不同高模量改性沥青高温性能及温度敏感性研究

陈鹏飞 刘安

摘 要：为了探究不同类型高模量剂对沥青高温性能及温度敏感性能的影响，使用三种类型的高模量剂制备高模量改性沥青。分别对三种改性沥青进行DSR试验，同时采用复数指数法评价沥青的温度敏感性。结果表明，加入高模量剂可以改善沥青的高温性能和温度敏感性。

关键词：高模量改性沥青;温度敏感性;动态剪切流变试验

中图分类号：TU414     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）2-0106-03

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.025

Study on High Temperature Performance and Temperature Sensitivity of Modified Asphalt with Different High Modulus

CHEN Pengfei    LIU An

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450000，China）

Abstract：In order to explore the effects of different types of high modulus agents on the high temperature performance and temperature sensitivity of asphalt， three types of high modulus agents were used to prepare high modulus modified asphalt. DSR tests were carried out on three kinds of modified asphalt， and the complex index method was used to evaluate the temperature sensitivity of asphalt. The results show that adding high modulus agent can improve the high temperature performance and temperature sensitivity of asphalt.

Keywords：high modulus modified asphalt; temperature sensitivity;dynamic shear rheological test

0 引言

高模量沥青混凝土路面主要是通过提高沥青路面的动态模量，从而增强路面抵抗塑性变形能力[1]。高模量沥青的实现方式有：对低标号沥青、岩沥青这样的天然沥青改性，还有使用以高模量剂为代表的聚合物对沥青进行改性[2]。使用高模量剂对沥青进行改性形成的高模量沥青质量容易控制，改性后的沥青具有较好的性能和推广性[3]。不同生产厂家生产出来的高模量剂对沥青高温性能影响也不同，因此，有必要对不同的高模量劑进行研究。

同时，沥青是典型的温度敏感性材料，其感温性能的好坏直接影响了沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性。目前，评价沥青的温度敏感性指标主要有：针入度指数PI、针入度-黏度指数PVN、黏-温指数VTS和复数模量指数GTS[4]。这些温度敏感性指标都有不同程度的缺陷，无法全面反映出沥青在黏弹性状态下随温度变化的情况。复数指数法是基于解决这一问题提出来的，能在很宽的温度范围内评价出受力情况下处于黏弹性状态沥青的温度敏感性[5]。因此，通过动态剪切高温流变试验（DSR）对不同类型的改性沥青的高温性能评价，同时采用复数指数法分析改性沥青的温度敏感性变化。

1 试验材料及方法

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验》[6]中的试验方法对京博70#沥青的性能进行检验，检验结果见表1，可以看出沥青能很好地满足规范的要求。

1.1 沥青性能及高模量改性沥青制备

在京博70#基质沥青内分别掺加海川、保利和PR modules高模量剂制备改性沥青，相应的改性沥青编号为HC、BL、PR，70#基质编号为JZ。在实验室内采用高速剪切机制备3种高模量改性沥青，高模量剂的掺量均为3%（占沥青的质量分数），剪切时沥青加热温度为160 ℃，剪切速度为4 000 r/min，剪切时间为0.5 h。

1.2 动态剪切流变试验

按照美国公路战略研究计划（SHPR）提出的沥青路用性能规范进行DSR试验。试验温度为52～76 ℃，以6 ℃为变化进行温度扫描，试验选择的夹具为直径25 mm的板，板间距为1 mm。试验仪器是Malvern公司生产的沥青及胶浆动态剪切试验仪[7]。

2 试验结果与分析

2.1 动态剪切流变试验结果分析

SHRP中使用车辙因子G*/sinδ表征沥青胶结料的抵抗永久变形能力，并对沥青的高温性能进行分级，其值越大，表示沥青流动变形越小，高温抗车辙能力越好，沥青的高温等级就越高[8]。

动态剪切试验结果如图1所示。由图1（a）可知，改性沥青的G*/sin δ（G*为复数模量，δ为相位角）随着温度的升高而减小，这说明随着温度的升高，沥青的抗变形能力也在减小，并且在温度越高时改性沥青的车辙因子急剧下降，这表明沥青具有典型黏弹性材料的特性。相对于基质沥青，掺加不同高模量剂的HC、BL、PR三种改性沥青的G*/sinδ都有不同程度的提高，并且三种改性沥青的高温PG分级等级都提高了一个档次。以改性沥青在64 ℃试验结果为例，HC、BL、PR改性沥青的车辙因子与基质沥青相比分别增加了28%、32%、15%，高模量剂对于沥青在中、高温情况下的G*/sinδ改善较好。

相位角[δ]体现沥青结合料黏弹性比例的变化，相位角小，沥青弹性成分高，反之则黏性成分高[9]。如图1（b）所示，随着温度的升高，[δ]增大，沥青的弹性成分逐渐减小，黏性成分逐渐增大。相同温度条件下，BL改性沥青的弹性性能最好，因此其抵抗变形能力也最强，PR和HC次之，基质沥青的弹性性能最差。这种现象可以解释为高模量剂在与沥青共混时吸收了沥青中的饱和分、芳香分，发生部分溶胀，而不与沥青完全相溶，不溶的高模量剂小颗粒分散到沥青中，成为增强沥青弹性部分的因素[10]。

2.2 温度敏感性分析——复数模量指数法

复数模量指数法是通过复数模量[G∗]的双对数与温度的对数关系的斜率反映沥青的温度敏感性，斜率越大沥青的温度敏感性越好。复数模量[G∗]由储能模量[G']和损耗模量[G'']组成，其关系如式（1）所示，且[G∗]和[G']与[G'']也存在如式（2）（3）的关系。

[G∗=G'+G''·i]       （1）

[G'=G∗cosδ]        （2）

[G''=G?sinδ]        （3）

从式（2）（3）中不难发现，[ G']、[G'']与[G∗]、δ都具有相关性。按照公式（4）用复数形式对沥青胶结料的温度敏感性进行计算。

[CNI=G'TS+G''TS·i]    （4）

式中：CNI为复数温度敏感性指数;[G'TS]为储能模量温度敏感性指数;[G''TS]为损耗模量温度敏感性指数。

建立[G']、[G'']分别与温度的对数关系，如图2所示。对关系图进行回归分析计算四种沥青的复数敏感性指数，如表2所示。

由图2和表2可知，随着相同掺量的高模量剂的加入，高模量改性沥青结合料的CNI值都比基质沥青的小，这表明高模量剂的加入对改性沥青产生有利影响，使改性后的沥青温度敏感性降低;相同条件下PR高模量改性沥青的温度敏感性指数CNI最小，温度敏感性最好。[G']、[G'']可以反映沥青的黏弹性能，所以CNI可以反映胶结料在黏弹状态下随温度的变化情况。

3 结论

①DSR试验结果显示，随着高模量剂的加入，不同类型的高模量改性沥青的高温性能都得到提高，其中在掺量为3%时BL改性沥青高温性能最优，HC改性沥青次之，PR改性沥青再次之。

②高模量剂的加入可以改善沥青的温度敏感性，并且PR改性沥青具有最优的温度敏感性。

参考文献：

[1]贾彦丽，栗威，魏建国.基于力学流变特性的高模量沥青老化性能研究[J].材料导报，2016（S1）：406-411，415.

[2]卢桂林，许新权，唐志赟，等.高模量改性剂的作用机理及应用研究[J].建筑材料学报，2021（2）：355-361.

[3]王晓燕.欧美沥青路面技术比较研究与我国的工程实践[Z].山东省交通科学研究院，2015-04-01.

[4]陈华鑫，刚增军，王应龙，等.SBS改性沥青温度敏感性指标研究[J].建筑材料学报，2010（5）：691-696.

[5]于新，孙文浩，罗怡琳，等.橡胶沥青温度敏感性评价方法研究[J].建筑材料学报，2013（2）：266-270，283.

[6]中华人民共和国交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

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[8]丁彪，邹晓龙，宋松，等.不同标号沥青动态粘弹特性试验研究[J].新型建筑材料，2018（6）：95-98.

[9]支鹏飞，冯小伟，张新雨.橡胶沥青的动态剪切流变性能影响因素分析[J].公路工程，2016（6）：107-111.

[10]王立志，王鹏，徐强，等.添加剂型高模量沥青混合料作用机理[J].长安大学学报（自然科学版），2015（6）：42-48.