SBS改性瀝青膠漿的黏彈性對瀝青混合料和易性的影響

袁守國，李 靖，胡 健，于 新，陳 貝

(1 江蘇現代路橋有限責任公司，江蘇 南京 210049；2 河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

瀝青混合料是由顆粒性的碎石集料和具有黏彈性的瀝青膠漿(砂漿)等組成的一種黏彈性材料，因其具有良好的路用性能而被廣泛應用于路面工程[1-2]。瀝青膠漿的黏度及流變特性對瀝青混合料的和易性起著至關重要的影響，但是瀝青膠漿的性能對瀝青混合料和易性的影響原因尚不清楚[3]。

目前， 研究者也對瀝青混合料和易性的評價方法及指標做了大量研究[4-5]。張琛等[6]使用自行研發的和易性測試設備評價橡膠瀝青混合料的拌和扭矩，研究發現壓實特性與和易性直接有很強的關聯性。延西利等[7]通過變速拌和功率測試和拌和流變模型評價不同瀝青混合料的和易性，研究結果顯示瀝青混合料的拌和流動特性受拌和黏度的影響。諸多研究中提出了定量評價瀝青混合料和易性的指標及方法，但極少考慮拌和的黏彈特征，忽略了瀝青膠漿作為瀝青混合料組成結構的作用，因此有必要從瀝青膠漿黏彈性的角度分析瀝青混合料的和易性[8]。

本研究的目的是探究SBS改性瀝青膠漿黏彈性對瀝青混合料和易性的影響，首先利用三種粉膠比(0.8、1.2、1.6)以及SBS改性瀝青制備了瀝青膠漿，分析了瀝青膠漿的基本性能和流變性能，利用旋轉黏度值、復數剪切模量、抗車轍因子等指標評價瀝青膠漿的黏彈性能。其次，研發一種新的瀝青混合料和易性測試設備，基于平均扭矩值提出和易性評價指標，并分析了瀝青膠漿的黏彈性能與和易性的關聯性。

1 原材料

1.1 瀝青

本研究采用SBS含量為5%的SBS改性瀝青，具體技術指標見表1。

表1 SBS改性瀝青技術性能Table 1 Technical properties of SBS modified asphalt

1.2 混合料級配設計

本研究中瀝青混合料級配設計為AC-20，油石比為4.2%。粗細集料均為玄武巖，填料為石灰巖磨細后的礦粉，瀝青混合料的級配曲線如圖1所示。

圖1 礦料的AC - 20級配曲線Fig. 1 AC-20 Gradation curve of mineral aggregate

2 試驗方案

2.1 瀝青混合料和易性測試設備及評價方法

采用全自動瀝青混合料拌和機（型號BH-20，華南實驗儀器）進行瀝青混合料拌和實驗，在此設備的基礎上進行改進加工，采用功率較大的三相異步電動機，使拌和速度更加穩定，在攪拌扇葉的轉軸上加裝了扭矩傳感器，可實時測量拌和扭矩值，通過自行研發的扭矩值采集軟件與傳感器連接，以此實現扭矩值實時動態記錄[9]。改裝后的全自動瀝青混合料拌和設備如圖2所示。

圖2 研發的和易性測試裝置模型Fig.2 Scheme of the workability test device developed

本研究提出使用拌和過程的平均扭矩值作為和易性指標，和易性指標Ta的計算如公式(1)所示：

式(1)中：Ta為拌和平均扭矩值；T1、T2、.......Tn-1、Tn為拌和實時扭矩值；n為拌和實時扭矩值的數量。

2.2 試驗方法

2.2.1 瀝青膠漿性能測試

（1）瀝青膠漿基本性能測試

首先探究不同瀝青膠漿的基本性能，依據AASHTO和ASTM的技術規范要求，對瀝青膠漿進行25℃針入度、軟化點、5℃延度和10℃延度測試。

（2）瀝青膠漿黏度測試

瀝青膠漿的黏度是其關鍵的性能指標，使用Brookf ield型旋轉黏度儀（型號NDJ-ID）測試瀝青膠漿在120、135、140、160、180 ℃時的布氏黏度。

（3）瀝青膠漿流變性能測試

動態剪切流變實驗(DSR)通過測試瀝青膠漿的復數剪切模量和相位角表征材料的黏彈特性，同時能夠更好地反映瀝青膠漿的高溫變形性能。利用動態剪切流變儀（型號TA-AR1500，TA Instruments Company），對瀝青膠漿在46、52、58、64、70、76、82 ℃的試驗條件下進行溫度掃描試驗。分析瀝青膠漿的復數剪切模量G*、相位角δ和抗車轍因子G*/sinδ等高溫性能指標的變化規律，以表征瀝青膠漿的黏彈特性。

2.2.2 瀝青混合料和易性測試

采用定速拌和的方式對瀝青混合料進行拌和試驗并測試其拌和扭矩值。在電氣控制板設定拌和溫度為180℃，拌和時間設定為180s，依次裝入集料和瀝青膠漿，同時開啟扭矩傳感器并與數據采集軟件連接。連接成功后，開始實驗并采集數據。扭矩傳感器可進行扭矩的實時采集與顯示，采集頻率為20次/s。扭矩顯示量程為0～24 N·m，精度為±0.1N·m。

3 結果與分析

3.1 瀝青膠漿性能評價

3.1.1 瀝青膠漿基本性能分析

瀝青膠漿的常規性能結果如圖3所示。

圖3 瀝青膠漿基本性能Fig. 3 The conventional properties of asphalt mortar

由圖3可看出，隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的軟化點逐漸增大，針入度和延度不斷減小，說明礦粉摻量的增加可以改善瀝青膠漿的高溫性能和高溫抗變形能力，但使瀝青膠漿的低溫性能降低。軟化點的增大說明礦粉摻量的增加可以增強瀝青膠漿的黏結力和硬化程度，使其高溫性能得到提升；針入度的減小說明礦粉摻量的增加使得瀝青膠漿更加稠硬，高溫抗變形能力得到改善；延度的減小說明礦粉摻量的增加使得瀝青膠漿脆性增加，低溫性能降低[10]。

3.1.2 瀝青膠漿黏度分析

不同瀝青膠漿的黏度結果如圖4所示。

由圖4可看出，隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的黏度均明顯增大。隨著溫度的升高，每種瀝青膠漿的黏度逐漸減小，黏度隨著粉膠比增大而增大的趨勢變緩。試驗結果表明，礦粉摻量的增加可以顯著提升瀝青膠漿的黏度，礦粉摻量越多對瀝青膠漿的黏度提升越顯著[11]。在瀝青膠漿的制備過程中，瀝青與礦粉發生交互作用后會在礦粉表面形成一層結構瀝青，隨著粉膠比的增大，結構瀝青比例增加，瀝青膠漿的黏度隨之增大。當粉膠比從1.2增大至1.6時，每種瀝青膠漿黏度增長幅度變小，這是由于粉膠比增大時，礦粉顆粒未能被瀝青均勻裹附從而使膠漿的黏度受到影響。

3.1.3 瀝青膠漿黏彈性分析

瀝青膠漿的黏彈性能指標結果如圖5所示。

圖5 瀝青膠漿的G*、δ 和 G*/sinδFig. 5 The G* , δ and G*/sin δ of asphalt mortar

由圖5可知，測試溫度相同時，隨粉膠比的增大，瀝青膠漿的復數剪切模量（G*）、相位角（δ）和抗車轍因子（G*/sinδ）均逐漸增大。粉膠比相同時，隨溫度的升高，每種瀝青膠漿的復數剪切模量和抗車轍因子逐漸減小，相位角逐漸增大。礦粉摻量的增加使得瀝青膠漿的彈性增大，黏性減小，從而瀝青膠漿的高溫穩定性得到改善。當溫度逐漸升高時，瀝青膠漿的復數剪切模量變化速率減小，說明高溫時瀝青膠漿逐漸黏性表現突出，抵抗車轍變形的能力減弱[12]。在溫度較低時，隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的相位角的變化范圍很小，隨著溫度的升高，這種差距逐漸增大，說明粉膠比的增大在低溫時對膠漿黏性的提升十分有限，而溫度越高對黏性改變越突出。同一粉膠比下，相位角越小，說明瀝青膠漿彈性更突出，隨著溫度的升高，相位角增大，說明溫度越高時，瀝青膠漿的黏性表現突出，更易變形。

抗車轍因子（G*/sinδ）表示瀝青膠漿抵抗永久變形的能力，其值越大，表示瀝青膠漿的流動變形越小。礦粉摻量的增加可以明顯改善瀝青膠漿抵抗流動變形的能力，使其抗車轍性能得到提高。礦粉有著較大的比表面積，礦粉摻量的增加使瀝青與礦粉之間物理化學作用產生的結構瀝青比例增加，從而增強了瀝青膠漿的黏結力和強度，改善了其高溫穩定性[13]。在粉膠比相同時，抗車轍因子的增長幅度隨溫度的升高逐漸降低，這是由于在溫度升高時，瀝青的黏性性質更加突出，由于瀝青黏性成分的增長消弱了礦粉對瀝青膠漿彈性成分的影響，從而使增長幅度降低。粉膠比大于0.8時，瀝青膠漿高溫性能穩定提升，因此綜合考慮瀝青膠漿的高溫穩定性，粉膠比應達到0.8以上。

3.2 瀝青膠漿對瀝青混合料和易性影響

3.2.1 瀝青混合料的和易性變化規律

不同瀝青混合料的和易性指標Ta變化規律如圖6所示。由圖6可知，隨著粉膠比的增大，每種瀝青膠漿的拌和平均扭矩值Ta明顯增大，這是由于礦粉摻量的增加使瀝青膠漿的黏度增大，瀝青膠漿與集料膠結作用變強，拌和扇葉所受到的阻力變大，在全拌和過程中傳感器記錄的拌和實時扭矩值增大，和易性指標也隨之增大。隨著粉膠比的等比增大，瀝青混合料的和易性指標Ta以勻速穩定增長。

圖6 瀝青膠漿的和易性指標Fig. 6 Workability index of asphalt mortar

3.2.2 瀝青膠漿黏度與和易性關聯性

本研究采用提出的瀝青混合料和易性評價指標Ta與瀝青膠漿180℃時的旋轉黏度進行線性關聯分析，關聯分析結果如圖7所示。

圖7 黏度與和易性指標關聯性分析Fig. 7 Correlation analysis of workability index with viscosity

從圖7可以看出，Ta與瀝青膠漿的黏度相關性極強，相關系數為0.9912。綜合分析，可以使用瀝青膠漿的旋轉黏度來預測瀝青混合料和易性的好壞。

3.2.3 瀝青膠漿黏彈性與和易性關聯性分析

瀝青混合料和易性指標Ta與瀝青膠漿在76℃測試的復數剪切模量G*的線性關聯分析結果如圖8所示。

圖8 G*與和易性指標關聯性分析Fig. 8 Correlation analysis of workability index with G* at 76℃

由圖8可知，Ta與復數剪切模量G*的關聯性極強，相關系數R2=0.9987。由于在高溫測試條件下，瀝青為黏流態，瀝青膠漿的黏性大于彈性，黏性性質表現突出，而粉膠比的變化對瀝青的自身黏性的影響較小，所以隨著粉膠比的增大，黏度越大的瀝青膠漿在拌和過程中對瀝青混合料和易性的影響越大[14]。

瀝青混合料和易性指標Ta與瀝青膠漿在76℃測試的相位角δ的線性關聯分析結果如圖9所示。

圖9 δ與和易性指標關聯性分析Fig. 9 Correlation analysis of workability index with δ at 76℃

由圖9可知，Ta與相位角δ的關聯性極強，相關系數R2=0.9987。隨著瀝青膠漿相位角δ的增大，瀝青膠漿的黏性越好，在拌和過程中的阻力越大，和易性指標越大。由圖中亦可知，瀝青膠漿相位角增大的同時混合料和易性指標Ta也逐漸增大，說明了瀝青膠漿的黏度增大會使瀝青混合料的和易性變差。

瀝青混合料和易性指標Ta與瀝青膠漿在76℃測試的抗車轍因子（G*/sinδ）的線性關聯分析結果如圖10所示。

圖10 G*/sinδ與和易性指標關聯性分析Fig. 10 Correlation analysis of workability index with G*/sinδ

由圖10可知，Ta與抗車轍因子（G*/sinδ）的關聯性極強，相關系數R2=0.9974。瀝青膠漿的抗車轍因子隨著粉膠比的增大而增大，其高溫穩定性在不斷提升，相應瀝青混合料的和易性指標增大，說明瀝青膠漿高溫抗變形能力的提升會使瀝青混合料不易拌和，和易性變差。

4 結論

（1）研發的瀝青混合料和易性測試設備能夠準確合理地反映不同瀝青混合料和易性的變化規律，基于拌和平均扭矩提出的和易性評價指標具有適用精準性。

（2）粉膠比越大，瀝青膠漿的高溫性能越好，低溫性能變差，抗變形能力增強。

（3）瀝青膠漿的黏度與瀝青混合料和易性評價指標的關聯性極強，一定程度上可反映瀝青混合料和易性的變化規律。

（4）復數剪切模量（G*）、相位角（δ）和抗車轍因子（G*/sinδ）與瀝青混合料和易性評價指標的關聯性很強，瀝青膠漿黏彈性能的變化直接影響瀝青混合料的和易性。