热固性树脂改性沥青流变学探析

■许祥云

（宜春市公路事业发展中心，宜春 336000）

由于轴载增加、交通量增大、气候环境变化，公路使用要求持续提升，公路建设行业对沥青材料质量的要求不断提高。 为改善传统沥青材料的性能，研究者们使用不同的改性剂对基质沥青进行改性。 其中，抗剥落剂、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯（SBS）、橡胶粉和不同的废旧材料用于沥青改性成为研究热点。

随着世界人口增长以及城市化进程加快，废弃物堆放导致的环境污染问题日益严重。 公路建设所需材料用量大，将废旧材料作为道路沥青的改性剂，为废弃物的处理及循环利用提供了广袤的市场。 张文才[1]选取高密度聚乙烯和低密度聚乙烯加入沥青混合料中，研究结果表明：在高密度聚乙烯与低密度聚乙烯掺量相同时，两者的沥青混合料抗水损能力相同，而抗冻融循环能力低密度聚乙烯优于高密度聚乙烯。 洪海等[2]对比了高密度聚乙烯—橡胶粉改性沥青应力吸收层与传统应力吸收层的应力大小与裂缝数量，结果表明：高密度聚乙烯—橡胶粉改性沥青应力吸收层具有良好的温度敏感性以及较低的温度收缩系数，适宜在寒冷地区使用。 黄卫东等[3]对包含高密度聚乙烯在内的5 种工程中常见的改性沥青进行拉拔实验， 结果表明：8%掺量的高密度聚乙烯改性沥青的黏附自愈合率达到97%，具有良好的抗冻融循环能力。

糠醛是半纤维素的重要衍生物， 且是呋喃类化学品的前体。 呋喃作为热固性树脂，在用于沥青改性时具有良好的温度敏感性和粘度。 目前关于其用于改性沥青时的流变学性能研究较少。 本研究通过动态剪切流变仪以及低温弯曲梁流变仪分析评价热固性树脂对沥青的流变学影响，并基于Superpave 分级标准对热固性树脂改性沥青进行高低温等级分级。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

研究采用岳阳宝利70# 基质沥青，及金锦乐化工公司提供的热固性树脂及其催化剂。 基质沥青的技术性能如表1 所示，热固性树脂及其催化剂性能如表2 所示。

表1 70# 基质沥青的物理性能

表2 热固性树脂及其催化剂性能

1.2 试验方法

1.2.1 热固性树脂改性沥青的制备

将加热至流动状态的70# 基质沥青倒入容器皿中，容器皿放入恒温油浴锅中恒温至150℃。待温度稳定后，分别加入沥青质量4%、5%以及6%的热固性树脂，之后在剪切速度为3000 r/min 的高速剪切机下剪切5 min， 再加入热固性树脂质量30%的催化剂，继续剪切40 min。

依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0609 以及T0630 对原样沥青分别进行短期老化与长期老化试验，从而获得流变学试验所需的样品。

1.2.2 试验设计

（1）动态剪切流变（DSR）试验

试验采用Anton-paar 的MCR 702e 型流变仪，将原样沥青浇入内径25 mm 的树脂试模中，依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0628 选定试验的应力与应变值，在仪器的温度等级模式下测定热固性树脂改性沥青的剪切模量与相位角，并计算出相应的抗车辙因子G*/sin δ。

（2）低温弯曲梁流变(BBR)试验

试验采用ATS 的TE-BBR 型弯曲梁流变仪，将长期老化的沥青倒入内部尺寸为长101.6 mm、宽12.7 mm、高6.4 mm 的试模中，试件成型后放入仪器设定温度的无水乙醇中恒温30 min， 之后依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0627 测定沥青的蠕变劲度S 值与m 值。

2 结果与讨论

2.1 动态剪切流变试验结果分析

DSR 试验旨在表征沥青在高温下的抗车辙性能与中温下的抗疲劳性能，通常来说，越高的剪切模量G*和越低的相位角δ 意味着沥青拥有更好的抗车辙性能， 剪切模量G*表征沥青抵抗永久变形的能力，相位角δ 表征沥青的粘弹性能。 本研究在58℃～76℃间，温度每上升6℃，测定原样沥青的高温流变性能。 由图1 可知，热固性树脂改性沥青的剪切模量远大于基质沥青； 随着树脂掺量的增加，沥青的剪切模量增大。 由图2 可知，热固性树脂降低了沥青的相位角；在58℃、64℃以及70℃下，6%的树脂改性沥青相位角同比基质沥青分别减小9.5%、8.7%以及6.8%。 上述结果表明：热固性树脂有助于增加沥青的弹性成分，从而提高沥青的抗车辙能力；温度较低时，热固性树脂对沥青的弹性影响更大。

图1 原样沥青的复数剪切模量

图2 原样沥青的相位角

2.2 低温弯曲梁流变试验结果分析

BBR 试验通常用于评价沥青在低温条件下的抗开裂能力，通常来说，越高的蠕变劲度S 值和越低的m 值意味着沥青拥有更好的低温性能[4]。 由图3和图4 可知，随着温度的降低，S 值增大而m 值减小，这表明沥青受到了低温损伤。 随着热固性树脂掺量的增加，S 值增大而m 值减小， 这表明热固性树脂降低了沥青的低温蠕变性能。 已有研究表明，树脂类外掺剂使沥青变硬变脆，从而降低沥青在低温条件下的应力松弛能力[5]。 此外，由图3 中的斜率变化可知，热固性树脂改性沥青在不同温度下的温度敏感性不同。 在-12℃～-18℃区间，沥青的温度敏感性较高；在-18℃～-24℃区间，沥青的温度敏感性显著降低。 这表明热固性树脂改性沥青的最不利低温条件位于-12℃～-18℃区间。

图3 原样沥青的蠕变劲度S

图4 原样沥青的m 值

2.3 Superpave 沥青分级结果分析

美国Superpave 的沥青路用性能评价不仅适用于普通沥青， 也适用于改性沥青。 通常用PG X-Y来表示，X 表示沥青的高温等级，Y 表示沥青的低温等级。 其中高温等级对应DSR 试验从46℃～82℃间，每6℃一档，低温等级从-10℃～-46℃间，每-6℃一档。 采用图1 和图2 的数据计算车辙因子如图5所 示，Superpave 规 定 原 样 沥 青 的G*/sinδ 在 小 于1 kPa 时，沥青失去抵抗高温的能力，简称为失效温度。由图5 可知，基质沥青在70℃时达到失效温度，而3 种掺量的热固性树脂改性沥青都在76℃时才失效。 因此，基质沥青的高温等级为64℃，3 种掺量的热固性树脂改性沥青的高温等级为70℃。Superpave 规定S≥300 MPa 且m≤0.3 时，沥青失去抵抗低温的能力，在沥青失去抵抗低温能力的温度上减去10℃即为低温等级。 由图3 和图4 可知，基质沥青的低温等级为-22℃，3 种掺量的热固性树脂改性沥青在-12℃时的S 值与m 值都不满足要求，因此低温等级为-16℃。 4 种沥青的PG 等级如表3所示。 结合我国气候分布条件，推荐在南方高温地区使用热固性树脂改性沥青。

图5 原样沥青的车辙因子

表3 沥青的PG 等级

3 结论

呋喃是一种热固性树脂，关于其用于改性沥青时的流变学性能研究较少。 本研究通过动态剪切流变仪以及低温弯曲梁流变仪分析评价热固性树脂对沥青的流变学影响， 并基于Superpave 分级标准对热固性树脂改性沥青进行高低温等级分级。 主要得到以下结论：（1）在58℃、64℃以及70℃下6%的树脂改性沥青相位角同比基质沥青分别减小9.5%、8.7%以及6.8%，表明热固性树脂可以改善沥青的抗永久变形能力与粘弹性能，且在温度较低时对沥青的弹性影响更大。 （2）随着热固性树脂掺量的增加，沥青的蠕变劲度S 值增大而m 值减小。 热固性树脂会降低沥青的低温性能，且其改性沥青的最不利低温条件位于-12℃～-18℃区间。（3）Superpave 分级标准的研究结果表明，基质沥青与热固性树脂改性沥青的高低温等级分别为64-22 与70-16。 结合我国气候分布条件，推荐在南方高温地区使用热固性树脂改性沥青。