基于流變特性的復(fù)合相變調(diào)溫瀝青性能評(píng)估*

馬 峰，祝崇鑫，傅 珍，紀(jì) 續(xù)，溫雅嚕，劉 健

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064； 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 材料學(xué)院，西安710064；3. 濟(jì)南金曰公路工程有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引 言

瀝青路面憑借其行車平穩(wěn)舒適、低噪音的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)道路中占比逐漸增大[1-2]。瀝青是一種黑色吸熱的溫度敏感性材料，環(huán)境溫度變化會(huì)影響瀝青路面的性能和使用壽命，在低溫雨雪天氣下容易積雪結(jié)冰危害交通安全，高溫條件下又易產(chǎn)生車轍病害[3-5]。同時(shí)，城市瀝青路面在高溫下會(huì)不斷釋放熱量加劇城市“熱島效應(yīng)”[6-8]。相變材料(phase change materials,PCM)是一種可以通過(guò)材料相態(tài)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)吸收、儲(chǔ)存和釋放熱量來(lái)維持自身溫度穩(wěn)定的新能源材料[9-10]，已有用于建筑、軍事等行業(yè)的先例[11-12]。將相變材料應(yīng)用到瀝青混合料當(dāng)中可與外部環(huán)境發(fā)生熱交換釋放熱量，起到融雪化冰的作用[13]；也可降低瀝青路面內(nèi)部溫度、延緩升溫速率，提高瀝青路面高溫穩(wěn)定性能[14]。

目前國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)將PCM應(yīng)用到瀝青混合料當(dāng)中進(jìn)行了諸多研究。Chen[15]等將相變材料(SSPCM)加入到瀝青砂漿中通過(guò)對(duì)比分析瀝青砂漿的控溫效果和流變性能發(fā)現(xiàn)相變材料在提高瀝青路面高溫性能方面具有良好前景。Jin[16]等用聚乙二醇( PEG )摻膨脹珍珠巖(EP)作為穩(wěn)定復(fù)合相變材料(CPCMs)代替細(xì)集料制備瀝青混合料，采用熱重分析( TG )和差示掃描量熱法( DSC )對(duì)CPCMs的熱性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其在夏季可將瀝青路面表面峰值溫度降低4.3 ℃，對(duì)調(diào)節(jié)路面溫度、緩解城市熱島等方面具有很大潛力。Ma[17]等在瀝青混合料中摻入相變材料通過(guò)模擬溫度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相變材料可以降低瀝青混合料的升溫速率和冷卻速率，調(diào)節(jié)其工作溫度。李文虎[18]等用溶膠-凝膠法制備PEG/SiO2相變顆粒代替細(xì)集料來(lái)考察不同級(jí)配的瀝青混合料溫度敏感性和高溫穩(wěn)定性，結(jié)果表明摻入PEG/SiO2可降低瀝青混合料的溫度敏感性，其高溫性能與相變顆粒摻量和級(jí)配類型有關(guān)。李新[19]等將制備的相變調(diào)溫材料(PCMs)加入到基質(zhì)瀝青當(dāng)中來(lái)研究不同摻量PCMs對(duì)瀝青高溫流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入PCMs可以提高瀝青高溫性能，且摻量越大瀝青高溫抗車轍性能越好。周雪艷[20]等制備出路用復(fù)合定形相變材料來(lái)研究其對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合定形相變材料可以顯著改善瀝青混合料的低溫抗裂性。綜上，目前國(guó)內(nèi)外多集中于研究開發(fā)不同類型的PCM，以此滿足瀝青混合料的特性并使其具有調(diào)溫效果。微膠囊是一種可將相變材料包裹避免芯材漏液、氧化等問題的技術(shù)，將納米TiO2摻入聚乙烯醇(PVA)對(duì)三聚氰胺甲醛樹脂進(jìn)行改性，可提高相變微膠囊的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，然而大多數(shù)學(xué)者對(duì)于相變微膠囊的研究集中于封裝技術(shù)，關(guān)于其對(duì)調(diào)溫瀝青性能的研究少有報(bào)道。

為此，本文以十四烷-正辛酸為芯材，摻雜TiO2納米粒子的聚乙烯醇改性三聚氰胺甲醛樹脂為壁材，采用原位聚合法制備十四烷-正辛酸復(fù)合相變微膠囊(tetradecane-octanoic acid phase change microcapsules，T-OAPCMs)，并制備出不同摻量的相變?yōu)r青和相變改性瀝青。對(duì)不同瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)及布氏黏度測(cè)試其基本性能，采用溫度掃描分析不同相變?yōu)r青高溫流變性能，評(píng)價(jià)T-OAPCMs摻量對(duì)瀝青流變性能影響，研究結(jié)果為進(jìn)一步開發(fā)調(diào)溫瀝青路面提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用的基質(zhì)瀝青為韓國(guó)SK70#A級(jí)瀝青，基本性能指標(biāo)見表1；SBS改性瀝青為山東路通道路材料有限公司生產(chǎn)，SBS含量為4.2%，技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 SK70#基質(zhì)瀝青參數(shù)指標(biāo)Table 1 Physical properties of SK70# base asphalt

表2 SBS瀝青參數(shù)指標(biāo)Table 2 Physical properties of SBS asphalt

1.2 相變?yōu)r青的制備

1.2.1 微膠囊的制備

確定微膠囊芯材:選取十四烷-正辛酸二元相變材料作為微膠囊芯材，在燒杯中使用精密天平稱取質(zhì)量比為50.39∶49.61的十四烷和正辛酸溶液進(jìn)行混合，常溫條件下置于磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌30 min，得到微膠囊芯材。

確定微膠囊壁材:將三聚氰胺和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%甲醛加入到三口燒瓶中組成混合溶液，兩者物質(zhì)的量比為1∶2，稱取占混合溶液質(zhì)量0.5%的聚乙烯醇和50 mL去離子水均勻混合，再加入NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值至8。將三口燒瓶置于70 ℃的恒溫水浴中攪拌30 min，后加入TiO2納米粒子到三口燒瓶中，攪拌60 min，得到微膠囊壁材。

制備復(fù)合相變微膠囊:采用原位聚合法制備復(fù)合相變微膠囊。將芯材和水按照體積1∶2加入到三口燒瓶中調(diào)節(jié)pH值至4左右，置于70 ℃恒溫水浴中加熱10 min，加入十二烷基硫酸鈉并攪拌30 min，期間滴入壁材使芯材與壁材比例為1∶1，滴完后置于70 ℃恒溫水浴中反應(yīng)3 h，反應(yīng)期間調(diào)節(jié)混合溶液pH值至9。待反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾、洗滌、再次過(guò)濾、烘干，制備出十四烷-正辛酸相變微膠囊(T-OAPCMs)。

1.2.2 制備相變?yōu)r青

將基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青加熱至140 ℃成流動(dòng)狀態(tài)后，將占瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、7%、10%、13%的T-OAPCMs分別加入到基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中手動(dòng)攪拌2 min。隨后采用高速剪切法制備相變?yōu)r青和相變改性瀝青，剪切溫度135 剪切機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，剪切時(shí)間10 min。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[21]對(duì)各瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)。針入度試驗(yàn)溫度25 ℃，荷重100 g，貫入時(shí)間5 s延度試驗(yàn)溫度5 ℃，拉伸速度5 cm/min；軟化點(diǎn)試驗(yàn)升溫速率5 ℃/min。

采用DV2T型布氏黏度儀測(cè)試各瀝青黏度，測(cè)試時(shí)保證扭矩在10%～98%之間，試驗(yàn)溫度為135和175 ℃。

采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的DHR-1混合流變儀，對(duì)各瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為34,40,46,52,58,64,70 ℃，應(yīng)變值1.25%，角頻率10 rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)物理性能

不同T-OAPCMs摻量下相變?yōu)r青和相變改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 常規(guī)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 The physical properties of asphalt

從圖1中可以看出，與相變改性瀝青相比，相變?yōu)r青的針入度值較高，軟化點(diǎn)較低，說(shuō)明相變?yōu)r青稠度較小、流動(dòng)性較好，但高溫性能差。隨著T-OAPCMs摻量增加，相變?yōu)r青與相變改性瀝青針入度增大，流動(dòng)性增加，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是瀝青在高溫加熱和剪切過(guò)程會(huì)導(dǎo)致相變?yōu)r青內(nèi)部分微膠囊破裂，T-OAPCMs發(fā)生泄漏，使瀝青基體中增加了十四烷液體。十四烷在瀝青四組分體系當(dāng)中屬于飽和分，賦予瀝青流動(dòng)性，其含量越高，瀝青稠度越小，針入度越大[22]。相變?yōu)r青和相變改性瀝青的軟化點(diǎn)隨T-OAPCMs摻量增加而減小，均在摻量為13%時(shí)減小到最小值，此時(shí)高溫性能最差，應(yīng)控制T-OAPCMs摻量。這是由于T-OAPCMs摻量越大，在剪切過(guò)程中發(fā)生破裂的T-OAPCMs越多，導(dǎo)致瀝青變軟，軟化點(diǎn)降低，高溫性能下降。

相變改性瀝青的延度值高于相變?yōu)r青，說(shuō)明其塑性變形能力優(yōu)于相變?yōu)r青，低溫性能更優(yōu)。隨著T-OAPCMs摻量增加，瀝青的延度值逐漸增大，說(shuō)明加入相變材料后，由于相變?yōu)r青具有儲(chǔ)熱的性能，在低溫環(huán)境下能夠釋放熱量從而延緩了降溫速率，提高了瀝青結(jié)合料的低溫性能[23]。當(dāng)T-OAPCMs摻量為13%時(shí)，相變?yōu)r青和相變改性瀝青延度比基質(zhì)瀝青和SBS瀝青分別提升75.4%和66.9%，這表明相變?yōu)r青和相變改性瀝青的低溫抗裂能力在T-OAPCMs摻量為13%時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

2.2 高溫抗剪切性能

對(duì)所研究的10種瀝青在135和175 ℃溫度下進(jìn)行布氏黏度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。布氏黏度μ越大，說(shuō)明瀝青高溫抗剪切能力越好[24]。從圖2可以看出，同一溫度下隨著T-OAPCMs摻量增加，各瀝青的布氏黏度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，表明摻入T-OAPCMs會(huì)降低瀝青的黏度，對(duì)瀝青高溫抗剪切能力產(chǎn)生不利影響。135 ℃條件下，相變?yōu)r青的布氏黏度在T-OAPCMs摻量為4%、7%、10%、13%下較基質(zhì)瀝青分別下降了11.8%、41.2%、60.8%、78.4%，相變改性瀝青的布氏黏度在T-OAPCMs相應(yīng)的摻量條件下較SBS改性瀝青分別下降了14.4%、21.4%、29.6%、32.7%，這表明摻入T-OAPCMs后相變改性瀝青布氏黏度下降速率較相變?yōu)r青更低，其高溫性能受T-OAPCMs摻量影響較小。溫度升至175 ℃后，各瀝青的布氏黏度顯著降低，高溫抗剪切能力下降。

圖2 各瀝青在不同溫度下的布氏黏度測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of Brookfield viscosity of asphalt at different temperatures

2.3 高溫流變性能

2.3.1 復(fù)數(shù)模量

本文通過(guò)溫度掃描試驗(yàn)測(cè)定相變?yōu)r青和相變改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和車轍因子G*/sinδ評(píng)價(jià)各瀝青的流變性能，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖4 各瀝青車轍因子-溫度關(guān)系圖Fig.4 Relationship diagram of rutting factor-temperature of asphalt

復(fù)數(shù)模量G*表征瀝青材料重復(fù)剪切變形時(shí)的總阻力，G*越大，瀝青在高溫下耗能越少，抵抗變形的能力越強(qiáng)[25,-26]。從圖3中可以看出，對(duì)于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，溫度升高，復(fù)數(shù)模量下降。究其原因在于溫度升高降低了瀝青分子間的作用力,瀝青從低溫高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷仞ち鲬B(tài)，瀝青中黏性部分增多，導(dǎo)致其恢復(fù)變形能力減弱，抗變形能力變差[27-28]。對(duì)于相變?yōu)r青和相變改性瀝青，當(dāng)T-OAPCMs摻量增加，復(fù)數(shù)模量隨之降低，說(shuō)明摻加T-OAPCMs使得瀝青的復(fù)數(shù)模量減小，抗剪切變形能力減弱；相變?yōu)r青和相變改性瀝青的復(fù)數(shù)模量隨溫度變化的趨勢(shì)基本相同，都隨著溫度上升呈減小的趨勢(shì)。與相變改性瀝青相比，不同摻量相變?yōu)r青各曲線間距較大，復(fù)數(shù)模量較低，這表明摻加T-OAPCMs對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能影響較大。

2.3.2 車轍因子

各瀝青車轍因子隨溫度變化關(guān)系見圖4。

由圖4可知，各瀝青車轍因子曲線的隨溫度變化規(guī)律同復(fù)數(shù)模量表現(xiàn)的規(guī)律一致。相比于基質(zhì)瀝青，13%T-OAPCMs摻量下的G*/sinδ在34，46，58，70 ℃下，分別下降了96.8%，95.1%，92.0%，82.3%；相較于SBS改性瀝青，13%T-OAPCMs摻量的G*/sinδ在34，46，58，70 ℃分別下降了89.4%，83.3%、76.6%，63.8%，表明SBS改性瀝青的G*/sinδ受T-OAPCMs摻量影響較基質(zhì)瀝青小。值得注意的是，當(dāng)摻量一定時(shí)，隨著溫度升高，各瀝青車轍因子不斷減小且曲線表現(xiàn)為“聚攏”的趨勢(shì)，證明溫度是影響車轍因子的重要因素。車轍因子G*/sinδ用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的高溫抗車轍能力，其值越大，說(shuō)明瀝青在高溫下的流動(dòng)變形越小，高溫性能更佳[29-30]，所以摻入T-OAPCMs會(huì)導(dǎo)致瀝青的高溫抗車轍性能降低，且溫度越高，瀝青高溫性能越差。

SHRP規(guī)定以未老化瀝青車轍因子G*/sinδ=1 kPa時(shí)的溫度為臨界溫度THS，通常用于確定瀝青高溫性能等級(jí)，計(jì)算得到各瀝青的臨界溫度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 各瀝青臨界溫度THSFig.5 Critical temperature THS of each asphalt

從圖5可以看出，摻入T-OAPCMs后相變?yōu)r青和相變改性瀝青的臨界溫度THS顯著降低，說(shuō)明T-OAPCMs降低瀝青的高溫穩(wěn)定性。相較于基質(zhì)瀝青，相變?yōu)r青在T-OAPCMs摻量為4%、7%、10%、13%下的臨界溫度分別下降了5.83，8.93，13.13，18.89 ℃；相比于SBS改性瀝青，相變改性瀝青在T-OAPCMs相應(yīng)摻量下的臨界溫度分別下降了3.55，4.24，6.51，8 ℃，可見T-OAPCMs摻量變化對(duì)基質(zhì)瀝青臨界溫度影響較大，且當(dāng)T-OAPCMs摻量一定時(shí)，相變改性瀝青臨界溫度相比于SBS改性瀝青下降的幅度明顯低于相變?yōu)r青相比于基質(zhì)瀝青，表明T-OAPCMs對(duì)SBS改性瀝青高溫性能影響較小。

2.3.3 疲勞因子

為了探究摻入T-OAPCMs對(duì)瀝青性能衰減和疲勞性能的影響，采用溫度掃描試驗(yàn)得到的疲勞因子G*·sinδ評(píng)價(jià)瀝青抗疲勞性能，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各瀝青疲勞因子-溫度關(guān)系圖Fig.6 Fatigue factor-temperature diagram asphalt

從圖6可以看出，各瀝青的疲勞因子G*·sinδ隨著溫度的變化趨勢(shì)基本相同，均隨著溫度的升高而減小，說(shuō)明溫度升高，瀝青中的黏性成分增多，抗疲勞性能提升。與相變改性瀝青相比，各摻量相變?yōu)r青疲勞因子曲線間距較大，表明相變?yōu)r青受T-OAPCMs影響較大。溫度越高，各瀝青疲勞因子下降的幅度變小，說(shuō)明過(guò)高的溫度對(duì)瀝青疲勞因子影響甚微；溫度恒定時(shí)，T-OAPCMs摻量增加使得瀝青的疲勞因子減小且摻量越大影響也越大，表明摻加T-OAPCMs可以提高瀝青的黏性成分，從而提高瀝青抗疲勞性能；當(dāng)摻量超過(guò)10%時(shí)，溫度變化對(duì)疲勞因子的影響不明顯。

3 結(jié) 論

以十四烷-正辛酸為芯材，采用原位聚合法制備十四烷-正辛酸相變微膠囊(T-OAPCMs)并制備不同相變微膠囊摻量的相變?yōu)r青和相變改性瀝青，通過(guò)三大指標(biāo)試驗(yàn)和布氏黏度試驗(yàn)測(cè)試瀝青的基本性能，并采用溫度掃描分析各瀝青的高溫流變性能，得到如下結(jié)論：

(1)T-OAPCMs可以增強(qiáng)瀝青塑性變形能力，改善瀝青的低溫性能，且摻量越多，改善效果越明顯，但降低了瀝青高溫抗變形能力。

(2)當(dāng)T-OAPCMs摻量增加時(shí)，相變?yōu)r青的布氏黏度、復(fù)數(shù)剪切模量G*減小，車轍因子G*/sinδ降低82%～97%左右，臨界溫度THS降低6～19 ℃，相變?yōu)r青抗剪切變形能力顯著下降。因此，在對(duì)T-OAPCMs相變?yōu)r青開展進(jìn)一步研究時(shí)，應(yīng)控制T-OAPCMs摻量。

(3)溫度上升使得相變?yōu)r青中黏性成分增多，抗疲勞性能提高；當(dāng)溫度恒定時(shí)，摻入T-OAPCMs會(huì)降低相變?yōu)r青的疲勞因子，抗疲勞性能得到改善，但其摻量超過(guò)10%后，溫度變化對(duì)瀝青抗疲勞性能影響不明顯。