聚合物改性瀝青低溫性能指標(biāo)研究

顏可珍， 王道珵,2

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.中建三局西部投資有限公司， 四川 成都 610000)

在車輛荷載與氣候因素的共同作用下，瀝青路面容易出現(xiàn)高溫車轍、低溫開裂等破壞行為．為了提高瀝青路面服務(wù)質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，聚合物改性瀝青應(yīng)用越來(lái)越廣泛．

瀝青是典型的黏彈性材料，低溫條件下彈性比例降低，瀝青路面容易發(fā)生低溫開裂．根據(jù)美國(guó)SHRP計(jì)劃研究成果，瀝青膠結(jié)料對(duì)瀝青路面抗裂能力的貢獻(xiàn)度達(dá)到80%[1]，因此低溫性能是瀝青的重要性能之一．目前對(duì)瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)主要通過(guò)常規(guī)物理指標(biāo)或Superpave體系的低溫流變指標(biāo)(勁度模量、應(yīng)力消散速率和PG低溫等級(jí))．沈金安認(rèn)為將15℃針入度與當(dāng)量脆點(diǎn)作為評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青的低溫性能是合理的[2]，而隨著聚合物瀝青種類的增加，這些指標(biāo)是否適用于評(píng)價(jià)聚合物改性瀝青值得進(jìn)一步研究．近年來(lái)，Radiziszeski[3]和孫大權(quán)等[4]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)延度試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，定義了低溫黏韌性的概念，從能量的角度反映瀝青抵抗外力破壞的能力．曹麗萍等[1]通過(guò)混合料低溫試驗(yàn)驗(yàn)證了玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度適用于評(píng)價(jià)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青．Lenoble等[5]和Lu等[6]利用瀝青為典型黏彈性材料這一特性，將瀝青在5℃時(shí)的損耗模量作為衡量瀝青低溫性能的重要指標(biāo)．

瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)是否可信，需要結(jié)合瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷．常用的混合料低溫性能試驗(yàn)有斷裂力學(xué)J積分試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)．前者的測(cè)試結(jié)果受試件加工精度的影響較大，且試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)裂縫發(fā)展速率的控制難度較高[7-8]．葛折圣等[9]和詹小麗等[10]的研究成果表明，低溫彎曲試驗(yàn)得到的彎曲應(yīng)變能密度可以很好地反映瀝青混合料的低溫性能．

目前，多種聚合物改性瀝青低溫性能指標(biāo)的研究工作仍然有待完善．因此，本文基于4種聚合物改性瀝青，對(duì)瀝青黏韌性、勁度模量、應(yīng)力消散速率(m值)、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度等9種瀝青低溫性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試；結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論，以瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度與破壞應(yīng)變?yōu)閰⒖家罁?jù)，對(duì)聚合物改性瀝青的低溫性能指標(biāo)進(jìn)行了有效性評(píng)價(jià)，提出了適用于聚合物改性瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)．

1 改性瀝青性能試驗(yàn)

根據(jù)近年來(lái)聚合物改性瀝青的研究成果[11-15]，本文選用4種具有代表性的改性瀝青1)：SBS改性瀝青(SBSMA)、Terminal Blend/6%非晶態(tài)α烯烴共聚物(APAO)復(fù)合改性瀝青(TB6AMA)、15%廢輪胎橡膠粉(WTR)/4% APAO/90#復(fù)合改性瀝青(WTRMA)、5%乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)/ 90# 改性瀝青(EVAMA)．SBS改性瀝青為成品瀝青；Terminal Blend瀝青取自同濟(jì)大學(xué)道路試驗(yàn)室；APAO為遼寧某化工廠生產(chǎn)的非晶態(tài)塑性體材料；90#基質(zhì)瀝青產(chǎn)自金陵石化；EVA為美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的4260熱熔級(jí)EVA；醋酸乙烯(VA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，熔點(diǎn)為72℃．所有自制改性瀝青均采用相同工藝，在170℃、 3000r/min 條件下，高速剪切 30min，并在相同溫度下保溫發(fā)育20min．改性瀝青的制備工藝如 圖1 所示．

1)改性瀝青制備時(shí)的加入量均以基質(zhì)瀝青的質(zhì)量計(jì).

圖1 改性瀝青制備工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of modified asphalts preparation

根據(jù)T 0604—2011《瀝青針入度試驗(yàn)方法》進(jìn)行針入度試驗(yàn)，得到15℃針入度及當(dāng)量脆點(diǎn).根據(jù)文獻(xiàn) [3-4] 對(duì)瀝青進(jìn)行5℃測(cè)力延度試驗(yàn)，得到延度及瀝青黏韌性值(toughness)．根據(jù)AASHTO T 313《美國(guó)國(guó)有公路運(yùn)輸管理員協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)，得到瀝青的勁度模量(stiffness)、應(yīng)力消散速率(m值)、低溫PG等級(jí)．通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀，利用動(dòng)態(tài)力學(xué)方法[1]對(duì)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行測(cè)試，在3～20℃區(qū)間進(jìn)行溫度掃描，升溫速率1℃/min，加載方式為控制應(yīng)變模式，根據(jù)Amplitude sweep確定材料的線黏彈性應(yīng)變區(qū)間，得到損失模量曲線(G″)并確定玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(Tg)．相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)見表1所示．

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖2為4種改性瀝青測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果．由圖2可見：不同材料在延度值、拉力峰值、屈服點(diǎn)之后的受力狀態(tài)、黏韌性均有所不同；TB6AMA作為拉力峰值最大的材料，其屈服點(diǎn)較低．但通過(guò)屈服點(diǎn)后，隨著延度的增加，后期拉力明顯變大，表明其在受到較大的拉力荷載后，雖然有一定程度的變形，但仍保持了較高的受荷能力，最終斷裂時(shí)，殘留抗拉能力達(dá)到峰值的75.6%；SBSMA峰值僅次于TB6AMA，斷裂拉力為54.6N，殘留抗拉能力為峰值的77.8%；而WTRMA與EVAMA在通過(guò)屈服點(diǎn)后，抗拉能力迅速下降，斷裂時(shí)殘留抗拉能力僅為峰值的46.8%和8.1%．

圖2 改性瀝青測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Force-ductility test results of modified asphalts

改性瀝青的損失模量-溫度曲線如圖3所示．根據(jù)文獻(xiàn)[1]，隨著溫度的升高，瀝青損失模量達(dá)到峰值后會(huì)出現(xiàn)下降，而峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度為材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度．由圖3可見：4種瀝青膠結(jié)料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度相差較大；SBSMA與TB6AMA的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度較低，分別為6.45℃與5.36℃；而WTRMA和EVAMA的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較高，分別達(dá)到了8.98℃和9.38℃．

圖3 改性瀝青的損失模量-溫度曲線Fig.3 Loss modulus-temperature curves of modified asphalts

2 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)

考慮到高等級(jí)公路普遍使用瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)，本文統(tǒng)一選取SMA-13設(shè)計(jì)級(jí)配，并進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，確定最佳油石質(zhì)量比OAC=6.24%．表2給出了瀝青混合料的級(jí)配組成．集料取自云中科技有限公司出產(chǎn)的玄武巖，填充劑采用木質(zhì)纖維，摻和質(zhì)量比為0.3%，改性瀝青混合料拌和溫度為 180℃，碾壓輪預(yù)熱溫度為100℃，壓實(shí)溫度 150℃．為統(tǒng)一制備過(guò)程中的系統(tǒng)誤差，4種SMA混合料拌和與壓實(shí)采用相同的溫度．壓實(shí)后的車轍板與切割后的小梁試件如圖4、5所示．小梁試件尺寸符合T 0715—2011《瀝青混合料彎曲試驗(yàn)》的相關(guān)規(guī)定．

表2 瀝青混合料的礦料級(jí)配

圖5 小梁試件Fig.5 Beam specimen

混合料彎曲試驗(yàn)溫度為-10℃，各性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示．由圖6可見：TB6AMA抗彎拉強(qiáng)度略低于SBSMA，但其破壞應(yīng)變較大，彎曲應(yīng)變能密度最高；溫度較低時(shí)，TB6AMA具有較好的變形能力，發(fā)生脆裂的可能性較低．

圖6 瀝青混合料彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Bending test results of asphalt mixtures

3 瀝青指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析

在對(duì)4種聚合物改性瀝青及其混合料分別進(jìn)行低溫性能測(cè)試后，基于灰色關(guān)聯(lián)理論，可將瀝青低溫性能測(cè)試結(jié)果與混合料低溫性能進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，從而對(duì)瀝青低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)的可信度做出評(píng)價(jià)．灰色關(guān)聯(lián)方法可在小樣本、貧信息條件下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以關(guān)聯(lián)度描述各個(gè)因素與系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢(shì)之間的關(guān)系，關(guān)聯(lián)度越大，影響程度越大[16-17]．

經(jīng)過(guò)灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算，分別以彎曲應(yīng)變能密度和破壞應(yīng)變?yōu)閰⒖紨?shù)列，得到各項(xiàng)瀝青指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，見表3．由表3可見：在2種參考標(biāo)準(zhǔn)下，勁度模量、m值、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以及PG低溫等級(jí)的關(guān)聯(lián)度均大于0.8；當(dāng)以彎曲應(yīng)變能密度為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，關(guān)聯(lián)度由高到低依次為：玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度>PG低溫等級(jí)>勁度模量>m值>黏韌性>延度>損失模量>針入度>當(dāng)量脆點(diǎn)；當(dāng)以破壞應(yīng)變?yōu)閰⒖紭?biāo)準(zhǔn)時(shí)，關(guān)聯(lián)度次序?yàn)椴ＡB(tài)轉(zhuǎn)變溫度>PG低溫等級(jí)>勁度模量>m值>損失模量>延度>黏韌性>針入度>當(dāng)量脆點(diǎn)．

由此說(shuō)明， 用玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度表征文中4類聚合物改性瀝青的低溫性能時(shí)，可信度最高，而Superpave體系的瀝青低溫性能指標(biāo)與瀝青混合料低溫性能之間仍有良好的關(guān)聯(lián)度．黏韌性指標(biāo)對(duì)瀝青低溫性能的反映雖不及上述2種指標(biāo)準(zhǔn)確，但其混合料低溫性能的相關(guān)性保持在0.75左右，在實(shí)驗(yàn)室條件有限時(shí)，仍能獲得可以接受的可信度．

表3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)瀝青混合料低溫性能指標(biāo)進(jìn)行分析，無(wú)論以彎曲應(yīng)變能密度還是破壞應(yīng)變作為參考數(shù)列，其關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果都不會(huì)發(fā)生大的變化．玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)聯(lián)度始終最高，而當(dāng)量脆點(diǎn)與針入度等指標(biāo)對(duì)文中4類聚合物改性瀝青低溫性能的反映并不準(zhǔn)確．值得注意的是，2種Superpave體系外的指標(biāo)呈現(xiàn)出較大差異．黏韌性值與混合料性能的關(guān)聯(lián)度不及勁度模量、m值等低溫流變指標(biāo)；而玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度與瀝青混合料性能的相關(guān)性高于BBR試驗(yàn)結(jié)果．為了進(jìn)一步探究黏韌性指標(biāo)、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度與混合料性能之間的聯(lián)系，分別將其與彎曲應(yīng)變能密度進(jìn)行線性回歸，補(bǔ)充驗(yàn)證二者對(duì)文中4種聚合物改性瀝青的適用性，結(jié)果如圖7所示.

圖7 Tg、黏韌性與彎曲應(yīng)變能密度的相關(guān)性Fig.7 Relativity between strain energy density and Tg or toughness

由圖7可見：不同改性瀝青的黏韌性差別很大，所選的4種改性瀝青最大值與最小值之差接近 1500N· cm；隨著黏韌性降低，彎曲應(yīng)變能密度同時(shí)降低，瀝青混合料的低溫性能變差；Tg與彎曲應(yīng)變能密度變化方向相反，Tg越低，彎曲應(yīng)變能密度越大，瀝青混合料的低溫性能越好；Tg與彎曲應(yīng)變能密度線性擬合的R2達(dá)到了0.979，二者線性相關(guān)程度很高；黏韌性與應(yīng)變能密度的線性相關(guān)度較弱，但也達(dá)到了0.862．

綜上所述，用Tg和黏韌性指標(biāo)評(píng)價(jià)本文的4種聚合物改性瀝青的低溫性能是合理、準(zhǔn)確的．二者不僅有明確的物理意義，而且區(qū)分度很高，可以明顯表征不同改性瀝青低溫性能的差別，其評(píng)價(jià)結(jié)果與瀝青混合料的實(shí)測(cè)性能有良好的相關(guān)性．

4 結(jié)論

(1)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度作為高分子聚合物低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在評(píng)價(jià)文中4種聚合物改性瀝青的低溫性能時(shí)同樣適用．本文通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)理論，驗(yàn)證了玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度與瀝青混合料低溫性能的關(guān)聯(lián)度高于0.85，在9項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中居于首位．

(2)相比于BBR試驗(yàn)所得評(píng)價(jià)指標(biāo)，瀝青黏韌性與混合料彎曲應(yīng)變能密度的相關(guān)性較低，灰色關(guān)聯(lián)度在0.75左右．與其他試驗(yàn)不同的是，測(cè)力延度是將外力做功與試件破壞相聯(lián)系，從能量角度評(píng)價(jià)了瀝青低溫路用性能．在保證了關(guān)聯(lián)度水平可接受的情況下，測(cè)力延度試驗(yàn)設(shè)備與操作相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)試驗(yàn)室條件要求較低，可推廣性更高．

(3)勁度模量、m值、PG低溫等級(jí)與混合料性能的灰關(guān)聯(lián)度均達(dá)到0.8，表明在評(píng)價(jià)文中4種聚合物改性瀝青時(shí)，Superpave體系的低溫性能指標(biāo)仍然具有較高的適用性．而此類指標(biāo)存在的不足是對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求較高．

(4)聚合物改性瀝青種類眾多，由于篇幅與條件所限，本文的研究主要基于4種聚合物改性瀝青，未來(lái)期待其他學(xué)者對(duì)更多種類的改性瀝青進(jìn)行相關(guān)研究．