基于流变学方法的沥青中高温性能及胶浆抗剪强度研究

张 泽，白子玉*，贺玉莹，姜 涛，曹东伟

(1.重庆交通大学 土木工程学院，四川 重庆 400074；2.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056000；3.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023；4.中路高科交通检测检验认证有限公司，北京 100088)

为了满足路面使用需求，各个专家团队研发各种新型的改性沥青，在实际道路工程中被广泛使用[1]。高黏高弹改性沥青是一类特种沥青，一般将其应用于特殊工程，比如交通量、荷载量较大或者比较重要的公路路段，桥隧铺装等，解决重载交通带来的车辙、路面开裂的一系列问题[2-5]。TPE改性沥青是利用热塑性弹性体(TPE)材料与沥青发生反应得到的一种复合改性沥青，热塑性弹性体(TPE)材料是通过塑胶和橡胶两种不同的高分子原材料制得，但是由于两者的价格转高，现将橡胶粉的分散相和线型低密度聚乙烯(Linear Low-Density Polyethy-lene，LLDPE)改性剂共混反应，得到性能相当的改性材料，这样也可以实现废旧橡胶粉的循环利用，达到绿色发展的目的[6-11]。张争奇[12]等通过材料比选和优化确定高黏高弹沥青制备参数，并分析其复合改性机理。谭吉昕[13]通过均匀试验设计和数据拟合，确定改性剂的最佳掺量，制备橡塑合金改性高粘沥青，并对其进行性能验证，并研究其改性机理。孔令云[14]等制备了5种改性沥青，并对比它们的高低温性能，改性机理以及微观结构。

本文以SBS改性沥青、TPE改性沥青以及高黏高弹改性沥青为研究对象，通过室内试验，对三种沥青及其胶浆材料的抗剪强度与流变性能展开分析，分析不同沥青的优缺点，为几种沥青以后的研究与应用提供新的理论支撑。

1 试验原材料

1.1 沥青

制备高黏高弹沥青：将备用的基质沥青在180 ℃～185 ℃温度下进行剪切，转速为2 000～3 000 r/min，在剪切过程中缓缓加入各种添加剂，此时将剪切机转速调至3 000～5 000 r/min，温度不变，剪切时间为40 min，剪切完成后，在180 ℃左右使用低速搅拌机搅拌2～3 h，得到高黏高弹改性沥青。

制备TPE改性沥青：基质沥青中，加入沥青质量4%的LLDPE改性剂，在170 ℃均匀搅拌20 min，加入18%的脱硫橡胶粉，温度不变，以5 500 r/min的速率剪切1 h，最后进行发育。

将制备好的两种改性沥青与SBS改性沥青分别进行基本性能试验，试验结果见表1。

1.2 沥青胶浆

沥青胶浆制备选用的填料是石灰岩矿粉，选用粉胶比为0.8∶1，制备完成的胶浆应该光洁透亮，无任何杂质，基本性能试验结果见表2。

表2 沥青胶浆基本性能试验结果Tab.2 Basic performance test results of asphalt mortar

2 试验结果与讨论

2.1 抗剪强度分析

试验温度为15 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃五个水平，锥针在砝码作用下贯入胶浆时间为5 s、锥针顶角为30°、贯入质量150 g，试验结果见表3。

表3 沥青胶浆锥入度试验结果(0.1 mm)Tab.3 The cone penetration test results of asphalt mortar(0.1 mm)

由测得的锥入度试验结果按照下列公式推得不同沥青胶浆在不同温度下的抗剪强度：

(1)

(2)

式中：τ为抗剪强度，单位为kPa；m为贯入质量，本文贯入总质量为150 g(连杆、锥针、砝码)；h为贯入深度(锥入度)，单位为0.1 mm；k为计算常数，由公式(2)可以得出；α为锥针顶角(30°)。

表4 沥青胶浆抗剪强度结果(单位：kPa)Tab.4 Shear strength results of asphalt mortar

图1 抗剪强度与温度的拟合曲线Fig.1 Fitting curve of shear strength and temperature

对不同沥青胶浆的抗剪强度与温度利用Origin软件进行相关性分析。

胶浆材料的抗剪强度与温度相关性满足乘幂函数的关系，即符合方程y=axb，并且在95%的置信区间内，各相关系数R2基本达到0.99以上，其中，一般认为a表示沥青胶浆抗剪强度的变异性，a值越高，说明抗剪强度的变异性越强，如SBS改性沥青胶浆的15 ℃和50 ℃的抗剪强度相差近100倍；回归系数b代表抗剪强度对温度敏感性。

在15 ℃～25 ℃范围内，三种改性沥青胶浆抗剪强度大小顺序为SBS胶浆

2.2 流变性能分析

2.2.1 PG高温分级试验

按照要求需要设定参数，应变数值、角频率以及平行板的上下间距，分别为12%、10 rad/s以及1 mm。SHRP规划中明确要求原样沥青这一指标不得低于1 kPa。试验结果如表5所示。

表5 沥青的高温分级结果Tab.5 High temperature classification results of asphalt

图2 车辙因子G*/sin δ随温度的变化情况Fig.2 The change of rutting factor G*/sin δ with temperature

由表5看出，各种沥青的车辙因子G*/sinδ都随着温度的升高呈下降趋势，TPE和高黏高弹改性沥青的抗变形能力比SBS改性沥青高，TPE改性沥青的车辙因子随温度升高下降速率较快，在64 ℃～76 ℃，TPE改性沥青的抗车辙性能较好，76 ℃～94 ℃时，高黏高弹改性沥青体现出更好的高温抗变形能力；SBS和高黏高弹改性沥青的高温等级为76 ℃，TPE改性沥青高温等级为82 ℃。

三种改性沥青老化后抗变形能力的大小关系无明显变化，高黏高弹改性沥青老化后的车辙因子G*/sinδ在温度范围内变小，因为高黏高弹特种沥青较粘稠，在老化过程中无法形成均衡的薄膜，长时间高温使得胶质减少，更加容易发生永久变形；相对而言，其它两种改性沥青老化后车辙因子G*/sinδ高于原样沥青，但随着试验温度的逐渐升高，老化后沥青车辙因子下降速率很快，并且老化前后出现交叉或有交叉趋势，在相对低温状态下老化后的沥青表现出较好的抗车辙性能，但是在高温热养老化环境下，沥青中的轻质组分部分挥发，小分子链发生裂解，大分子基团得到不同程度的破坏，流动相减少，黏性成分增多，弹性变差，因此在试验中老化后沥青对温度表现的更加敏感，车辙因子下降速率变大。

综上所述，三种改性沥青都有着较好的高温性能，高黏高弹改性沥青的温度敏感性更强，TPE改性沥青和SBS改性沥青的耐老化性能更好，与老化前相比表现出更好的抗变形能力。

2.2.2 温度扫描试验

设置应力参数为100 Pa，试验扫描温度范围为64 ℃～94 ℃，使用25 mm的平行板。

该部分对不同改性沥青及其胶浆予以温度扫描分析，得到相位角δ、车辙因子大小情况。δ越低则反映出沥青材料恢复性能越理想，车辙因子越大则反馈沥青材料抗剪切变形本领越强。下图反映了相位角δ、车辙因子G*/sinδ分别与温度的关系。

图3 沥青相位角δ随温度的变化情况Fig.3 The variation of asphalt phase angle δ with temperature

由图3可知，相同的试验温度下，TPE改性沥青与高黏高弹改性沥青的相位角明显小于SBS改性沥青，而动态剪切模量和车辙因子远大于SBS改性沥青，说明与SBS改性沥青相比，其它两种改性沥青具有更高的高温抗车辙性能，SBS改性沥青和TPE改性沥青的相位角随扫描温度的升高先有小幅度提高，然后下降，在64 ℃～76 ℃温度范围内表现出更多的黏性成分，温度高于76 ℃时，黏性成分相对减小，表现更多的弹性，高温性能升高；而高黏高弹改性沥青的相位角呈大幅度下降状态，尤其在温度为70 ℃～88 ℃时，相位角的下降速率较大，说明沥青的弹性随温度的变化较为敏感，并表现更多的弹性，高温恢复能力提高。

图4 沥青车辙因子G*/sin δ随温度的变化情况Fig.4 Variation of asphalt rutting factor G*/sin δ with temperature

由图4可知，在温度范围内，三种改性沥青车辙因子的大小关系始终为TPE改性沥青>高黏高弹改性沥青>SBS改性沥青，也表明了三种改性沥青抗车辙性能的大小关系。

就三种改性沥青胶浆的车辙因子而言，TPE改性沥青胶浆抗车辙性能变化趋势与原沥青相比几乎没有变化，反观其它两种胶浆，与原沥青车辙因子的大小关系正好相反，说明矿粉对两种改性沥青的影响方式不同，但是因为沥青和胶浆车辙因子的数量级相差比较大，所以是否存在误差还有待于深入研究。

2.2.3 多应力重复蠕变恢复试验(MSCR)

在试验开始前，也需按照要求设定相应的试验参数，其中包括25 mm的平行板，0.1 kPa和3.2 kPa两个应力参数。每个应力水平作用时间为100 s，总共200 s，10 s一个周期。

试验温度设为60 ℃，试验完成后，可以得到两个应力水平下几种改性沥青的应变随时间的变化曲线，如图5、图6所示。

图5 100 Pa应力水平下沥青时间-应变关系Fig.5 Time-strain relationship of asphalt under 100 Pa stress level

由图5可知，在应力水平为100 Pa时，三种改性沥青的应变大小关系为SBS改性沥青>高黏高弹改性沥青>TPE改性沥青，可以得到三种改性沥青抵抗变形能力的大小顺序为TPE改性沥青>高黏高弹改性沥青>SBS改性沥青，SBS改性沥青的最大应变可以达到0.209；高黏高弹改性沥青与TPE改性沥青的蠕变恢复能力相当，但比SBS改性沥青明显高很多。

图6 3 200 Pa应力水平下沥青时间-应变关系Fig.6 Time-strain relationship of asphalt under 3 200 Pa stress level

由图6可知，当应力水平变为3 200 Pa时，三种改性沥青的形变值都有大幅度增加，SBS改性沥青的最大形变达到了9.18，与此同时，三种改性沥青的抗变形能力大小没有太大变化，但TPE改性沥青和高黏高弹改性沥青的蠕变恢复能力更加接近，并且远远高于SBS改性沥青，与应力水平为100 Pa相比，三种改性沥青的蠕变恢复能力有所下降。

通过各种应变参数可以得到蠕变恢复率R及蠕变柔量Jnr[15]，计算公式如下：

R=(γρ-γnr)/(γρ-γ0)

(3)

Jnr=γnr/τ

(4)

(5)

(6)

式中，γ为每个周期内的峰值应变；γnr为每个周期内的残留应变；γ0为每个周期内的初始应变；τ为蠕变应力；R0.1i为100 Pa应力水平下每个蠕变循环恢复率，其中i=1，2，3,…,10；Jnr0.1i为100 Pa应力水平下每个不可恢复蠕变柔量，其中i=1，2，3,…,10。

表6 沥青MSCR试验计算结果Tab.6 Calculation results of MSCR test for asphalt

图7 不同应力水平下沥青蠕变恢复率对比Fig.7 Comparison of asphalt creep recovery rate under different stress levels

图8 不同应力水平下沥青不可恢复蠕变柔量对比Fig.8 Comparison of unrecoverable creep compliance of asphalt under different stress levels

由表6可知，在两个应力水平下，三种沥青材料都表现出不同的恢复能力，并且无论应力水平是100 Pa或者3 200 Pa，三种改性沥青的蠕变恢复能力大小顺序都是TPE改性沥青>高黏高弹改性沥青>SBS改性沥青，但是三者差距的幅度不大。

蠕变柔量Jnr能够更加准确的表征沥青的高温抗车辙性能。Jnr越大表示沥青的不可恢复变形越大，则沥青抗变形能力越弱[16]。应力水平为100 Pa时，三种改性沥青抗车辙性能大小关系为TPE改性沥青>SBS改性沥青>高黏高弹改性沥青，此时高黏高弹改性沥青表现更多的黏性成分；当应力水平达到3 200 Pa时，SBS改性沥青的不可恢复蠕变柔量突增到1.275 9，与其它两种改性沥青相差至少3个数量级，在此应力水平下，SBS改性沥青的变形几乎达到不可恢复的地步，抗车辙性能大小关系为TPE改性沥青>高黏高弹改性沥青>SBS改性沥青。

综上所述，三种改性沥青中，TPE改性沥青的高温稳定性最佳，高黏高弹改性沥青次之，SBS改性沥青相对低于前两种沥青。

3 结论

1)TPE改性沥青的制备、高黏高弹改性沥青的制备以及胶浆材料的制备，为了保证材料性能，需要将制备的时间、剪切速率、温度等参数严格控制在合理的范围之内，在制备过程中，要时刻观察沥青的状态，尤其是均匀性必须满足要求。

2)胶浆材料的抗剪强度与温度相关性满足乘幂函数的关系，即符合方程y=axb，并且在95%的置信区间内，各相关系数R2基本达到0.99以上；三种改性沥青胶浆的锥入度试验显示，TPE改性沥青胶浆与其它两种改性沥青胶浆相比，抗剪强度最高，而其它两种改性沥青胶浆则在相应的温度范围内较高。

3)通过三种改性沥青及胶浆的流变试验，发现TPE改性沥青的抗永久变形能力和蠕变恢复能力最佳，高黏高弹改性沥青次之，SBS改性沥青相对低于前两种沥青；TPE改性沥青和SBS改性沥青的耐老化性能更好，与老化前相比表现出更好的抗变形能力。