聚合物改性沥青细观结构和重复蠕变特性研究

王 岚，常春清，邢永明

（1.内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 理学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

聚合物改性沥青由于具有较好的高、低温性能而被广泛应用于沥青路面.常用的聚合物改性沥青有SBS改性沥青、橡胶粉（CR）改性沥青以及复合胶粉（CCR）改性沥青等［1－3］.CR 改性沥青是将废旧橡胶轮胎磨成粉末加入沥青中，经剪切研磨后再经溶胀作用而制成的一种环保型改性沥青，具有造价低、高低温性能及降噪性能良好等优点.CCR 改性沥青是将SBS和废旧橡胶粉同时作为改性剂并按一定比例加入沥青中而制成的一种改性沥青.近年来，这3种改性沥青在包括内蒙古在内的中国西北部地区得到了广泛应用.该类地区气候温差大，夏季高温干燥，因而要求沥青具有较低的温度敏感性和较好的抗高温变形性能.因此深入了解、对比分析上述3种改性沥青的性能，可为合理选用沥青提供理论依据.

目前，关于沥青蠕变性能的研究很多.如利用弯曲梁流变仪（BBR），通过对低温条件下沥青的弯曲蠕变劲度及弯曲劲度－时间关系曲线的斜率进行分析，以研究胶粉改性沥青胶粉含量、溶胀率对其低温性能的影响［4－5］，以及老化作用对改性沥青低温性能的影响［6－7］；也有利用动态剪切流变仪（DSR）对沥青进行剪切蠕变试验，通过总应变和永久应变来分析沥青的变形恢复能力［8］；利用DSR 通过剪切蠕变试验、蠕变恢复试验及重复蠕变试验，对蠕变柔量、永久变形及累积应变的变化进行分析，研究热沥青添加剂对沥青流变性能的影响［9］；还有利用蠕变恢复试验数据进行拟合，得到伯格斯模型参数，进而对沥青的黏弹特性及抗车辙性能进行分析［10－11］；此外，通过研究证明，利用重复蠕变试验得到蠕变劲度的黏性部分来评价沥青的抗高温特性与混合料车辙试验结果一致，说明利用蠕变劲度的黏性部分来评价沥青黏弹特性具有可靠性［12］.综观已有的相关研究，大多基于蠕变试验、蠕变恢复试验、重复蠕变试验结果之上，而综合沥青细观结构和重复蠕变特性，对比研究几种聚合物改性沥青流变性能随温度和荷载变化规律的还不多见.

本文针对中国西北部地区常用的3种聚合物改性沥青，基于细观结构特征及流变学原理，利用HITACHIS－3400N 扫描电子显微镜（SEM）来观察3种改性沥青的微观结构表面形貌，得到其细观结构特征；利用动态剪切流变仪（DSR）进行重复剪切蠕变试验，对比分析改性沥青的高温变形恢复特性，得出3种聚合物改性沥青胶浆变形随时间、温度和荷载的变化规律.

1 聚合物改性沥青的微观形貌分析

图1 聚合物改性沥青微观形貌Fig.1 Microstructure of polymer modified asphalts

试验所用基质沥青均为盘锦AH－90道路石油沥青，CR 改性沥青为基质沥青中掺入20%1）本文所涉及的掺量等均为质量分数.的0.60mm（30目）橡胶粉颗粒制成；SBS改性沥青中SBS改性剂的掺量为4%；CCR 改性沥青中掺入18%的橡胶粉颗粒和2%的SBS改性剂.利用扫描电镜观察3 种改性沥青的微观形貌及改性剂的分布.试样在扫描电镜下的微观表面形貌如图1所示.由图1可见，SBS改性沥青中，由于SBS改性剂本身呈网状结构，因此使其具有很强的吸附沥青能力，两者间融合很好，呈现出表面均匀的特征.CR改性沥青中橡胶粉颗粒表面粗糙，因而具有较大的表面积，且不能溶解于沥青，它和沥青之间的界面模糊，界面厚度较大，橡胶颗粒被沥青完全包裹，两者紧密结合，两相界面之间具有良好的黏结性.与SBS改性沥青相比，CR 改性沥青呈现出非均匀相，是一种不均匀体系.在沥青中掺加胶粉颗粒后，由于两者的模量不同，在温度降低时会在胶粉颗粒中引起应力集中现象，促使其产生大量银纹和剪切带，此时胶粉颗粒会消耗大量能量，因此可以提高沥青的冲击强度和可塑性，使改性沥青的低温柔韧性能得到提高［13］.CCR 改性沥青中的改性剂与沥青间的界面结合状态介于CR 和SBS改性沥青之间，兼具SBS和CR 改性沥青的性质.由于3种改性沥青中的轻组分经过渗透、扩散进入SBS或橡胶粉颗粒网络结构中，使SBS及橡胶粉颗粒溶胀，从而有效降低了游离蜡含量［14］.组分的变化使得高蜡含量的沥青从溶胶结构转变为溶－凝胶型结构，感温性显著下降.

2 重复蠕变试验及分析

利用DSR 进行3种改性沥青胶浆重复蠕变试验.考虑到恢复时间接近蠕变时间的10倍已经足以使改性沥青的延迟弹性得到完全恢复，且在重复荷载作用之后得到的永久变形发展曲线基本接近直线［13］，故加载方式采用加载1s（进行蠕变试验）、卸载9s（变形恢复）作为1 次蠕变恢复循环，共进行100次循环.由于中国西北地区夏季路面最高温度基本为50～65 ℃，因此重复蠕变试验温度t采用55，65℃，加载应力P 则采用150，300Pa.

2.1 累积应变

图2为不同加载应力、不同试验温度下3种改性沥青胶浆的重复蠕变累积应变曲线.可以看出，随着加载次数的增加，3种改性沥青的累积应变增大.由曲线斜率可以看出，无论在何种温度和加载应力下，SBS改性沥青累积应变增加的速率都为最大.在加载应力相同的情况下，温度的升高均使改性沥青的累积应变增加，其中CR 改性沥青累积应变的增幅最小，SBS改性沥青的增幅最大，而且在相同温度下SBS改性沥青累积应变随加载次数增加而增加的幅度也是最大的.在3种改性沥青中，CR 改性沥青的累积应变最小，而SBS改性沥青的累积应变最大，说明CR 改性沥青对温度的敏感性最小，具有较好的抵抗高温变形能力，其次为CCR 改性沥青.这是由于CR 改性沥青中的橡胶粉在高温下把芳香油从沥青中吸附到了橡胶粉的聚合物链中，从而溶胀形成溶－凝胶状结构，使沥青的温度敏感性降低［15］.当加载应力不同时，加载应力越大，改性沥青的累积应变越大，其中SBS改性沥青的增幅最大，CR 改性沥青的增幅最小，说明CR 改性沥青在高温下具有最高的模量和抗变形能力.这是由于胶粉粒子在CR改性沥青体系中起着增强作用，使得沥青的模量增加.此外，由图2还可看出，尽管3种改性沥青的累积应变均随温度升高和应力增大而增加，但其中SBS改性沥青的累积应变都为最大，其次为CCR 改性沥青，说明SBS改性沥青抗变形能力最差.

图2 累积应变随荷载作用次数变化关系Fig.2 Relationship between accumulated strain and loading number

2.2 延迟弹性性能

沥青作为典型的黏弹性材料，具有一定的延迟弹性，在变形恢复研究中，黏度不再是唯一的指标，延迟弹性对改性沥青变形发展的影响也至关重要.通过蠕变恢复试验可将延迟弹性从永久变形中分离出来.将恢复阶段的初始应变即卸载瞬时应变用εL表示，恢复阶段末的残余应变用εP表示.用εP／εL表示永久变形占总变形的比例，即变形中黏性部分的比例.

统计3种改性沥青在加载应力P＝150Pa，试验温度t＝55，65℃条件下重复蠕变试验的应变后得出了加载次数为1，10，25，50，75，90，100次时的εP／εL值，如图3所示.由图3可见，在不同试验温度下，3种改性沥青的εP／εL值在加载前期阶段都随着加载次数的增加而增加，体现了沥青的永久变形随加载次数的增加而不断积累；CCR 改性沥青及SBS改性沥青在加载25次之后的εP／εL值基本趋于平缓且较接近，在50次之后这种趋势则更加明显，而CR改性沥青在加载50次之后的εP／εL值也趋于平缓.情况表明，加载50次后随加载次数的增加材料变形发展逐渐趋于稳定，改性沥青延迟弹性的影响也随之减小.因此可以认为加载次数达到50次后，加载应力的影响已比较稳定，用此时的累积应变可以对沥青进行可靠的评价.

图3 εP／εL随加载次数变化关系Fig.3 Relationship betweenεP／εL and loading number（P＝150Pa）

2.3 蠕变劲度模量

由四单元Burgers模型本构方程可知，沥青的蠕变柔量J（t）主要由3部分组成：弹性部分Je，延迟弹性部分Jde和黏性部分Jv，即：

在评价改性沥青高温性能时，用沥青高温性能评价指标G＊／sinδ 无法反映沥青结合料的延迟弹性变形.因为在动态剪切试验结果中，G＊作为沥青的劲度模量包括了沥青的弹性和黏性两部分，而δ也是关于弹性和黏性的相对指标.用G＊／sinδ作为高温性能评价指标仅仅将沥青的弹性部分和黏性部分分开，而黏性部分中存在着延迟弹性部分，它会使沥青变形随着荷载作用的消失而逐渐恢复.尤其是聚合物改性沥青，由于改性剂的添加提高了沥青的弹性和延迟弹性部分的性能，所以G＊／sinδ并不是评价改性沥青高温性能的最佳指标.

文献［16－17］提出采用黏性柔度的倒数GV（蠕变劲度的黏性部分）作为评价改性沥青高温性能的指标.因为黏性变形是产生永久变形的主要原因，对Burgers流变模型分析可知，GV的拟合是基于Burgers模型中Maxwell元件黏壶部分的残余应变与时间t的关系特性，反映的是沥青对永久变形的抵抗能力，它将改性沥青的延迟弹性从黏性部分中分离出来.因此，通过对改性沥青黏性性能的研究来评价其高温变形性能是行之有效的，GV与沥青混合料抗车辙变形性能具有较好的相关性.

针对3种改性沥青在55℃，150Pa条件下的试验结果，利用Burgers模型本构方程（式（2）），通过试验数据拟合得到GV值，GV值与加载次数之间的关系见图4.由图4可知，3种改性沥青在加载初期的GV值较大，随着加载次数的增加而逐渐减小，并在50次之后开始保持稳定.Bahia等［16］建议采用第50次和51次蠕变恢复试验的数据进行流变模型拟合，以剔除初期加载不稳定因素和延迟弹性效应的影响.由图4可明显看出，CR 改性沥青的GV值大于CCR 改性沥青和SBS 改性沥青的CV值，说明CR 改性沥青具有更好的抗车辙能力.

式中：J0，J1为弹性柔量（MPa－1）；η1 为Burgers模型中黏壶1的黏滞系数.

图4 GV随加载次数的变化Fig.4 Relationship between GV and loading number（t＝55℃，P＝150Pa）

为分析不同温度及加载应力下3种改性沥青黏性性能的变化规律，采用Origin软件分别对它们在重复蠕变恢复试验第50次和第51次的数据进行拟合得到GV值，并对其取平均，结果见图5.由图5可知，随温度增加，3种改性沥青的GV值减小，说明改性沥青抵抗变形的能力随温度升高而下降，这与实际沥青路面的高温性能变化规律相一致.在温度相同、加载应力不同时各改性沥青的GV值均变化不大，这说明加载应力的变化不至于影响改性沥青的黏性性能.对比分析3种改性沥青在不同温度及加载应力下的GV值，可以看到CR 改性沥青明显大于CCR 改性沥青和SBS改性沥青，说明CR 改性沥青的抗高温变形能力要强于另外2种改性沥青.

图5 3种改性沥青在不同条件下的GV值Fig.5 GV values for three modified asphalts under different conditions

3 结论

（1）橡胶粉和SBS改性剂与沥青间界面结合良好，使得改性沥青的相态结构发生变化，降低了沥青的感温性.

（2）随加载次数、加载应力的增大和温度的升高，3种改性沥青的累积应变增大，其中CR 改性沥青的累积应变最小，具有最好的抗高温变形能力和最小的温度敏感性，其次为CCR 改性沥青.

（3）采用重复蠕变恢复试验第50次和第51次数据进行拟合得到的GV值来评价沥青的高温性能，发现CR 改性沥青的GV值最大，因而具有最好的蠕变恢复能力，其次为CCR 改性沥青.

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