超硬質瀝青改性結合料流變性能分析

周純秀，王 璐，張中麗，臧志遠，吳騰飛

(1. 大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026；2.吉林省高速公路管理局 松原分局，吉林 松原 138001)

中國富煤、貧油、少氣的能源資源現狀決定了中國的煤炭消耗量十分巨大[1-6]. 超硬質瀝青(super hard asphalt，SHA)是煤清潔化轉化過程中產生的殘渣DCLR(direct coal liquefaction residue)進一步精加工得到的產品，其組成與天然湖瀝青相當，非瀝青含量(質量分數)約占50%，但其軟化點更高，灰分更低，其揮發量小于石油瀝青和湖瀝青. 研究超硬質瀝青的意義：從路用性能角度上，摻入超硬質瀝青可以提高瀝青結合料的高溫穩定性，進而減少路面車轍病害；從環保角度上，超硬質瀝青是煤液化殘渣，而且它與傳統的煤焦油瀝青不同，揮發物多為無毒的半飽和烴，不會對環境造成影響，運用到瀝青路面上，既可以節約資源又可以保護環境.

2007年文獻[7]首先將DCLR作為改性劑加入瀝青，并與特立尼達湖瀝青(TLA)改性瀝青進行性能對比分析，發現在改性效果一定的條件下，其摻量明顯小于TLA. 文獻[8]利用多種試驗手段，對DCLR和TLA改性瀝青的宏觀性能和微觀結構等進行了對比研究，發現兩者都能改善瀝青的高溫性能，但對低溫性能有損傷，相同摻量下，TLA的性能影響更小. 文獻[9]基于DCLR熱分析性質、道路瀝青的改性性能以及脫灰性能3個方面進行研究，得出DCLR的摻入量的質量百分比應控制在10以下的結論. 文獻[10]通過研究不同的配混工藝，選擇熔融的煤液化殘渣與加熱的基質瀝青混合制備改性瀝青，分析了各參數對DCLR改性瀝青性能的影響.

本文擬采用DCLR精加工后的產品超硬質瀝青SHA作為改性劑，對不同摻量的SHA改性瀝青結合料，采用動態剪切流變等試驗，從流變角度對其改性后的宏觀性能進行研究，分析摻入SHA后對瀝青的高低溫變化的影響規律，以期揭示SHA對瀝青的改性效果，為超硬質瀝青SHA的工程應用提供理論依據.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

基質瀝青采用殼牌AH-90道路石油瀝青，技術性能指標見表1，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[11]要求.

表1 基質瀝青的技術指標

煤液化技術包含直接液化和間接液化，直接液化是指煤在氫氣和催化劑作用下，通過加氫裂化轉變為液體燃料的過程[12]. 試驗用超硬質瀝青SHA為煤直接液化殘渣的精加工產品，其性能見表2.

表2 SHA 成分參數(質量分數)

1.2 改性瀝青制備

結合已有研究成果，綜合考慮路用性能需求和經濟性等，選擇超硬質瀝青SHA摻量(質量分數)分別為0%、5%、6%、7%和8%，共制備5種試樣，將其分別編號為SHA0、SHA5、SHA6、SHA7和SHA8. 采用BME 100L型號的實驗室剪切乳化機制備不同SHA摻量的瀝青結合料. 首先，將基質瀝青在130 ℃的烘箱中加熱1 h，將預設比例的基質瀝青與SHA顆粒進行混合,在140 ℃下保溫20 min，電機設定溫度為180 ℃，轉速為5 000 r/min，剪切時間為45 min，電機停止后，用玻璃棒勻速緩慢地攪拌改性瀝青，去除其中的氣泡，倒入準備好的容器內，蓋上蓋子以免灰塵落入. 超硬質瀝青結合料的制備工藝如圖1所示.

圖1 超硬質瀝青結合料的制備工藝流程

1.3 試驗方法

1.3.1 頻率掃描(frequency sweep)

采用動態流變剪切儀，針對基質瀝青與摻入了超硬質瀝青SHA的改性瀝青進行不同溫度下，不同頻率的頻率掃描試驗，得到不同復數模量G*和相位角δ，并畫出Black圖對試驗結果進行分析，具體試驗參數選取如下：試驗溫度選擇46 ℃作為起始溫度，逐漸升溫至76 ℃，其中試驗溫度間隔為6 ℃；選擇直徑為25 mm，厚度為1 mm的轉子；頻率從0.1 Hz升至10 Hz；應變大小設置為1%.

1.3.2 溫度掃描(temperature sweep)

采用動態流變剪切儀，針對基質瀝青與摻入了超硬質瀝青SHA的改性瀝青進行單一頻率下，不同溫度下的溫度掃描試驗，得到車轍因子G*/sinδ與溫度的變化曲線，具體試驗參數選取如下：試驗溫度選擇46 ℃作為起始溫度，逐漸升溫至76 ℃，其中試驗溫度間隔為6 ℃；選擇直徑為25 mm，厚度為1 mm的轉子；角頻率設置為10 rad/s；應變大小設置為1%.

1.3.3 多應力蠕變恢復試驗(multiple stress creep-recovery test, MSCR)

采用旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)老化處理后的4組改性瀝青進行MSCR試驗，測得在溫度在64 ℃，應力水平分別在0.1、3.2 kPa下加入不同摻量的改性瀝青的平均應變恢復率R和不可恢復蠕變柔量Jnr. 具體試驗參數選取如下：試驗溫度選擇64 ℃；選擇直徑為25 mm，厚度為1 mm的轉子；應力水平選擇0.1、3.2 kPa兩種水平；蠕變時間設定為1 s，恢復時間設定為9 s.

1.3.4 彎曲梁流變試驗(bending beam rheometer test，BBR)

采用低溫彎曲梁流變儀測試超硬質瀝青結合料的低溫斷裂特性. 根據線黏彈性模型，在恒定溫度下，小梁承受一個恒定應力，其應力分布與線彈性梁相同. 具體試驗參數選取如下：在-10～-22 ℃之間選取5個試驗溫度進行試驗，溫度間隔為3 ℃；制得試件體積為127 mm×6.35 mm×12.7 mm；加載時間取60 s.

2 試驗結果與分析

2.1 頻率掃描

瀝青材料是一種典型的具有流變特征的材料，因此，可以采用流變學的方法來描述其工程性質. 利用瀝青動態剪切流變儀，對基質瀝青和不同摻量的超硬質瀝青，進行了不同加載頻率下的試驗研究.

2.1.1 超硬質瀝青SHA摻量的相位角隨復數模量的變化

對于具有黏彈性能的瀝青材料，其模量等性能指標是加載時間(頻率)和溫度的函數. 流變試驗結果如圖2所示.

(a)SHA0

(b)SHA5

(c)SHA6

(d)SHA7

(e)SHA8

瀝青材料是一種非牛頓流體，與彈性材料不同，它的力學響應不僅與施加的應力相關，還與時間相關. 經過長期且大量的試驗發現瀝青在不同溫度不同頻率下的黏彈參數特征曲線具有相同的走勢，通過一定的平移可使其重合，即時間與溫度具有等效作用，這種特征被稱為時溫等效[13-15]. 由圖2可知：基質瀝青和摻入了超硬質瀝青SHA的Black曲線為平滑的連續曲線，沒有出現“波浪”，說明該種材料適用于時溫等效原理. 相位角δ代表著應力應變的滯后行為，反映材料的黏彈比例. 完全彈性的材料應力應變不存在滯后行為，即δ=0°；完全黏性的材料應力應變相位滯后恒定，即δ=90°；而黏彈性的材料應力應變響應的相位滯后在0°～90°之間[16-17]. 隨著溫度的升高，瀝青的流動性增強，其黏性成分增加，相位角增大.

通過對比發現，隨著超硬質瀝青SHA摻量的增加，復數模量G*增大，相位角δ減小. 復數模量增加，意味著瀝青結合料的剛度越大，其抗變形能力增強. 而相位角減小，說明其彈性成分比例提高，即在承受相同荷載作用的情況下，其變形可恢復性能增加，抵抗高溫變形的能力增強.

2.1.2 超硬質瀝青SHA摻量的車轍因子隨頻率的變化

利用動態剪切流變儀，進行頻率掃描，試驗結果如圖3、4所示.

加載頻率的大小可以對應于路面行車速度. 高頻代表行車速度快，低頻代表行車速度慢. 分析圖3、4可得：1)無論是高溫還是低溫，隨著頻率的增加，車轍因子G*/sinδ呈線性增長. 而且超硬質瀝青的摻量越大，車轍因子G*/sinδ的增幅越大，瀝青結合料趨于表現彈性性能，表明其黏性大，抗變形能力強；隨著試驗溫度的升高，車轍因子G*/sinδ迅速下降，瀝青結合料趨于表現黏性性能，此時變形轉向黏性流動變形. 2)當SHA0、SHA6、SHA7、SHA8低于58 ℃時，抗車轍因子對頻率的依賴性依次降低，依賴性表現為隨著頻率的升高抗車轍因子也逐漸增大；當溫度大于58 ℃時，抗車轍因子對于頻率的依賴性降低，當溫度達到70 ℃時，出現平臺區，此時抗車轍因子趨近于0. 抗車轍因子是衡量抗車轍性能的指標之一，在58 ℃以下時，瀝青處于均相體狀態，其高溫性能穩定. 3)相同摻量的超硬質瀝青結合料在溫度較低的試驗條件下區分明顯；在較高的試驗溫度下，基質瀝青與改性瀝青的區分度不明顯. 4)不同溫度下，車轍因子G*/sinδ隨著頻率的降低而降低，兩者呈線性變化.

(a)SHA0

(b)SHA5

(c)SHA6

(d)SHA7

(e)SHA8

(a)46 ℃

(c)58 ℃

(e)70 ℃

(b)52 ℃

(d)64 ℃

(f)76 ℃

圖4 不同溫度下改性瀝青的車轍因子隨頻率的變化曲線

Fig.4 Variation of rutting factor of modified asphalt with frequency under different temperature

2.2 溫度掃描

車轍因子G*/sinδ是美國SHRP體系中高溫評價指標之一，SHRP規范中要求：原樣瀝青的車轍因子G*/sinδ不應低于1.0 kPa，若低于1.0 kPa，表明此時瀝青在該試驗溫度下不滿足使用要求. 圖5所示為各超硬質瀝青結合料不同溫度條件下的車轍因子的測試結果.

從圖5中溫度-車轍因子的變化曲線可知：1)隨著超硬質瀝青SHA摻量的增加，車轍因子G*/sinδ大幅上升，說明SHA改性瀝青的高溫抗變形能力得到明顯改善，宏觀表現為高溫抗車轍能力增強. 2)隨著試驗溫度的升高，超硬質瀝青SHA的G*/sinδ值呈現下降的趨勢，從圖5中可以發現G*/sinδ下降速率在[46 ℃,58 ℃]和[58 ℃,76 ℃]時的表現有所差異. 在[46 ℃,58 ℃]時，隨著溫度的升高，車轍因子G*/sinδ迅速降低，即此時SHA改性瀝青的溫度敏感性高，抗變形能力下降明顯；在[58 ℃,76 ℃]時，隨著溫度的升高，車轍因子G*/sinδ緩慢降低，這時改性瀝青的溫度敏感性較低，抗變形能力下降不明顯. 3)雖然在[46 ℃,58 ℃]時，超硬質瀝青SHA的抗變形能力很強，但此時改性瀝青的溫度敏感性非常強.

圖5 車轍因子與溫度的變化曲線

2.3 多應力重復蠕變試驗

蠕變試驗是指材料在恒定應力作用下，變形隨著時間逐漸增加的力學現象[18]. 為了研究超硬質瀝青SHA在高溫性能下的黏彈性能，制備不同摻量的SHA改性瀝青結合料試樣SHA5、SHA6、SHA7和SHA8，經過旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)老化處理后，對上述4組改性瀝青結合料進行多應力蠕變恢復試驗(MSCR). 試驗溫度為64 ℃，應力水平分別為0.1、3.2 kPa，平均應變恢復率R和不可恢復蠕變柔量Jnr測試結果如圖6、7所示.

圖6 平均應變恢復率R

圖7 不可恢復蠕變柔量Jnr

平均應變恢復率R表征瀝青結合料彈性變形的能力，同一摻量不同應力水平對比如圖6所示，由圖6可以直觀得知：超硬質瀝青SHA摻量為8%時平均應變恢復率最大，在3.2 kPa應力下，各個摻量的超硬質瀝青SHA平均應變恢復率R均至少下降50%之多，永久變形能力明顯下降，說明其在高應力狀態下蠕變恢復性能差. 雖然平均應變恢復率R可以很好地表征瀝青結合料彈性變形的能力，但是最終變形積累量則依賴于不可恢復蠕變柔量Jnr. 由圖7可以得出，高應力水平下，同一摻量的超硬質瀝青SHA具有較高的不可恢復蠕變柔量，意味著永久變形量大.

從圖6可以看出：1)隨著SHA摻量的增加，平均應變恢復率逐漸升高，表明SHA的摻加，改變了改性瀝青結合料的黏彈性組成比例，改性瀝青的延遲彈性恢復性能增強，黏性變形減小. 在荷載作用下，SHA改性瀝青產生較小的剪切變形，其高溫抗變形能力提高；且平均應變恢復率呈先快后慢的增長趨勢，表明較高摻量下改性瀝青平均應變恢復率對摻量變化的敏感性降低. 2)對于相同摻量的SHA改性瀝青，當應力水平從0.1 kPa增加至3.2 kPa時，其平均應變恢復率大幅度減小.

從圖7可以看出：1)隨著SHA改性劑摻量的增加，改性瀝青結合料的不可恢復蠕變柔量逐漸減小，表明SHA對瀝青結合料產生加筋作用，使得改性瀝青結合料的不可恢復變形量減?。欢译S著SHA摻量的增加，改性瀝青抗高溫永久變形的能力增強. 2)綜合分析發現，在0.1 kPa時，隨著摻量的增加，平均應變恢復率逐漸增大，摻量8%的改性瀝青的平均應變恢復率最大；應力水平在3.2 kPa時的平均應變恢復率的變化規律與應力水平在0.1 kPa時相同，并且其平均恢復率略有增大. 比較兩種不同應力條件下的結果，由于應力的增大，平均恢復率下降至原本的一半以上，平均不可恢復蠕變柔量Jnr稍有增大. 因此，有必要考慮較大應力對于改性瀝青性能的影響.

2.4 彎曲梁流變試驗

基于瀝青流變特性，采用黏彈指標比常規指標可以更好地反映改性瀝青的低溫斷裂特性. 彎曲梁流變試驗(BBR)可以通過低溫蠕變勁度S和蠕變速率m兩個指標表征瀝青結合料的低溫抗開裂性能，如圖8、9所示. 其中S反映瀝青結合料的柔性，即抵抗永久變形的能力，S值越小，說明瀝青結合料的柔性越優，反之，S越大，說明瀝青脆性越大，柔韌性差；m反映瀝青結合料的應力松弛性能，m越大，意味著會產生較大的松弛，使路面在低溫時產生的應力盡快釋放掉，避免出現剩余應力，保證了低溫抗開裂性能[19]. 因此，美國SHRP規范規定S≤300 MPa，m≥0.3[20].

圖8 SHA改性瀝青的S值

圖9 SHA改性瀝青的m值

試驗結果表明：在相同的試驗條件下，對于同一試驗溫度，低溫蠕變勁度S隨超硬質瀝青SHA的摻量增加呈遞增趨勢，說明改性瀝青呈現脆性. 而蠕變速率m均隨超硬質瀝青SHA摻量的增加呈遞減趨勢，但是趨勢并不明顯，PG分級可知，均在同一PG分級等級內，由此可以得出超硬質瀝青的添加對瀝青的低溫流變性能影響不大.

2.5 PG分級

根據Superpave的瀝青路用性能規范，采用PG分級表示設計使用溫度的適用范圍. AASHTO M320-03將瀝青分為7個高溫等級和每個高溫等級對應的不同低溫等級，7個高溫等級分別為PG46、PG52、PG58、PG64、PG70、PG76、PG82，低溫等級在-10～-46 ℃之間，每6 ℃一檔[21]. 表3為PG分級結果，由表3可知，摻加了超硬質瀝青SHA后，SHA5、SHA6、SHA7較基質瀝青提高了1個等級，SHA8較基質瀝青提高了3個等級，低溫分級與原樣瀝青相同.

表3 PG分級結果

3 結 論

1)通過動態剪切流變試驗、小梁彎曲蠕變試驗及多應力蠕變恢復試驗，對SHA0、SHA5、SHA6、SHA7、SHA8等不同摻量的SHA改性瀝青結合料進行了試驗，通過復數模量G*、相位角δ、車轍因子G*/sinδ、平均應變恢復率R、不可恢復蠕變柔量Jnr、低溫蠕變勁度S和蠕變速率m指標分析其流變性能.

2)隨著超硬質瀝青SHA摻量的增加，瀝青結合料的復數模量、車轍因子和平均應變恢復率增大，相位角和不可恢復蠕變柔量減小，說明SHA的摻加可以顯著改善瀝青的高溫抗變形性能，提高瀝青的抗車轍能力.

3)超硬質瀝青SHA瀝青結合料的Black曲線為平滑的連續曲線，表明其滿足時溫等效原理.

4)綜合考慮瀝青結合料的高溫抗變形性能和低溫抗裂性能，超硬質瀝青SHA的摻量應控制在7%～8%之間.