熱固性樹脂改性瀝青流變學探析

■許祥云

（宜春市公路事業發展中心，宜春 336000）

由于軸載增加、交通量增大、氣候環境變化，公路使用要求持續提升，公路建設行業對瀝青材料質量的要求不斷提高。 為改善傳統瀝青材料的性能，研究者們使用不同的改性劑對基質瀝青進行改性。 其中，抗剝落劑、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯（SBS）、橡膠粉和不同的廢舊材料用于瀝青改性成為研究熱點。

隨著世界人口增長以及城市化進程加快，廢棄物堆放導致的環境污染問題日益嚴重。 公路建設所需材料用量大，將廢舊材料作為道路瀝青的改性劑，為廢棄物的處理及循環利用提供了廣袤的市場。 張文才[1]選取高密度聚乙烯和低密度聚乙烯加入瀝青混合料中，研究結果表明：在高密度聚乙烯與低密度聚乙烯摻量相同時，兩者的瀝青混合料抗水損能力相同，而抗凍融循環能力低密度聚乙烯優于高密度聚乙烯。 洪海等[2]對比了高密度聚乙烯—橡膠粉改性瀝青應力吸收層與傳統應力吸收層的應力大小與裂縫數量，結果表明：高密度聚乙烯—橡膠粉改性瀝青應力吸收層具有良好的溫度敏感性以及較低的溫度收縮系數，適宜在寒冷地區使用。 黃衛東等[3]對包含高密度聚乙烯在內的5 種工程中常見的改性瀝青進行拉拔實驗， 結果表明：8%摻量的高密度聚乙烯改性瀝青的黏附自愈合率達到97%，具有良好的抗凍融循環能力。

糠醛是半纖維素的重要衍生物， 且是呋喃類化學品的前體。 呋喃作為熱固性樹脂，在用于瀝青改性時具有良好的溫度敏感性和粘度。 目前關于其用于改性瀝青時的流變學性能研究較少。 本研究通過動態剪切流變儀以及低溫彎曲梁流變儀分析評價熱固性樹脂對瀝青的流變學影響，并基于Superpave 分級標準對熱固性樹脂改性瀝青進行高低溫等級分級。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

研究采用岳陽寶利70# 基質瀝青，及金錦樂化工公司提供的熱固性樹脂及其催化劑。 基質瀝青的技術性能如表1 所示，熱固性樹脂及其催化劑性能如表2 所示。

表1 70# 基質瀝青的物理性能

表2 熱固性樹脂及其催化劑性能

1.2 試驗方法

1.2.1 熱固性樹脂改性瀝青的制備

將加熱至流動狀態的70# 基質瀝青倒入容器皿中，容器皿放入恒溫油浴鍋中恒溫至150℃。待溫度穩定后，分別加入瀝青質量4%、5%以及6%的熱固性樹脂，之后在剪切速度為3000 r/min 的高速剪切機下剪切5 min， 再加入熱固性樹脂質量30%的催化劑，繼續剪切40 min。

依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0609 以及T0630 對原樣瀝青分別進行短期老化與長期老化試驗，從而獲得流變學試驗所需的樣品。

1.2.2 試驗設計

（1）動態剪切流變（DSR）試驗

試驗采用Anton-paar 的MCR 702e 型流變儀，將原樣瀝青澆入內徑25 mm 的樹脂試模中，依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0628 選定試驗的應力與應變值，在儀器的溫度等級模式下測定熱固性樹脂改性瀝青的剪切模量與相位角，并計算出相應的抗車轍因子G*/sin δ。

（2）低溫彎曲梁流變(BBR)試驗

試驗采用ATS 的TE-BBR 型彎曲梁流變儀，將長期老化的瀝青倒入內部尺寸為長101.6 mm、寬12.7 mm、高6.4 mm 的試模中，試件成型后放入儀器設定溫度的無水乙醇中恒溫30 min， 之后依據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0627 測定瀝青的蠕變勁度S 值與m 值。

2 結果與討論

2.1 動態剪切流變試驗結果分析

DSR 試驗旨在表征瀝青在高溫下的抗車轍性能與中溫下的抗疲勞性能，通常來說，越高的剪切模量G*和越低的相位角δ 意味著瀝青擁有更好的抗車轍性能， 剪切模量G*表征瀝青抵抗永久變形的能力，相位角δ 表征瀝青的粘彈性能。 本研究在58℃～76℃間，溫度每上升6℃，測定原樣瀝青的高溫流變性能。 由圖1 可知，熱固性樹脂改性瀝青的剪切模量遠大于基質瀝青； 隨著樹脂摻量的增加，瀝青的剪切模量增大。 由圖2 可知，熱固性樹脂降低了瀝青的相位角；在58℃、64℃以及70℃下，6%的樹脂改性瀝青相位角同比基質瀝青分別減小9.5%、8.7%以及6.8%。 上述結果表明：熱固性樹脂有助于增加瀝青的彈性成分，從而提高瀝青的抗車轍能力；溫度較低時，熱固性樹脂對瀝青的彈性影響更大。

圖1 原樣瀝青的復數剪切模量

圖2 原樣瀝青的相位角

2.2 低溫彎曲梁流變試驗結果分析

BBR 試驗通常用于評價瀝青在低溫條件下的抗開裂能力，通常來說，越高的蠕變勁度S 值和越低的m 值意味著瀝青擁有更好的低溫性能[4]。 由圖3和圖4 可知，隨著溫度的降低，S 值增大而m 值減小，這表明瀝青受到了低溫損傷。 隨著熱固性樹脂摻量的增加，S 值增大而m 值減小， 這表明熱固性樹脂降低了瀝青的低溫蠕變性能。 已有研究表明，樹脂類外摻劑使瀝青變硬變脆，從而降低瀝青在低溫條件下的應力松弛能力[5]。 此外，由圖3 中的斜率變化可知，熱固性樹脂改性瀝青在不同溫度下的溫度敏感性不同。 在-12℃～-18℃區間，瀝青的溫度敏感性較高；在-18℃～-24℃區間，瀝青的溫度敏感性顯著降低。 這表明熱固性樹脂改性瀝青的最不利低溫條件位于-12℃～-18℃區間。

圖3 原樣瀝青的蠕變勁度S

圖4 原樣瀝青的m 值

2.3 Superpave 瀝青分級結果分析

美國Superpave 的瀝青路用性能評價不僅適用于普通瀝青， 也適用于改性瀝青。 通常用PG X-Y來表示，X 表示瀝青的高溫等級，Y 表示瀝青的低溫等級。 其中高溫等級對應DSR 試驗從46℃～82℃間，每6℃一檔，低溫等級從-10℃～-46℃間，每-6℃一檔。 采用圖1 和圖2 的數據計算車轍因子如圖5所 示，Superpave 規 定 原 樣 瀝 青 的G*/sinδ 在 小 于1 kPa 時，瀝青失去抵抗高溫的能力，簡稱為失效溫度。由圖5 可知，基質瀝青在70℃時達到失效溫度，而3 種摻量的熱固性樹脂改性瀝青都在76℃時才失效。 因此，基質瀝青的高溫等級為64℃，3 種摻量的熱固性樹脂改性瀝青的高溫等級為70℃。Superpave 規定S≥300 MPa 且m≤0.3 時，瀝青失去抵抗低溫的能力，在瀝青失去抵抗低溫能力的溫度上減去10℃即為低溫等級。 由圖3 和圖4 可知，基質瀝青的低溫等級為-22℃，3 種摻量的熱固性樹脂改性瀝青在-12℃時的S 值與m 值都不滿足要求，因此低溫等級為-16℃。 4 種瀝青的PG 等級如表3所示。 結合我國氣候分布條件，推薦在南方高溫地區使用熱固性樹脂改性瀝青。

圖5 原樣瀝青的車轍因子

表3 瀝青的PG 等級

3 結論

呋喃是一種熱固性樹脂，關于其用于改性瀝青時的流變學性能研究較少。 本研究通過動態剪切流變儀以及低溫彎曲梁流變儀分析評價熱固性樹脂對瀝青的流變學影響， 并基于Superpave 分級標準對熱固性樹脂改性瀝青進行高低溫等級分級。 主要得到以下結論：（1）在58℃、64℃以及70℃下6%的樹脂改性瀝青相位角同比基質瀝青分別減小9.5%、8.7%以及6.8%，表明熱固性樹脂可以改善瀝青的抗永久變形能力與粘彈性能，且在溫度較低時對瀝青的彈性影響更大。 （2）隨著熱固性樹脂摻量的增加，瀝青的蠕變勁度S 值增大而m 值減小。 熱固性樹脂會降低瀝青的低溫性能，且其改性瀝青的最不利低溫條件位于-12℃～-18℃區間。（3）Superpave 分級標準的研究結果表明，基質瀝青與熱固性樹脂改性瀝青的高低溫等級分別為64-22 與70-16。 結合我國氣候分布條件，推薦在南方高溫地區使用熱固性樹脂改性瀝青。