SBS改性沥青胶浆的黏弹性对沥青混合料和易性的影响

袁守国，李 靖，胡 健，于 新，陈 贝

(1 江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049；2 河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

沥青混合料是由颗粒性的碎石集料和具有黏弹性的沥青胶浆(砂浆)等组成的一种黏弹性材料，因其具有良好的路用性能而被广泛应用于路面工程[1-2]。沥青胶浆的黏度及流变特性对沥青混合料的和易性起着至关重要的影响，但是沥青胶浆的性能对沥青混合料和易性的影响原因尚不清楚[3]。

目前， 研究者也对沥青混合料和易性的评价方法及指标做了大量研究[4-5]。张琛等[6]使用自行研发的和易性测试设备评价橡胶沥青混合料的拌和扭矩，研究发现压实特性与和易性直接有很强的关联性。延西利等[7]通过变速拌和功率测试和拌和流变模型评价不同沥青混合料的和易性，研究结果显示沥青混合料的拌和流动特性受拌和黏度的影响。诸多研究中提出了定量评价沥青混合料和易性的指标及方法，但极少考虑拌和的黏弹特征，忽略了沥青胶浆作为沥青混合料组成结构的作用，因此有必要从沥青胶浆黏弹性的角度分析沥青混合料的和易性[8]。

本研究的目的是探究SBS改性沥青胶浆黏弹性对沥青混合料和易性的影响，首先利用三种粉胶比(0.8、1.2、1.6)以及SBS改性沥青制备了沥青胶浆，分析了沥青胶浆的基本性能和流变性能，利用旋转黏度值、复数剪切模量、抗车辙因子等指标评价沥青胶浆的黏弹性能。其次，研发一种新的沥青混合料和易性测试设备，基于平均扭矩值提出和易性评价指标，并分析了沥青胶浆的黏弹性能与和易性的关联性。

1 原材料

1.1 沥青

本研究采用SBS含量为5%的SBS改性沥青，具体技术指标见表1。

表1 SBS改性沥青技术性能Table 1 Technical properties of SBS modified asphalt

1.2 混合料级配设计

本研究中沥青混合料级配设计为AC-20，油石比为4.2%。粗细集料均为玄武岩，填料为石灰岩磨细后的矿粉，沥青混合料的级配曲线如图1所示。

图1 矿料的AC - 20级配曲线Fig. 1 AC-20 Gradation curve of mineral aggregate

2 试验方案

2.1 沥青混合料和易性测试设备及评价方法

采用全自动沥青混合料拌和机（型号BH-20，华南实验仪器）进行沥青混合料拌和实验，在此设备的基础上进行改进加工，采用功率较大的三相异步电动机，使拌和速度更加稳定，在搅拌扇叶的转轴上加装了扭矩传感器，可实时测量拌和扭矩值，通过自行研发的扭矩值采集软件与传感器连接，以此实现扭矩值实时动态记录[9]。改装后的全自动沥青混合料拌和设备如图2所示。

图2 研发的和易性测试装置模型Fig.2 Scheme of the workability test device developed

本研究提出使用拌和过程的平均扭矩值作为和易性指标，和易性指标Ta的计算如公式(1)所示：

式(1)中：Ta为拌和平均扭矩值；T1、T2、.......Tn-1、Tn为拌和实时扭矩值；n为拌和实时扭矩值的数量。

2.2 试验方法

2.2.1 沥青胶浆性能测试

（1）沥青胶浆基本性能测试

首先探究不同沥青胶浆的基本性能，依据AASHTO和ASTM的技术规范要求，对沥青胶浆进行25℃针入度、软化点、5℃延度和10℃延度测试。

（2）沥青胶浆黏度测试

沥青胶浆的黏度是其关键的性能指标，使用Brookf ield型旋转黏度仪（型号NDJ-ID）测试沥青胶浆在120、135、140、160、180 ℃时的布氏黏度。

（3）沥青胶浆流变性能测试

动态剪切流变实验(DSR)通过测试沥青胶浆的复数剪切模量和相位角表征材料的黏弹特性，同时能够更好地反映沥青胶浆的高温变形性能。利用动态剪切流变仪（型号TA-AR1500，TA Instruments Company），对沥青胶浆在46、52、58、64、70、76、82 ℃的试验条件下进行温度扫描试验。分析沥青胶浆的复数剪切模量G*、相位角δ和抗车辙因子G*/sinδ等高温性能指标的变化规律，以表征沥青胶浆的黏弹特性。

2.2.2 沥青混合料和易性测试

采用定速拌和的方式对沥青混合料进行拌和试验并测试其拌和扭矩值。在电气控制板设定拌和温度为180℃，拌和时间设定为180s，依次装入集料和沥青胶浆，同时开启扭矩传感器并与数据采集软件连接。连接成功后，开始实验并采集数据。扭矩传感器可进行扭矩的实时采集与显示，采集频率为20次/s。扭矩显示量程为0～24 N·m，精度为±0.1N·m。

3 结果与分析

3.1 沥青胶浆性能评价

3.1.1 沥青胶浆基本性能分析

沥青胶浆的常规性能结果如图3所示。

图3 沥青胶浆基本性能Fig. 3 The conventional properties of asphalt mortar

由图3可看出，随着粉胶比的增大，沥青胶浆的软化点逐渐增大，针入度和延度不断减小，说明矿粉掺量的增加可以改善沥青胶浆的高温性能和高温抗变形能力，但使沥青胶浆的低温性能降低。软化点的增大说明矿粉掺量的增加可以增强沥青胶浆的黏结力和硬化程度，使其高温性能得到提升；针入度的减小说明矿粉掺量的增加使得沥青胶浆更加稠硬，高温抗变形能力得到改善；延度的减小说明矿粉掺量的增加使得沥青胶浆脆性增加，低温性能降低[10]。

3.1.2 沥青胶浆黏度分析

不同沥青胶浆的黏度结果如图4所示。

由图4可看出，随着粉胶比的增大，沥青胶浆的黏度均明显增大。随着温度的升高，每种沥青胶浆的黏度逐渐减小，黏度随着粉胶比增大而增大的趋势变缓。试验结果表明，矿粉掺量的增加可以显著提升沥青胶浆的黏度，矿粉掺量越多对沥青胶浆的黏度提升越显著[11]。在沥青胶浆的制备过程中，沥青与矿粉发生交互作用后会在矿粉表面形成一层结构沥青，随着粉胶比的增大，结构沥青比例增加，沥青胶浆的黏度随之增大。当粉胶比从1.2增大至1.6时，每种沥青胶浆黏度增长幅度变小，这是由于粉胶比增大时，矿粉颗粒未能被沥青均匀裹附从而使胶浆的黏度受到影响。

3.1.3 沥青胶浆黏弹性分析

沥青胶浆的黏弹性能指标结果如图5所示。

图5 沥青胶浆的G*、δ 和 G*/sinδFig. 5 The G* , δ and G*/sin δ of asphalt mortar

由图5可知，测试温度相同时，随粉胶比的增大，沥青胶浆的复数剪切模量（G*）、相位角（δ）和抗车辙因子（G*/sinδ）均逐渐增大。粉胶比相同时，随温度的升高，每种沥青胶浆的复数剪切模量和抗车辙因子逐渐减小，相位角逐渐增大。矿粉掺量的增加使得沥青胶浆的弹性增大，黏性减小，从而沥青胶浆的高温稳定性得到改善。当温度逐渐升高时，沥青胶浆的复数剪切模量变化速率减小，说明高温时沥青胶浆逐渐黏性表现突出，抵抗车辙变形的能力减弱[12]。在温度较低时，随着粉胶比的增大，沥青胶浆的相位角的变化范围很小，随着温度的升高，这种差距逐渐增大，说明粉胶比的增大在低温时对胶浆黏性的提升十分有限，而温度越高对黏性改变越突出。同一粉胶比下，相位角越小，说明沥青胶浆弹性更突出，随着温度的升高，相位角增大，说明温度越高时，沥青胶浆的黏性表现突出，更易变形。

抗车辙因子（G*/sinδ）表示沥青胶浆抵抗永久变形的能力，其值越大，表示沥青胶浆的流动变形越小。矿粉掺量的增加可以明显改善沥青胶浆抵抗流动变形的能力，使其抗车辙性能得到提高。矿粉有着较大的比表面积，矿粉掺量的增加使沥青与矿粉之间物理化学作用产生的结构沥青比例增加，从而增强了沥青胶浆的黏结力和强度，改善了其高温稳定性[13]。在粉胶比相同时，抗车辙因子的增长幅度随温度的升高逐渐降低，这是由于在温度升高时，沥青的黏性性质更加突出，由于沥青黏性成分的增长消弱了矿粉对沥青胶浆弹性成分的影响，从而使增长幅度降低。粉胶比大于0.8时，沥青胶浆高温性能稳定提升，因此综合考虑沥青胶浆的高温稳定性，粉胶比应达到0.8以上。

3.2 沥青胶浆对沥青混合料和易性影响

3.2.1 沥青混合料的和易性变化规律

不同沥青混合料的和易性指标Ta变化规律如图6所示。由图6可知，随着粉胶比的增大，每种沥青胶浆的拌和平均扭矩值Ta明显增大，这是由于矿粉掺量的增加使沥青胶浆的黏度增大，沥青胶浆与集料胶结作用变强，拌和扇叶所受到的阻力变大，在全拌和过程中传感器记录的拌和实时扭矩值增大，和易性指标也随之增大。随着粉胶比的等比增大，沥青混合料的和易性指标Ta以匀速稳定增长。

图6 沥青胶浆的和易性指标Fig. 6 Workability index of asphalt mortar

3.2.2 沥青胶浆黏度与和易性关联性

本研究采用提出的沥青混合料和易性评价指标Ta与沥青胶浆180℃时的旋转黏度进行线性关联分析，关联分析结果如图7所示。

图7 黏度与和易性指标关联性分析Fig. 7 Correlation analysis of workability index with viscosity

从图7可以看出，Ta与沥青胶浆的黏度相关性极强，相关系数为0.9912。综合分析，可以使用沥青胶浆的旋转黏度来预测沥青混合料和易性的好坏。

3.2.3 沥青胶浆黏弹性与和易性关联性分析

沥青混合料和易性指标Ta与沥青胶浆在76℃测试的复数剪切模量G*的线性关联分析结果如图8所示。

图8 G*与和易性指标关联性分析Fig. 8 Correlation analysis of workability index with G* at 76℃

由图8可知，Ta与复数剪切模量G*的关联性极强，相关系数R2=0.9987。由于在高温测试条件下，沥青为黏流态，沥青胶浆的黏性大于弹性，黏性性质表现突出，而粉胶比的变化对沥青的自身黏性的影响较小，所以随着粉胶比的增大，黏度越大的沥青胶浆在拌和过程中对沥青混合料和易性的影响越大[14]。

沥青混合料和易性指标Ta与沥青胶浆在76℃测试的相位角δ的线性关联分析结果如图9所示。

图9 δ与和易性指标关联性分析Fig. 9 Correlation analysis of workability index with δ at 76℃

由图9可知，Ta与相位角δ的关联性极强，相关系数R2=0.9987。随着沥青胶浆相位角δ的增大，沥青胶浆的黏性越好，在拌和过程中的阻力越大，和易性指标越大。由图中亦可知，沥青胶浆相位角增大的同时混合料和易性指标Ta也逐渐增大，说明了沥青胶浆的黏度增大会使沥青混合料的和易性变差。

沥青混合料和易性指标Ta与沥青胶浆在76℃测试的抗车辙因子（G*/sinδ）的线性关联分析结果如图10所示。

图10 G*/sinδ与和易性指标关联性分析Fig. 10 Correlation analysis of workability index with G*/sinδ

由图10可知，Ta与抗车辙因子（G*/sinδ）的关联性极强，相关系数R2=0.9974。沥青胶浆的抗车辙因子随着粉胶比的增大而增大，其高温稳定性在不断提升，相应沥青混合料的和易性指标增大，说明沥青胶浆高温抗变形能力的提升会使沥青混合料不易拌和，和易性变差。

4 结论

（1）研发的沥青混合料和易性测试设备能够准确合理地反映不同沥青混合料和易性的变化规律，基于拌和平均扭矩提出的和易性评价指标具有适用精准性。

（2）粉胶比越大，沥青胶浆的高温性能越好，低温性能变差，抗变形能力增强。

（3）沥青胶浆的黏度与沥青混合料和易性评价指标的关联性极强，一定程度上可反映沥青混合料和易性的变化规律。

（4）复数剪切模量（G*）、相位角（δ）和抗车辙因子（G*/sinδ）与沥青混合料和易性评价指标的关联性很强，沥青胶浆黏弹性能的变化直接影响沥青混合料的和易性。