無機改性劑對瀝青性能的評價和比較仍然不足?；诖耍謩e選擇有機改性劑和無機改性劑，有機改性劑為SBS、橡膠粉和SBR;無機改性劑為納米二氧化硅、納米氧化鋁、納米蒙脫土?；诹髯儗W和粘彈性學理論，采用時間掃描試驗、MSCR試驗和BBR試驗，分別評價和比較6種不同改性瀝青的流變性能，通過Burgers模型分析改性瀝青的低溫流變性能，并以此建立相應(yīng)的低溫抗裂評價指標。

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

采用東海牌70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其性能指標如表1所示。分別選擇SBS、橡膠粉、SBR、納米二氧化硅、納米氧化鋁、納米蒙脫土作為瀝青改性劑。改性劑的性能指標如表2～7所示。

1.2 改性瀝青制備

參考以往文獻，選定改性劑的摻量和剪切條件，采用高速剪切機等試驗設(shè)備制備相應(yīng)的改性瀝青，包括未老化瀝青和老化瀝青試件。各種改性瀝青制備的技術(shù)參數(shù)如下頁表8所示。老化瀝青的制備分為短期老化和長期老化，短期老化瀝青是通過旋轉(zhuǎn)膜加熱試驗（RTFOT）模擬短期老化過程，試驗溫度和時間分別為163 ℃和85 min；長期老化瀝青是采用壓力老化儀試驗（PAVT）模擬長期老化過程，試驗溫度和時間分別為100 ℃和20 h。

1.3 試驗方法

1.3.1 時間掃描

采用動態(tài)剪切流變儀的時間掃描模式，以評價各種改性瀝青的中溫抗疲勞性能。時間掃描基于控制應(yīng)變加載方式，加載應(yīng)變水平分別為3%、4%和5%，試驗溫度設(shè)置為20 ℃，加載時間和加載頻率分別為10 000 s和10 rad/s，并根據(jù)復(fù)數(shù)模量降低50%作為疲勞破壞點。

1.3.2 MSCR試驗

基于車轍因子在瀝青高溫性能評價的局限性，根據(jù)AASHTO TP70-12標準，采用MSCR試驗對各種改性瀝青的高溫抗車轍性能進行表征。MSCR分為兩個應(yīng)力加載階段，即0.1 kPa和3.2 kPa。在不同應(yīng)力狀態(tài)下反映瀝青在受力和卸力狀態(tài)下的變形特性，MSCR的測試溫度和保溫時間分別設(shè)置為60 ℃和15 min，評價指標為不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和彈性恢復(fù)率（R）。

1.3.3 BBR試驗

采用BBR試驗評價各種改性瀝青的低溫抗裂性能。BBR瀝青小梁試件規(guī)格（長×寬×高）為127 mm×6.35 mm×12.7 mm，試驗溫度分別設(shè)置為-12 ℃和-18 ℃。測定BBR小梁試件的撓度，并計算蠕變勁度（S）和蠕變速率（m）作為評價指標。

2 結(jié)果與討論

2.1 中溫抗疲勞性能

6種改性瀝青和基質(zhì)瀝青的時間掃描試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隨著應(yīng)變水平的增加，各種改性瀝青的疲勞壽命降低，而疲勞壽命下降的趨勢不同，這與改性劑在瀝青基體中的性能表征有關(guān)。其中，SBR-C的疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加下降最快，而無機改性劑改性瀝青疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加下降最慢。同時，還可以發(fā)現(xiàn)，與基質(zhì)瀝青相比，無論改性劑的種類，改性瀝青的疲勞壽命均大于基質(zhì)瀝青。SBR-C在4%應(yīng)變水平下的疲勞壽命最高，CR-B在5%應(yīng)變水平下的疲勞壽命最高，這是因為有機改性劑中含有碳化物，可以提高改性瀝青在中溫下的抗疲勞性能，而NS-D、NA-E和NM-F等無機改性劑改性瀝青的疲勞壽命明顯低于有機改性劑改性瀝青。這是因為有機改性劑具有交聯(lián)組分，交聯(lián)程度足夠高，使其具有“記憶力”。當聚合物發(fā)生疲勞破壞后，交聯(lián)組分相互作用，一旦壓力被移除，交聯(lián)組分能恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而改善瀝青的疲勞性能。無機改性劑由于其具有高比表面積，能夠促進自身與瀝青的均勻分散性，從而可以改善瀝青的流變性能和力學性能。

2.2 高溫抗車轍性能

圖2和圖3顯示了6種改性瀝青和基質(zhì)瀝青的MSCR試驗結(jié)果，瀝青Jnr值越小且R值越大表明其耐高溫變形和恢復(fù)能力越好。由圖2和圖3可知，在不同應(yīng)力條件下，不論改性劑種類，改性瀝青的Jnr值均小于基質(zhì)瀝青，且R值均高于基質(zhì)瀝青，這說明本文所用的改性瀝青均具有更好的抗變形和變形恢復(fù)能力。將無機改性劑改性瀝青和有機改性劑改性瀝青進行比較，可以發(fā)現(xiàn)有機改性劑改性瀝青的Jnr值遠小于無機改性劑改性瀝青，說明有機聚合物對瀝青高溫性能的改性效果更好。這是因為有機聚合物對瀝青的改性，主要作用在粘彈性流體與牛頓流體過渡的區(qū)域，即有機改性劑能通過擴大瀝青膠結(jié)料抗車轍的溫度范圍，從而改善瀝青的粘彈性流變性質(zhì)，而無機改性劑對瀝青的力學性能的改善更多是自身的物理特性所產(chǎn)生的吸附和粘結(jié)效果。

2.3 低溫抗裂性能

改性瀝青和基質(zhì)瀝青在-12 ℃和-18 ℃溫度下的BBR試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，隨著溫度的降低，瀝青的S值逐漸增大，瀝青試件逐漸硬化，這是由粘彈性向彈性體轉(zhuǎn)變的過程，瀝青內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力變大，低溫時容易出現(xiàn)裂縫。添加不同改性劑后，改性瀝青的S值隨溫度的變化趨勢基本一致，但其數(shù)值不同。SBR-C的S值在低溫時最小，即SBR對瀝青的低溫抗裂性能改善最好。瀝青的m值的變化規(guī)律與S值不同，從圖5中可以看出，瀝青的m值隨著溫度的升高而增大。這是因為測試溫度降低，改性瀝青的彈性成分占主導(dǎo)使其產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，黏性成分決定瀝青的蠕變速率，因此，瀝青的m值越大表明瀝青越粘稠，越不容易開裂。SBR-C的m值最大，說明SBR改性瀝青的低溫性能最好。與有機改性劑改性瀝青相比，無機改性劑改性瀝青的低溫性能較差，這是因為有機聚合物可以提高瀝青在低溫下的延展性，而無機改性劑的硬化效果對瀝青的低溫性能有不利影響。

2.4 Burgers模型低溫參數(shù)分析

瀝青在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)松弛和蠕變現(xiàn)象，這是瀝青材料固有的粘彈性性質(zhì)。采用Burgers模型研究瀝青材料的低溫流變特性，根據(jù)力學性能來確定各種改性瀝青的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Burgers模型的蠕變方程可歸納為式（1）：

εt=σ1E1+1η1t+1E21-e-E2tη2（1）

式中：t——加載時間；

ε——應(yīng)變；

σ——應(yīng)力；

E1、η1——麥克斯韋爾模型的彈性、阻尼系數(shù)；

E2、η2——開爾文模型的彈性、阻尼系數(shù)。

松弛時間可反映瀝青的應(yīng)力與時間的變化關(guān)系，一般來說，松弛時間越長，瀝青內(nèi)部應(yīng)力消散越慢，低溫開裂的可能性越高?；贐urgers模型，松弛時間（λ）的計算公式如式（2）所示：

λ=η1E1（2）

耗散能比（Wd/Ws）可表征瀝青的能力儲備和耗散性能，基于Burgers模型，儲存能（Ws）和耗散能（Wd）的計算公式如式（3）～（4）所示：

Wst=σ201E1+12E21-2e-E2tη2+e-2E2tη2（3）

Wdt=σ201η1+12E21-e-2E2tη2（4）

式中：σ0——BBR試驗的試樣跨中加載應(yīng)力。

將BBR試驗結(jié)果代入式（1）得到Burgers模型擬合參數(shù)，如表9和表10所示，將Burgers模型擬合參數(shù)分別代入式（2）～（4），相關(guān)試驗結(jié)果如圖6和后頁圖7所示。由表9和表10可知，Burgers模型對BBR試驗結(jié)果有較好的擬合關(guān)系，擬合的相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上，說明采用Burgers模型表征不同改性瀝青的低溫性能是合理的。隨著溫度的降低，彈性模量E1和E2的值變大，瀝青的η1和η2值也增大，說明瀝青內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力隨著溫度的降低而增大，且瀝青內(nèi)部黏性組分隨溫度的降低而逐漸減小，其應(yīng)力松弛能力逐漸降低。

由圖6和圖7可以看出，隨著測試溫度的增加，改性瀝青的松弛時間減少，而耗散能比增加，這是因為測試溫度增大會使瀝青分子的粘聚力減少，瀝青的應(yīng)力松弛能力增加而耗散能比減少，這與BBR試驗結(jié)果相同。同時，與BBR試驗的評價指標S值和m值不同，采用松弛時間或耗散能比作為改性瀝青的低溫評價指標更加明顯。由圖6和圖7還可知，改性瀝青的松弛時間由小到大順序為SBR-C＜CR-B＜SBS-A＜NS-D＜NA-E＜NM-F，耗散能比由大到小順序為SBR-C＞CR-B＞SBS-A＞NS-D＞NA-E＞NM-F，說明SBR對瀝青的低溫抗裂性提升最大，而納米蒙脫土對瀝青的低溫抗裂性提升最小。

3 結(jié)語

（1）MSCR和時間掃描試驗結(jié)果表明，6種改性劑均能提高瀝青的高溫抗變形能力和中溫抗疲勞性能。有機改性劑對瀝青高溫性能的改善程度明顯優(yōu)于無機改性劑，且在不同應(yīng)變水平下相同改性劑對瀝青的疲勞性能改善效果不同。

（2）BBR試驗結(jié)果表明，SBS、SBR和橡膠粉均顯著改善了瀝青的低溫性能，而納米二氧化硅、納米氧化鋁和納米蒙脫土削弱了瀝青的低溫性能。基于Burgers模型，建立松弛時間和耗散能比作為低溫指標的關(guān)系，與常規(guī)BBR評價指標相比，松弛時間和耗散能比更能真實表征瀝青的粘彈性低溫性能。

（3）改性劑的加入使改性瀝青的宏觀和微觀聯(lián)系更加復(fù)雜，改性瀝青的流變性能是改性劑和瀝青相互作用的結(jié)果，因此后續(xù)研究應(yīng)采用微觀試驗分析瀝青與不同改性劑之間的作用機理。

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