复合改性煤沥青的流变性能研究

李佰昌

(浙江交通资源投资有限公司 杭州市 310020)

煤沥青用作道路材料，对石料的润湿和黏附性能较好，路面具有抗油侵蚀、摩擦系数大等优点。同时煤沥青较石油沥青更加廉价，特别是在当今石油价格处于高位的情况下，有着较高的经济效益优势。然而，煤沥青的温度敏感性较强，具体表现为高温时易流淌，低温时易发生脆断。为了提高煤沥青的使用性能，主要通过选择合适的改性剂来对其进行改性。

研究表明[1-2]，通过煤沥青与石油渣油共混改性，沥青的抗老化性能、高温稳定性及石料粘附性有较大的改善，感温性能无显著变化。混合沥青混合料较石油沥青混合料的高温性能和水稳定性能有较大的改善，低温性能变化不大。另一方面使用聚苯乙烯、聚乙二醇、多聚甲醛、呋喃树脂、硬脂酸等聚合物改性剂[3-5]，能够有效降低有害有毒物质的含量，能有效降低煤沥青对温度的敏感程度，有效地改善了改性煤沥青的高温流变性能，煤沥青的高低温性能尤其是低温性能得到很大改善，对温度的敏感度也有所下降。同时降低煤沥青的表面张力，从而起到了降粘增塑的作用。复合改性剂还对煤沥青中多环芳烃类等有害物质有较好的脱除效果，降低煤沥青对人体和环境的危害。

1 实验部分

通过采用多种聚合物和渣油对煤沥青进行复合改性，通过动态剪切流变仪分析测试复合改性煤沥青的流变性能和使用性能。

1.1 原料

试验所用中温煤沥青选自河北旭阳焦化有限公司，各项基本指标如表1所示。试验所使用的减压渣油选自燕山石化公司生产的减压渣油，其四组分含量分别为：饱和分78.67%、芳香分8.59%、胶质12.01%、沥青质0.18%、焦炭0.45%，基本性质如表2所示。

表1 中温煤沥青的性能指标

表2 减压渣油的性能指标

1.2 实验方法

将渣油和煤沥青按照一定的比例混合加入到反应器中，用电热套在120℃下加热，并用搅拌器搅拌1 h，得到软化煤沥青；然后将温度升至140℃，按比例加入复合改性剂，继续搅拌0.5 h，反应结束后，将制得的复合改性煤沥青倒入容器中，留待进行性能测试。为了避免污染试验室环境和保护试验人员的健康，整个试验过程均在通风良好的通风柜内进行。复合改性剂组成如表3所示，渣油、煤沥青及复合改性剂复配比例如表4所示。

表3 复合改性剂的组成

表4 复合改性煤沥青的组成

使用Anton Paar公司的沥青动态剪切流变仪Smartpave101来对复合改性煤沥青进行流变性能试验[6]。

(1)温度扫描试验，采用控制应力模式，控制应力为100 Pa，角频率10 rad/s，扫描温度范围为80～10℃，升温速率为0.025 ℃/s，得到不同温度下复数模量等参数。

(2)动态频率扫描试验，采用控制应变的模式，控制总应变为1%，试验温度为60℃、45℃、30℃，采样频率为0.1～100 Hz，得到不同频率下的复数模量等参数。

2 结果与讨论

2.1 复合改性煤沥青温度扫描分析

对复合改性煤沥青D-0、D-1、D-2、D-3和D-4进行温度扫描，温度扫描范围为10～80℃。复合改性煤沥青复数模量及相位角δ随温度的变化情况分别如图1所示。

图1 复合改性煤沥青复数模量G*和相位角δ随温度的变化

从图中可以看出，复合改性煤沥青均体现出粘弹性体特征，但相位角δ和tanδ有不同的变化情况。相位角δ越小，沥青就越和弹性体类似，抵抗高温变形的能力就越强；δ越大，越和粘性体类似。复合改性煤沥青的复数模量G*随温度升高而减小，说明弹性分量减少，沥青变软；相位角δ随着温度的升高而呈增高的趋势，表明粘性分量增高，弹性分量降低。在10～80℃的温度范围内，D-4的复数模量普遍大于其他几种沥青，表明其弹性有所增强。总体来看，相位角δ在30～80℃的温度范围内变化不大。在大部分温度范围内，D-1、D-2、D-3和D-4的相位角均比D-0小，说明四种沥青的弹性行为较D-0增强。D-0的相位角在60℃左右达到最大值，D-3和D-4的相位角随着温度的升高而增大，说明D-4的弹性性能较好，温度敏感性较低。

通常用60℃时的车辙因子G*/sinδ来评价沥青的抗车辙性能，然而在实际应用中，在很宽的温度范围内，沥青路面都会在外部荷载的作用下产生高温永久形变，因此评价沥青抵抗车辙变形能力选取的温度范围为25～60℃。复合改性煤沥青车辙因子G*/sinδ随温度的变化情况如图2所示。从图中可以看出，随着温度的增高，沥青的G*/sinδ迅速减小，说明沥青对高温永久变形的抵抗能力逐渐减弱；

图2 复合改性煤沥青车辙因子G*/sinδ随温度的变化

而D-4的G*/sinδ远大于其他几种沥青，即其高温抗永久变形能力强，复合改性煤沥青抗车辙能力顺序为：D-4>D-3>D-1>D-2>D-0。

2.2 复合改性煤沥青动态频率扫描分析

在行车荷载的作用下沥青路面结构主要体现为动态加载效应，不同的车速用不同荷载下作用频率来代表，路面行车速度的大小则与加载频率的大小所对应，路面高速的行车用高频率来代表，路面低速的行车用低频率来代表。利用动态频率扫描试验，来考察沥青的模量与路面行车速度的关系，可以描述车轮荷载对沥青路面的影响，以及长达数十年的自重蠕变荷载对斜坡处道路的影响。在不同温度下对复合改性煤沥青D-0、D-1、D-2、D-3和D-4进行动态频率扫描，复合改性煤沥青的动态剪切模量G*及相位角δ随频率变化情况分别如图3、图4和图5所示。

图3 复合改性煤沥青动态剪切模量G*及相位角δ随频率变化(30℃)

图4 复合改性煤沥青动态剪切模量G*及相位角δ随频率变化(45℃)

图5 复合改性煤沥青动态剪切模量G*及相位角δ随频率变化(60℃)

可以看出，随着加载频率的增大，动态剪切模量G*不断增加，在低频区G*总体变化不大，而在高频区G*的增幅急剧增大；随着加载频率的增大，相位角δ逐渐减小；这是因为随着荷载频率的增大，每次循环过程所产生的形变中弹性形变成分逐渐增多，沥青的相位角也随之降低。试验温度从30℃升到60℃过程中，G*随温度升高而降低，这是由于温度升高，沥青软化，从而抵抗形变的能力降低。相位角δ随试验温度变化不明显。总体来看，复合改性煤沥青D-4的动态剪切模量G*高于其他四种复合改性煤沥青，尤其在高频区，D-4的G*远远大于D-0；在低频区，特别是温度为45℃和60℃时，D-1的G*大于其他复合改性煤沥青。这说明D-4和D-1有较好的抵抗形变的能力。

2.3 复合改性煤沥青零剪切粘度分析

零剪切粘度(Zero Shear Viscosity, ZSV)是剪切速率接近于零时的粘度极限值，由于它对沥青中的高分子添加剂比较敏感，因此可以用来评价改性沥青和基质沥青的高温性能。在温度较低或改性沥青等某些特殊情况下，尽管使用很低的剪切速率，但随着速率的降低粘度值依然有较大的增长幅度，不能通过图形外推得到ZSV，可以根据经验和流变学理论来拟合相关公式得到ZSV，通常使用的流变学模型有Cross模型和Carreau模型。通过加速加载试验来对比评价高温性能指标的研究表明[7]，与加速加载试验的车辙相关性最好的是利用Carreau模型模拟得出的零剪切粘度值。同时有关研究也表明通过Carreau模型来拟合动态频率扫描数据得到的ZSV值与通过蠕变恢复试验所得的ZSV值结果比较接近[8]。对于一般试验条件下(例如角频率的扫描范围在0.63～630 rad/s之间)得到的粘度η，可假设η0≫η≫η∞，于是能够将Carreau模型公式简化为：

式中：η为粘度;η0为零剪切粘度ZSV；ω为平衡状态的剪切速率；k为具有时间量纲的材料参数；m为无量纲的材料参数。

利用简化后的Carreau模型公式对复合改性煤沥青的60℃粘度与角频率的关系进行拟合求解。复合改性煤沥青复合粘度与角频率关系如图6所示，拟合结果如表5所示。

从图6、表5可以看出，采用Carreau模型公式

图6 复合改性煤沥青的60℃复合粘度η随频率的变化

表5 复合改性煤沥青零剪切粘度拟合结果

来拟合复合改性煤沥青复合粘度与角频率的关系相关性较好，相关系数均在0.95以上。其中，D-3的零剪切粘度ZSV为221.7 Pa·s，D-4的零剪切粘度ZSV为325.5 Pa·s，较其他三种沥青有较大提高，即沥青中的粘性成分有所提高，改善了其抗变形能力。

3 结论

(1)复合改性煤沥青的复数模量G*随温度升高而减小，相位角δ随着温度的升高而呈增高趋势。随着温度的增高，沥青的G*/sinδ减小较快，复合改性煤沥青抗车辙能力顺序为：D-4>D-3>D-1>D-2>D-0。

(2)随着加载频率的增大，复合改性煤沥青动态剪切模量G*不断增加，相位角δ随着加载频率的增大而逐渐减小，复数粘度η*呈减小趋势。D-4较其他四种沥青有较高的η*，D-4有更好的抗流动变形能力。

(3)对复合改性煤沥青的60℃粘度与角频率的关系进行拟合，相关系数大于0.95，相关性较好。其中，D-3和D-4的零剪切粘度ZSV较其他三种有较大提高，沥青中的粘性成分有所提高，改善了沥青的抗变形能力。