不同高模量改性瀝青高溫性能及溫度敏感性研究

陳鵬飛 劉安

摘 要：為了探究不同類型高模量劑對(duì)瀝青高溫性能及溫度敏感性能的影響，使用三種類型的高模量劑制備高模量改性瀝青。分別對(duì)三種改性瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)，同時(shí)采用復(fù)數(shù)指數(shù)法評(píng)價(jià)瀝青的溫度敏感性。結(jié)果表明，加入高模量劑可以改善瀝青的高溫性能和溫度敏感性。

關(guān)鍵詞：高模量改性瀝青;溫度敏感性;動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

中圖分類號(hào)：TU414 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）2-0106-03

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.025

Study on High Temperature Performance and Temperature Sensitivity of Modified Asphalt with Different High Modulus

CHEN Pengfei ? ?LIU An

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450000，China）

Abstract：In order to explore the effects of different types of high modulus agents on the high temperature performance and temperature sensitivity of asphalt， three types of high modulus agents were used to prepare high modulus modified asphalt. DSR tests were carried out on three kinds of modified asphalt， and the complex index method was used to evaluate the temperature sensitivity of asphalt. The results show that adding high modulus agent can improve the high temperature performance and temperature sensitivity of asphalt.

Keywords：high modulus modified asphalt; temperature sensitivity;dynamic shear rheological test

0 引言

高模量瀝青混凝土路面主要是通過提高瀝青路面的動(dòng)態(tài)模量，從而增強(qiáng)路面抵抗塑性變形能力[1]。高模量瀝青的實(shí)現(xiàn)方式有：對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青、巖瀝青這樣的天然瀝青改性，還有使用以高模量劑為代表的聚合物對(duì)瀝青進(jìn)行改性[2]。使用高模量劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性形成的高模量瀝青質(zhì)量容易控制，改性后的瀝青具有較好的性能和推廣性[3]。不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出來的高模量劑對(duì)瀝青高溫性能影響也不同，因此，有必要對(duì)不同的高模量劑進(jìn)行研究。

同時(shí)，瀝青是典型的溫度敏感性材料，其感溫性能的好壞直接影響了瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性。目前，評(píng)價(jià)瀝青的溫度敏感性指標(biāo)主要有：針入度指數(shù)PI、針入度-黏度指數(shù)PVN、黏-溫指數(shù)VTS和復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS[4]。這些溫度敏感性指標(biāo)都有不同程度的缺陷，無法全面反映出瀝青在黏彈性狀態(tài)下隨溫度變化的情況。復(fù)數(shù)指數(shù)法是基于解決這一問題提出來的，能在很寬的溫度范圍內(nèi)評(píng)價(jià)出受力情況下處于黏彈性狀態(tài)瀝青的溫度敏感性[5]。因此，通過動(dòng)態(tài)剪切高溫流變?cè)囼?yàn)（DSR）對(duì)不同類型的改性瀝青的高溫性能評(píng)價(jià)，同時(shí)采用復(fù)數(shù)指數(shù)法分析改性瀝青的溫度敏感性變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)》[6]中的試驗(yàn)方法對(duì)京博70#瀝青的性能進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1，可以看出瀝青能很好地滿足規(guī)范的要求。

1.1 瀝青性能及高模量改性瀝青制備

在京博70#基質(zhì)瀝青內(nèi)分別摻加海川、保利和PR modules高模量劑制備改性瀝青，相應(yīng)的改性瀝青編號(hào)為HC、BL、PR，70#基質(zhì)編號(hào)為JZ。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用高速剪切機(jī)制備3種高模量改性瀝青，高模量劑的摻量均為3%（占瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），剪切時(shí)瀝青加熱溫度為160 ℃，剪切速度為4 000 r/min，剪切時(shí)間為0.5 h。

1.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

按照美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHPR）提出的瀝青路用性能規(guī)范進(jìn)行DSR試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為52～76 ℃，以6 ℃為變化進(jìn)行溫度掃描，試驗(yàn)選擇的夾具為直徑25 mm的板，板間距為1 mm。試驗(yàn)儀器是Malvern公司生產(chǎn)的瀝青及膠漿動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)儀[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

SHRP中使用車轍因子G*/sinδ表征瀝青膠結(jié)料的抵抗永久變形能力，并對(duì)瀝青的高溫性能進(jìn)行分級(jí)，其值越大，表示瀝青流動(dòng)變形越小，高溫抗車轍能力越好，瀝青的高溫等級(jí)就越高[8]。

動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可知，改性瀝青的G*/sin δ（G*為復(fù)數(shù)模量，δ為相位角）隨著溫度的升高而減小，這說明隨著溫度的升高，瀝青的抗變形能力也在減小，并且在溫度越高時(shí)改性瀝青的車轍因子急劇下降，這表明瀝青具有典型黏彈性材料的特性。相對(duì)于基質(zhì)瀝青，摻加不同高模量劑的HC、BL、PR三種改性瀝青的G*/sinδ都有不同程度的提高，并且三種改性瀝青的高溫PG分級(jí)等級(jí)都提高了一個(gè)檔次。以改性瀝青在64 ℃試驗(yàn)結(jié)果為例，HC、BL、PR改性瀝青的車轍因子與基質(zhì)瀝青相比分別增加了28%、32%、15%，高模量劑對(duì)于瀝青在中、高溫情況下的G*/sinδ改善較好。

相位角[δ]體現(xiàn)瀝青結(jié)合料黏彈性比例的變化，相位角小，瀝青彈性成分高，反之則黏性成分高[9]。如圖1（b）所示，隨著溫度的升高，[δ]增大，瀝青的彈性成分逐漸減小，黏性成分逐漸增大。相同溫度條件下，BL改性瀝青的彈性性能最好，因此其抵抗變形能力也最強(qiáng)，PR和HC次之，基質(zhì)瀝青的彈性性能最差。這種現(xiàn)象可以解釋為高模量劑在與瀝青共混時(shí)吸收了瀝青中的飽和分、芳香分，發(fā)生部分溶脹，而不與瀝青完全相溶，不溶的高模量劑小顆粒分散到瀝青中，成為增強(qiáng)瀝青彈性部分的因素[10]。

2.2 溫度敏感性分析——復(fù)數(shù)模量指數(shù)法

復(fù)數(shù)模量指數(shù)法是通過復(fù)數(shù)模量[G?]的雙對(duì)數(shù)與溫度的對(duì)數(shù)關(guān)系的斜率反映瀝青的溫度敏感性，斜率越大瀝青的溫度敏感性越好。復(fù)數(shù)模量[G?]由儲(chǔ)能模量[G']和損耗模量[G'']組成，其關(guān)系如式（1）所示，且[G?]和[G']與[G'']也存在如式（2）（3）的關(guān)系。

[G?=G'+G''·i] ? ? ? （1）

[G'=G?cosδ] ? ? ? ?（2）

[G''=G?sinδ] ? ? ? ?（3）

從式（2）（3）中不難發(fā)現(xiàn)，[ G']、[G'']與[G?]、δ都具有相關(guān)性。按照公式（4）用復(fù)數(shù)形式對(duì)瀝青膠結(jié)料的溫度敏感性進(jìn)行計(jì)算。

[CNI=G'TS+G''TS·i] ? ?（4）

式中：CNI為復(fù)數(shù)溫度敏感性指數(shù);[G'TS]為儲(chǔ)能模量溫度敏感性指數(shù);[G''TS]為損耗模量溫度敏感性指數(shù)。

建立[G']、[G'']分別與溫度的對(duì)數(shù)關(guān)系，如圖2所示。對(duì)關(guān)系圖進(jìn)行回歸分析計(jì)算四種瀝青的復(fù)數(shù)敏感性指數(shù)，如表2所示。

由圖2和表2可知，隨著相同摻量的高模量劑的加入，高模量改性瀝青結(jié)合料的CNI值都比基質(zhì)瀝青的小，這表明高模量劑的加入對(duì)改性瀝青產(chǎn)生有利影響，使改性后的瀝青溫度敏感性降低;相同條件下PR高模量改性瀝青的溫度敏感性指數(shù)CNI最小，溫度敏感性最好。[G']、[G'']可以反映瀝青的黏彈性能，所以CNI可以反映膠結(jié)料在黏彈狀態(tài)下隨溫度的變化情況。

3 結(jié)論

①DSR試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著高模量劑的加入，不同類型的高模量改性瀝青的高溫性能都得到提高，其中在摻量為3%時(shí)BL改性瀝青高溫性能最優(yōu)，HC改性瀝青次之，PR改性瀝青再次之。

②高模量劑的加入可以改善瀝青的溫度敏感性，并且PR改性瀝青具有最優(yōu)的溫度敏感性。

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