采用動態流變剪切方法評價改性乳化瀝青高溫性能的研究

杜曉博，彭坤，張宏超

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

采用動態流變剪切方法評價改性乳化瀝青高溫性能的研究

杜曉博，彭坤，張宏超

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

為了對改性乳化瀝青高溫性能及影響因素進行更好地評價，選用直接加熱蒸發法獲取SBR及SBS改性乳化瀝青殘留物。在此基礎上，進行多應力重復蠕變恢復試驗，探討溫度、膠乳含量及膠乳種類3個因素對改性乳化瀝青高溫性能的影響。研究結果表明，隨著溫度的升高，SBR改性乳化瀝青殘留物高溫抗變形能力變弱；隨著膠乳含量的增加，SBR改性乳化瀝青殘留物高溫抗變形能力變強；SBS改性乳化瀝青高溫性能優于SBR改性乳化瀝青。

道路工程；高溫性能；MSCR；改性乳化瀝青

憑借具有常溫施工、節約能源、保護環境及施工便利等優點，改性乳化瀝青技術現已廣泛用于微表處、稀漿封層及冷再生等工程［1］。但由于該技術在我國起步較晚，改性乳化瀝青相關路用性能研究較少。近年來交通荷載急劇增長，對瀝青高溫性能提出了更高的要求，如何評價改性乳化瀝青高溫性能進而指導工程應用變得極其重要。

當前改性瀝青高溫性能評價指標基本沿用了普通瀝青的評價指標，主要有以下幾種：60℃粘度和軟化點；車轍因子G*/sinδ；零剪切粘度ZSV［2］。但是相關研究表明，它們均與改性瀝青混合料抗車轍性能評價指標相關性較小［3-5］，用來評價改性瀝青高溫性能并不合適。MSCR試驗是近幾年提出的一種動態流變剪切方法，它可較好地評價改性瀝青的高溫性能。研究表明，其評價指標與足尺ALF試驗測得的瀝青混合料車轍深度相關性較高，相關系數可達0.8以上［3，6］。因此本文選用多應力重復蠕變恢復試驗，以期更好地評價改性乳化瀝青的高溫性能。

1 原材料參數及制備

1.1 改性乳化瀝青制備

本文采用AH-70#瀝青，試驗指標見表1。利用實驗室小膠體磨（如圖1所示）分別生產SBR改性乳化瀝青及SBS改性乳化瀝青。

1.2 改性乳化瀝青殘留物獲取

改性乳化瀝青由于兼具乳化瀝青的乳液狀態，并伴有聚合物改性劑的存在，評價其性能時，一般需先將乳化瀝青做脫水處理，獲取瀝青殘留物，然后方能評價。改性乳化瀝青性能評價受殘留物獲取方法影響較大，通常要求殘留物在獲取過程中老化程度小，且操作簡單易行。當前殘留物獲取方法主要有蒸餾法、低溫減壓蒸餾法［7-8］、烘箱蒸發法以及直接加熱蒸發法。通過對比不同獲取方法得到的殘留物的老化程度及各方法的操作性，最終選擇直接加熱蒸發法作為本文殘留物獲取的試驗方法。

圖1 實驗室膠體磨Fig.1 Laboratory colloidmill

表1 AH70#基質瀝青試驗指標Tab.1 AH70#Matrix asphalt test index

2 試驗方法與方案

2.1 MSCR試驗方法

2.1.1 試驗簡介

MSCR試驗使用動態剪切流變儀并采用應力控制模式。選用0.1 kPa和3.2 kPa兩種蠕變應力水平進行連續測試，每個應力水平進行10個周期，每個周期10 s，分為1 s的蠕變階段和9 s的卸載恢復階段，試驗總時間為200 s［9-10］。試驗溫度采用PG分級溫度。通過試驗可以得到每個應力水平下各個蠕變恢復周期的初始應變γ0，蠕變階段的總應變γ1以及恢復階段后的殘余應變γnr。

采用重復蠕變恢復試驗一方面是考慮到其應力控制模式與實際路面荷載加載模式相近，均屬于間歇式加載；另一方面是由于該應力控制模式下加載間歇時間內延遲彈性變形得到部分恢復，測得的殘余變形更接近于粘性流動變形，這對于評價彈性恢復性能較好的改性瀝青來說是十分重要的。采用0.1 kPa和3.2 kPa兩種應力水平進行測試可用來評價不同改性瀝青的應力敏感性。

2.1.2 評價指標

1）不可恢復蠕變柔量Jnr。由Burgers模型本構方程［11］可知，每個應力水平下各蠕變恢復周期的不可恢復蠕變柔量Jnr可由公式1得出

式中：τ為蠕變應力。

Jnr越小，表明粘性流動變形越小，那么改性瀝青高溫性能抗變形能力越好。取10個周期的平均值可以得到每個應力水平下的不可恢復蠕變柔量Jnr，0.1和Jnr，3.2。在此基礎上，采用蠕變柔量差值變化率Jnr，diff評價不可恢復蠕變柔量的應力敏感性。見公式2

2）恢復率R。恢復率R表示瞬時彈性變形占總變形的比例，即彈性性能［12］。如公式3

R值越大，說明彈性變形占總變形比例越大，不可恢復變形所占比例越小，彈性越好。這可以在一定程度上反應瀝青的抗變形能力。此外還可采用恢復率差值變化率Rdiff評價恢復率的應力敏感性，見公式4。一些研究認為它反映了聚合物網絡結構在瀝青中的形成程度［13］。其值越小說明聚合物網絡結構越完整。

2.2 試驗方案

溫度、膠乳含量及種類是影響改性瀝青高溫抗變形能力的3個重要因素。因此，本文對溫度、膠乳含量及種類3種變量條件下的改性乳化瀝青殘留物進行MSCR試驗，得到各個評價指標隨各因素的變化趨勢，從而對改性乳化瀝青高溫抗變形能力進行評價。

3 試驗結果與分析

3.1 溫度

本試驗采用SBR膠乳，摻量為3%。試驗溫度分別為58，64，70，76℃。此外設置一組25℃室溫條件下的試驗作為參照。在0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下進行MSCR試驗，結果見表2。

表2 不同溫度條件下Jnr，0.1、Jnr，3.2和Jnr，diff結果Tab.2The result of Jnr，0.1，Jnr，3.2and Jnr，diffunder different temperature conditions

從表2可以看出，Jnr，0.1和Jnr，3.2均隨著溫度的升高而增大，表明隨著溫度的升高，SBR改性乳化瀝青的永久變形增大。在25℃常溫條件下，Jnr，0.1和Jnr，3.2基本相等，這是由于試樣在常溫時為線性粘彈性體，其不可恢復蠕變柔量對應力敏感性很小。58℃～76℃范圍條件下，溫度相同時，Jnr，0.1均顯著小于Jnr，3.2。這應該是由于高溫條件時3.2 kPa應力水平下試樣為非線性粘彈性體，0.1 kPa應力水平下則趨近于線性粘彈性體，兩者所處的力學狀態不一樣，應力和應變的本構關系式是不一樣的。因此得到的不可恢復蠕變柔量相差較大，即Jnr，diff較大。此外，隨著溫度的升高，與之對應的Jnr，diff的值也隨著溫度的升高而變得更大。這說明，隨著溫度的升高，改性乳化瀝青不可恢復蠕變柔量對應力更敏感。究其原因，還是由于溫度升高導致瀝青粘彈性性質及粘彈性比例發生變化導致的。

3.2 膠乳含量

膠乳采用SBR膠乳，試驗溫度為64℃。膠乳含量分別為0，1%，3%，5%。采用直接加熱蒸發法獲得SBR改性乳化瀝青的殘留物。另取相應的基質瀝青作為對比。將上述樣品分別在0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下進行MSCR試驗，結果見表3。

表3 不同膠乳含量時MSCR試驗結果Tab.3 The result of MSCR test under different content of latex

從表3可以看到，隨著膠乳含量的增加，Jnr，0.1和Jnr，3.2均隨之減小，R0.1和R3.2均隨之增加。這說明隨著膠乳含量的增加，SBR改性乳化瀝青彈性成分增加，殘留永久變形變小，其高溫性能隨著膠乳含量的增加而得到改善。兩種應力水平下，Jnr，diff隨膠乳含量的增加而增大，說明膠乳含量越高，不可恢復蠕變柔量對應力越敏感；Rdiff隨之減小，說明膠乳含量的增加使得恢復率對應力的敏感性減小。這是由于膠乳含量的增加使得瀝青中聚合物網絡更加完整。此外，膠乳含量為0的乳化瀝青殘留物的Jnr，diff較基質瀝青來說有較大增加，說明乳化工藝及殘留物獲取方法對不可恢復蠕變柔量的應力敏感性也存在影響。

3.3 膠乳種類

選取SBS與SBR兩類改性乳化瀝青進行MSCR試驗，SBS改性乳化瀝青（先改性后乳化方法制得）及SBR膠乳改性乳化瀝青改性劑含量均為3%。試驗溫度為64℃。試驗結果見表4。

表4 SBS和SBR改性乳化瀝青MSCR試驗結果Tab.4 The MSCR test results of SBR and SBSmodified emulsified asphalt

從表4可以看出，JSBS，nr0.1大于JSBR，nr0.1。可認為在此條件下，SBR改性乳化瀝青抵抗永久變形的能力要好于SBS改性乳化瀝青。同樣地，RSBS，0.1小于RSBR，nr3.2。說明此條件下SBR改性乳化瀝青彈性性能優于SBS改性乳化瀝青。與之相反，在3.2 kPa應力水平下，SBS改性乳化瀝青的彈性性能和抵抗永久變形的能力要優于SBR改性乳化瀝青。此外，SBS改性乳化瀝青的Jnr，diff及Rdiff均遠小于SBR改性乳化瀝青的，說明SBS改性乳化瀝青不可恢復蠕變柔量及恢復率的應力敏感性都較小。考慮到實際的交通荷載，SBS改性乳化瀝青的高溫性能要優于SBR改性乳化瀝青。

4 結論

1）Jnr，0.1和Jnr，3.2均隨溫度的升高而變大，說明隨著溫度升高，改性乳化瀝青殘留物產生的變形隨之增大，抗變形能力變小。Jnr，0.1和Jnr，3.2均隨膠乳含量的增加而變小，說明膠乳含量的增加可以減小改性乳化瀝青殘留物的永久變形，改善其高溫性能。

2）溫度及膠乳含量均對不可恢復蠕變柔量的應力敏感性存在影響，溫度越高，膠乳含量越多，殘留物不可恢復蠕變柔量對應力越敏感。

3）膠乳含量越大，殘留物中聚合物網絡結構越完整，殘留物的彈性越大，恢復率也就越大，恢復率對應力越不敏感。

4）綜合考慮各項指標，SBS改性乳化瀝青高溫性能優于SBR改性乳化瀝青。

[1]萬欣,陳夢成.微表處在某高速公路中的應用[J].華東交通大學學報,2007,24(2):30-32.

[2]郭詠梅,倪富健.改性瀝青高溫性能評價方法研究進展[J].公路工程,2012,37(6):81-84.

[3]JOHN A,D'ANGELO.The relationship of the MSCR test to rutting,roadmaterials and pavement[C]//ICAM 2009,Road Materials and Pavement Design,2009:61-80.

[4]曾赟,郭淑華.零剪切粘度與瀝青高溫性能的關系[J].石油瀝青,2003,17(4):21-26.

[5]徐鴻飛.基于重復蠕變恢復試驗的瀝青高溫性能評價指標研究[D].濟南:山東建筑大學,2012.

[6]EYAD M,CHIEN WEI HUANG,JOHN D'ANGELO,et al.Characterization of asphalt binder resistance to permanent deformation based on nonlinear viscoelastic analysis ofmultiple stress creep recovery(MSCR)Test[C]//Asphalt Paving Technology:Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions,2009,(78):535-562.

[7]ASTM D244-09.Standard Test Methods for Emulsified Asphalts[S].2000.

[8]ASTM D244-00.Standard Test Methods for Emulsified Asphalts[S].2009.

[9]AASHTO TP-09.Multiple Stress Creep Recovery(MSCR)Test of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer(DSR) [S].2009.

[10]ASTM D7405-10a.Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery(MSCR)of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer[S].2010.

[11]張肖寧,孟建軍,鄒桂蓮.基于重復蠕變的改性瀝青高溫指標[J].華南理工大學學報:自然科學版,2008,36(2):23-27.

[12]張金喜,王超.基于多應力蠕變回復試驗的瀝青結合料高溫性能評價[EB/OL].中國科技論文在線[2013-03-11].http:// www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201303-402.

[13]ALIREZA K,AMIR K.Rheological characteristics of SBR and NR polymermodified bitumen emulsions at average pavement temperatures[J].Construction and Building Materials,2013(47):1099-1105.

Evaluation on High Temperature Performance of Modified Emulsified Asphalt Based on Dynamic Rheological Shear Method

Du Xiaobo,Peng Kun,Zhang Hongchao
(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201800,China)

In order to evaluate the high temperature performance and influence factors ofmodified emulsified as?phalt,this paper obtains residues from SBR/SBSmodified emulsified asphalt by direct thermal evaporationmeth?od,and then carries out the MSCR test to study the influence of temperature,latex content and latex type on the high temperature performance ofmodified emulsified asphalt.The data shows that rutting resistance of SBRmodi?fied emulsion residue under high temperature decreases with temperatures going up,and increases with latex con?tent increasing.It finds out that the high temperature performance of SBSmodified emulsion residue is better than that of SBRmodified emulsion.

road engineering;high temperature performance;MSCR;modified asphalt emulsion

U414

A

2014-04-05

上海市科技啟明星項目（10QA1407200）

杜曉博（1989—），男，碩士研究生，研究方向為道路工程；張宏超（1975—），男，副研究員，博士，研究方向為道路材料、路面結構設計。

1005-0523（2014）04-0001-05