高黏改性沥青的流变性能分析*

周庆福 刘 星 汪 林 罗 蓉 曾 哲

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)(中交第二公路勘察设计研究院有限公司3) 武汉 430056) (武汉市汉阳市政建设集团公司4) 武汉 430050)

0 引 言

在“海绵城市”及“低影响开发”等城市生态理念的普及下，建设透水沥青路面成为了城市发展的新趋势[1].文献[2]指出，透水沥青路面的面层必须采用高黏改性沥青(以下简称高黏沥青)作为结合料.程成等[3]对透水沥青混合料路用性能改善措施进行了研究，指出60 ℃动力黏度是透水沥青混合料胶结料最关键的指标，高黏沥青是透水沥青混合料胶结料的首选，采用高黏沥青成型的透水沥青混合料具有很好的耐久性、高温稳定性和低温抗裂性能.

高黏沥青是指60 ℃黏度值不小于20 kPa·s的改性沥青，其自身的黏韧性以及与集料间的黏附性均远优于其他沥青[4].Zhang等[5]研究了各改性剂在制备高黏沥青时的效果和比例，指出SBS是基本的改性剂，主要确定了高黏沥青的性能，增塑剂和交联剂可以作为附加修饰剂加入其中；Hu等[6]将印尼的Superflex天然橡胶沥青用作制造高黏沥青的改性剂，然后选择了四种零维纳米CaCO3进行复合改性，并对不同复合改性沥青的渗透和其他基本指标进行了测试，提高了C型纳米碳酸钙复合改性沥青的性能，在PG分级试验中取得了较好的效果；陈瑶等[7]以60 ℃黏度作为关键指标，研究了TPS高黏改性剂掺量对不同油源基质沥青改性效果的影响，建议TPS改性剂掺量为14%～16%，指出加入TPS改性剂后的高黏沥青具有高黏性、高温稳定性、低温敏感性和其他一些优秀的表现，但其抗老化性能很差；Zhang等[8]通过在沥青中添加改性剂SBS、塑化剂FEO(furfural exact oil)及交联剂硫来合成高黏沥青，采用不同的分析方法，包括傅立叶变换红外光谱分析、热分析、氢核磁共振分析、元素分析、光学显微镜等，研究了高黏沥青结构特点.

以上研究大多针对高黏改性沥青的制备工艺方法进行优化研究，且针对高黏沥青的性能评价主要集中在黏度这一指标上，在流变力学性质方面缺乏足够的研究，导致缺少对路用性能的指导，且现今国内规范中并没有涉及高黏沥青的剪切模量、不可恢复蠕变柔量和应变恢复率等流变力学性能指标，黏度试验的准确性也受到了部分学者的质疑[9]，且国内针对高黏沥青自愈合性能的研究还不够，而流变性能试验可以很好的模拟高黏沥青服役时的受力状态，因此，为了研究高黏沥青的流变性能，充分探究高黏沥青与普通沥青在流变性能方面的差异，本研究将对普通70#基质沥青、SBS改性沥青以及高黏沥青进行试验研究，进行了零剪切黏度试验、温度和频率扫描试验、不同应力水平下的时间扫描试验,以及多重应力蠕变恢复(multiple stress creep and recovery, MSCR)试验, 并对比分析它们的黏度、剪切模量、疲劳寿命、愈合能力以及永久变形等指标，旨在借助高黏沥青的流变力学性质指标判定改性剂的改性效果，整体全面评价高黏沥青应用于透水沥青路面的路用性能，探究在工程实践中的应用价值，并对后续高黏沥青的研究提出合理化建议.

1 试验材料与方法

试验材料为湖北地区典型的70#基质沥青、SBS改性沥青以及通过改性剂改性增黏后得到的高黏沥青.SBS改性沥青因为黏度低于20 000 Pa·s，并不满足高黏沥青的要求，因此,在SBS改性沥青添加改性剂，改性剂成分为反应性乙烯三元聚合物，乙烯三元聚合物能够与沥青中的沥青质产生化学反应，在不分离SBS的条件下，与沥青质形成共价键，改性剂的添加掺量为0.3%.高黏沥青的合成方法和工艺为：首先将SBS改性沥青在烘箱中加热到170 ℃，待沥青呈流动状态后，将沥青放入到恒温电热套中，将温度控制在170 ℃不变，称取一定量的改性剂放入沥青中，启动搅拌器，将转速设置为700 r/min，机械搅拌溶胀20 min后，设置搅拌器转速为1 800 r/min，以该速度搅拌沥青至少90 min，并保持整个过程电热器的温度不高于180 ℃，停止搅拌后让沥青在该温度下继续发育不少于30 min.整个合成工艺见图1，合成设备见图2.

图1 高黏沥青合成工艺

图2 高黏改性沥青的合成设备

合成的高黏沥青基本性能指标见表1，由表1可知，高黏沥青的针入度值相对较低，而软化点、动力黏度值相对较高.

本研究采用动态剪切流变仪进行流变力学试验，过程为：首先将沥青加热融化后分别浇模制备成直径为8和25 mm的试样，然后利用动态剪切流变仪对沥青试样施加一定大小的转矩，并采集沥青受到的应力、应变等变化值，进一步计算表征其流变性能的指标.

表1 沥青基本性能指标

注：①规范对不同种类沥青的延度试验温度进行了相应规定，故表中各沥青的延度试验温度不同.

2 沥青流变性能分析

2.1 黏度试验

现今规范中测量黏度采用的方法为真空减压毛细管法，它是通过记录试样通过毛细管连续的一对标线的间隔时间得到黏度值.但已有学者提出：由于该方法不能控制剪切速率，因而不同试验中沥青受到的剪切速率不同，这将对试验结果造成明显的误差.因此，零剪切黏度试验是另外一种常用于衡量沥青黏度的试验方法，其原理见图3，通过剪切速率扫描试验来得到沥青黏度随剪切速率的变化状况，当剪切速率较低时，沥青黏度趋于一个恒定值，即为零剪切黏度，试验中一般取第一牛顿区域(剪切率为0.01 s-1)对应的黏度作为结果，研究分别采用两种方法进行黏度试验，其中剪切速率的扫描范围为0.001～1 s-1，试验结果见表2.需要注意的是，该试验及以下几种试验，在同一试验条件下进行三组重复试验，并采用3次重复试验结果的平均值，作为最终的试验结果.

图3 黏度与剪切速率的关系图

由表2可知，相较于毛细管动力黏度，零剪切黏度的值更大，且按照零剪切黏度指标来评价沥青性能时，SBS改性沥青也勉强能够达到黏度要求.在三种样品里，70#基质沥青的黏度相对较低，高黏沥青的黏度则明显优于其他两种沥青，即便和SBS改性沥青相比，它的零剪切黏度也几乎是后者的2倍，说明高黏沥青在使用过程中能够牢固黏附住集料颗粒，使混合料内部结构不容易发生变形和松散.因此在透水沥青混合料配合比设计中，必须采用高黏沥青作为原材料，才能够充分保证开级配混合料的强度和耐久性.

表2 黏度试验结果(60 ℃) Pa·s

2.2 线性黏弹性范围的剪切模量及主曲线

车辙因子G*/sinδ和疲劳因子G*sinδ是常用来评价沥青高温及低温性能的指标，但由于沥青路面在服役时会受到环境温度和荷载频率的影响，沥青自身的剪切模量G*也会因此发生变化.为了充分探究温度、频率变化时高黏沥青的剪切模量的变化趋势，本研究进行了10～70 ℃的温度频率扫描试验，在每个温度和频率条件下，设置试验应变值为0.5%，以保证沥青试样处于线性黏弹性范围，得到试验数据后，利用移位因子将不同温度和频率下的模量移至参考温度40 ℃下，并采用拟合模型绘制出沥青剪切模量主曲线，用以表征沥青在更广频率范围的力学性质.本研究采用的移位因子方程见式(1)，主曲线模型见式(2)[11]，试验结果见图5.

(1)

(2)

由图4可知，参考温度为40 ℃ 的条件下，70#基质沥青在低频范围时(>0.001～1 Hz)模量相对较小，而在高频范围时(1～15 000 Hz)模量相对较大.SBS改性沥青和高黏沥青的模量在整个缩减频率范围内较为接近，前者的模量稍大于后者，说明在线性黏弹性范围内，SBS改性沥青增黏之后的剪切模量会轻微下降，并不具有明显的强度优势.主曲线中的低频一般对应于高温，高频一般对应于低温.间接表明高黏改性沥青与SBS改性沥青在高温下抵抗永久变形的能力和低温下抵抗疲劳开裂的能力要优于70#基质沥青，整体上强度较高.因此，从无损黏弹性的角度而言，高黏沥青的剪切模量接近于SBS改性沥青而和基质沥青相比具有明显的差异性.

图4 沥青剪切模量主曲线

2.3 疲劳寿命及愈合能力试验

高黏沥青用于开级配的透水路面时，要求其具备良好的抗疲劳能力和愈合能力，以保证路面能具有和密级配路面相当的承载力.为了探究高黏沥青在交通荷载持续作用下的耐久性以及其自身的愈合性能，本研究分别在150,200和250 kPa的应力控制模式下对沥青进行时间扫描试验，试验温度为20 ℃，当沥青的剪切模量下降为初始值的50%时，此时的加载周期数即为沥青的疲劳寿命[11].试验结果见表3.

表3 疲劳寿命结果

注：试验浓度为20 ℃.

由表3可知，在三个应力水平下，SBS改性沥青的抗疲劳性能最好，高黏沥青的疲劳寿命虽然大于70#基质沥青，但和SBS改性沥青相比仍然具有一定的差距，尤其是应力水平为250 kPa时，高黏沥青与SBS改性沥青的疲劳寿命相差不大，但都比70#基质沥青高很多.另外，随着应力水平的提高，三种沥青的疲劳寿命都呈现下降的趋势，证明高应力水平更容易导致沥青内部结构发生破坏.

进行愈合试验时，应力条件为200 kPa，温度为20 ℃，对沥青加载直至其模量下降为初始模量的50%(即损伤度为50%)，再分别使试样拥有120，600和1 800 s的间歇恢复时间，之后再对试样进行加载直至破坏，并计算沥青的愈合指标[12]，见式(3)，该愈合指标既考虑了加载和间歇期间沥青模量的变化幅度，也考虑沥青在疲劳和愈合过程中的模量变化速率，按照该公式计算的愈合指标结果见表4.

(3)

式中：Ga为间歇一段时间后的剪切模量，MPa；Gb为间歇前最后时刻的剪切模量，MPa；G0为初始剪切模量，MPa；t1为间歇后模量由Ga降至Gb的时间，s；t2为间歇前模量由Ga降至Gb的时间，s.

表4 愈合指标结果 20 ℃

由表4可知，当间歇时间较短时(120 s)，高黏沥青的愈合指标低于70#基质沥青和SBS改性沥青，而间歇时间较长时(600和1 800 s)，它的愈合指标则高于其他两种沥青，导致该现象的原因是高黏沥青中添加了乙烯三元聚合物，它能够与沥青中的沥青质产生化学反应，在不分离SBS的条件下与沥青质形成共价键，从而相对黏稠，流动性较差，当时间较短时它并不能够从破坏状态充分恢复，因此相比于其他沥青而言它的短期愈合能力较差，当间歇时间较长时，它则能够发挥出较好的愈合能力，该现象表明高黏沥青的优势主要体现在长期愈合性能方面，保证充分的愈合时间更有利于它发挥出较好的抗疲劳特性.

2.4 MSCR试验

MSCR试验被广泛用于评价沥青结合料的抗变形能力，试验过程为分别对同一沥青试样施加0.1和3.2 kPa的应力，模式为加载1 s后再卸载9 s，周期数为10，再分别计算应力为0.1和3.2 kPa条件下的沥青不可恢复蠕变柔量Jnr和应变恢复率R，见式(4)～(5)，结果见表5.

(4)

(5)

式中：Jnr为不可恢复蠕变柔量，kPa-1；ε0为单周期内加载时的应变最大值；Δε为单周期内卸载期间的应变恢复变化值；σ为应力值，kPa；R为应变恢复率，%.

由表5可知，无论应力是0.1 kPa还是3.2 kPa，高黏沥青的Jnr都远小于70#基质沥青，R则远大于70#基质沥青，表明改性后的沥青更能够抵抗高温下荷载导致的永久变形.同时，相比于SBS改性沥青，高黏沥青的Jnr相对较大，而R相对较小(除0.1 kPa,76 ℃条件外)，虽然差异并不突出，但也能够表明高黏沥青在高温下的抗永久变形能力并没有强于SBS改性沥青.另外，随着温度的升高，可发现Jn逐渐增大，R逐渐减小，说明温度越高，沥青内部的黏弹性效应逐渐发生改变，其抵抗永久变形的能力呈下降趋势.

表5 MSCR试验结果(0.1 kPa)

3 结 论

1) 无论是零剪切黏度还是毛细管动力黏度，添加改性剂之后的SBS改性沥青的毛细管动力黏度提高了217.7%，零剪切黏度提高了203.5%，且都满足规范要求，说明它在沥青路面中更容易黏附集料，从而保证透水路面在高空隙率的情况下也有很好的承受能力，集料不易松散、剥落，达到增强路面强度和耐久性的目的.

2) 从主曲线来看，高黏沥青的剪切模量在低频范围内大于70#基质沥青，在高频范围内小于70#基质沥青，同时在整个缩减频率范围内略微小于SBS改性沥青，说明线性黏弹性范围内高黏沥青的强度与SBS改性沥青接近.

3) 从疲劳开裂和愈合性能来看，高黏沥青的抗疲劳开裂能力优于70#基质沥青而弱于SBS改性沥青，但其愈合性能较好，且间歇时间越长，其恢复的模量比例越高.

4) 从MSCR试验来看，高黏沥青抵抗高温永久变形的能力远胜于70#基质沥青，但略弱于SBS改性沥青，且随着温度的升高，其抗永久变形能力逐渐下降.

5) 目前国内在透水沥青路面中所用的高黏沥青，对黏度的重视度很高，在黏度上能很好的满足集料间的胶结，但在沥青本身的疲劳寿命和愈合性能等的重视程度还不够，因此，进一步研究出黏度、强度、疲劳寿命及自愈合能力都很高的新型高黏沥青具有极大的意义.