巖瀝青改性瀝青流變性能研究

仝 佳

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

巖瀝青是一種天然瀝青，它在巖縫中長(zhǎng)期受到熱、壓、氧等作用而形成的一種變質(zhì)石油瀝青。國(guó)內(nèi)外研究表明，將巖瀝青作為改性劑摻入到石油瀝青中，會(huì)提高石油瀝青的高溫穩(wěn)定性、抗老化性以及抗水損性能等。

以流變學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)瀝青開展流變特性研究，可以更好地評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能、低溫性能、疲勞性能等[1]。美國(guó)SHRP計(jì)劃指出，采用反映不同荷載溫度條件下瀝青的流變力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)瀝青路用性能，具有一定的科學(xué)性和先進(jìn)性。我國(guó)在近10年內(nèi)也陸續(xù)開展了一定的研究工作。本文主要采用克拉瑪依90號(hào)瀝青，摻加一定數(shù)量的青川巖瀝青，分析其改性后的流變特性。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 原材料檢測(cè)

本研究采用克拉瑪依90號(hào)A級(jí)瀝青為基質(zhì)瀝青，巖瀝青為青川巖瀝青，首先對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)[2]，檢測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 克拉瑪依90號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 青川巖瀝青測(cè)試數(shù)據(jù)

1.2 巖瀝青改性瀝青制備

將克拉瑪依90號(hào)基質(zhì)瀝青加熱至150℃，按比例加入青川巖瀝青，采用高速剪切機(jī)邊加熱邊剪切的方式，溫度始終控制在150～160℃之間，剪切30 min后放入烘箱發(fā)育1 h。

2 巖瀝青改性流變性能試驗(yàn)

為探討巖瀝青對(duì)石油瀝青的改性效果，本研究分別測(cè)試青川巖瀝青摻量為0、4%、8%、12%和16%5種情況下，利用DSR與BBR對(duì)老化前后的瀝青進(jìn)行流變特性的分析。

2.1 動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)分析

通過DSR（動(dòng)態(tài)剪切流變儀）可以測(cè)試5組瀝青的G*（復(fù)數(shù)剪切模量）和δ（相位角）來表征瀝青的流變特性，即瀝青的黏性和彈性特性[3]。

DSR采用兩塊25 mm的平行板，間距對(duì)應(yīng)為1 mm，所施加的載荷為正弦荷載，測(cè)試頻率為ω=10 rad/s，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，在同一溫度下，隨著巖瀝青摻量的增加，復(fù)數(shù)模量G*升高，相位角δ降低。G*表征瀝青在承受剪切變形時(shí)所受阻力大小的度量，δ是可恢復(fù)變形數(shù)量與不可恢復(fù)變形數(shù)量的比值，由圖1可見巖瀝青的摻入使得改性瀝青抵抗剪切變形的阻力加大，并且改性瀝青中彈性分量增加，說明隨著巖瀝青摻量的增加，改性瀝青高溫性能增強(qiáng)，抗變形能力有所改善。

圖1 不同巖瀝青摻量的改性瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角

美國(guó)SHRP計(jì)劃研究認(rèn)為，G*/sinδ（抗車轍因子）用來表示瀝青材料抗永久變形能力，其值越大，表明越有利于抵抗車轍的產(chǎn)生。SHRP規(guī)定，未老化瀝青的抗車轍因子G*/sinδ需大于等于1.0 kPa，計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 不同巖瀝青摻量的改性瀝青抗車轍因子

觀察圖2可知，同一溫度下的抗車轍因子隨著巖瀝青摻量的增大而增大；摻量越大，G*/sinδ≥1.0 kPa對(duì)應(yīng)的溫度越高。

2.2 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)分析

彎曲梁流變?cè)囼?yàn)用來評(píng)價(jià)瀝青的低溫流變性能，分別測(cè)試表征瀝青抵抗荷載能力的蠕變勁度S和表征荷載作用時(shí)瀝青勁度隨時(shí)間的變化率m值[4]。

為防止路面開裂，因此對(duì)瀝青材料的蠕變勁度S需要有一定的限制，根據(jù)要求測(cè)試時(shí)間60 s時(shí)，瀝青勁度模量不大于300 MPa；m值越大表明低溫開裂的可能性越低，因而要求m應(yīng)不小于0.30。

在某一低溫下，將100 g荷載施加在尺寸為125 mm×12.5 mm×6.25 mm的瀝青梁上，記錄60 s時(shí)的蠕變勁度S和m值，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 S和m隨巖瀝青摻量的變化

由圖3可以看出，加入巖瀝青后，彎曲勁度模量S比基質(zhì)瀝青要大，隨著巖瀝青摻量的增加而增大；勁度變化率m值比基質(zhì)瀝青小，并且隨著巖瀝青摻量的增加而減少。表明巖瀝青的加入，使改性瀝青在低溫下變硬，松弛能力也相應(yīng)地下降。

瀝青PG分級(jí)，即性能分級(jí)是美國(guó)SHRP計(jì)劃中提出的瀝青性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，它依據(jù)瀝青的路用性能進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)2.1和2.2的試驗(yàn)結(jié)果，將5組瀝青的分級(jí)結(jié)果列于表3。

表3 不同巖瀝青摻量的原樣改性瀝青高低溫等級(jí)

從表3可以看出，巖瀝青加入后，改性瀝青的高溫等級(jí)比基質(zhì)瀝青高，4%的摻量使瀝青的高溫區(qū)間上升一個(gè)等級(jí)，8%和12%處于同一高溫區(qū)間，比摻量4%的瀝青高一個(gè)等級(jí)，16%的摻量比基質(zhì)瀝青高3個(gè)高溫等級(jí)。但改性瀝青的低溫等級(jí)比基質(zhì)瀝青低，當(dāng)巖瀝青的摻量大于等于12%時(shí)，改性瀝青的低溫臨界溫度降為-12℃，僅為基質(zhì)瀝青的低溫臨界溫度的一半。故綜合比較，建議巖瀝青的摻量不易大于12%。

2.3 老化試驗(yàn)

按照SHRP研究，瀝青老化試驗(yàn)分為瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱RTFOT）和瀝青的壓力老化試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱PAV）。

瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)?zāi)M瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸和攤鋪過程中瀝青的老化行為，將瀝青置于163℃±0.5℃的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中75 min。本文利用DSR對(duì)短期老化的瀝青進(jìn)行性能測(cè)試，兩塊25 mm的平行板，間距對(duì)應(yīng)為1 mm，測(cè)試結(jié)果如圖4。

圖4 RTFOT后不同巖瀝青摻量的改性瀝青抗車轍因子

比較圖2和圖4可以發(fā)現(xiàn)，短期老化后，各組瀝青的抗車轍因子均有所增加，與原樣瀝青的變化規(guī)律一樣，隨著巖瀝青摻量的增加，抗車轍因子隨之增大。由于SHRP規(guī)范中規(guī)定，旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青抗車轍因子需G*/sinδ≥2.2 kPa，短期老化的瀝青與原樣瀝青相比，在相同巖瀝青摻量下，瀝青的高溫等級(jí)有所降低，旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青PG分級(jí)結(jié)果見表4。

表4 5組短期老化瀝青的性能分級(jí)

對(duì)比表3和表4可以看出，基質(zhì)瀝青與巖瀝青摻量為4%和12%的改性瀝青短期老化后的高溫區(qū)間提高了一個(gè)等級(jí)。

分別對(duì)5組RTFOT老化后的瀝青和PAV老化后的瀝青進(jìn)行了低溫流變?cè)囼?yàn)研究，各瀝青的低溫臨界溫度及PG低溫分級(jí)見表5。

表5 5組短期老化瀝青的低溫性能分級(jí)

對(duì)比表3和表5可知，RTFOT老化后，除16%巖瀝青摻量的改性瀝青臨界溫度降低了一級(jí)外，其余瀝青與基質(zhì)瀝青等級(jí)相同。PAV老化后唯有8%摻量的改性瀝青低溫臨界溫度保持不變。

3 結(jié)語(yǔ)

利用DSR與BBR對(duì)5組老化前后的瀝青進(jìn)行流變特性的分析，結(jié)論如下：

a）摻入巖瀝青后，瀝青的復(fù)數(shù)模量G*大于基質(zhì)瀝青，相位角δ小于基質(zhì)瀝青，隨著巖瀝青摻量的增加，復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ增加的幅度越來越多。

b）摻入巖瀝青后，瀝青的彎曲勁度模量S升高，彎曲勁度模量的變化率m值降低。

c）瀝青老化后，各組瀝青的抗車轍因子均有所增加，且隨著巖瀝青摻量的增加，抗車轍因子隨之增大。

d）從PG分級(jí)的角度來看，摻入巖瀝青后，改性瀝青的高溫區(qū)間等級(jí)逐步升高，低溫區(qū)間逐漸降低。

e）老化后的瀝青，高溫區(qū)間等級(jí)進(jìn)一步升高，低溫區(qū)間相應(yīng)降低。

綜合考慮5組瀝青的流變特性分析，建議巖瀝青的摻量不宜超過12%。