基于有機-無機改性劑的改性瀝青流變性能研究

摘要：為評價不同改性劑對瀝青流變性能的影響，文章選擇有機和無機改性劑制備不同類型的改性瀝青，通過時間掃描試驗、多重應力蠕變與恢復（MSCR）試驗和彎曲梁流變（BBR）試驗，并基于Burgers模型，對不同類型改性瀝青在不同溫頻下的流變性能進行評價和比較研究。結果表明：有機改性劑改性瀝青的高溫穩定性、抗疲勞性能和低溫抗裂性，均明顯優于無機改性劑改性瀝青，且無機改性劑因其硬化效果對瀝青的低溫性能有不利影響；基于Burgers模型提出的低溫評價指標，與常規BBR試驗指標相比，更能真實表征改性瀝青的低溫性能。研究結果對工程實體優選和應用不同類型改性瀝青具有參考價值。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；有機改性劑；無機改性劑；流變性能；Burgers模型

U414.1A230733

0 引言

隨著國內道路建設的發展和伴隨交通量的急劇增加，改性瀝青因其優異的路用性能得到廣泛應用［1-2］。瀝青改性劑一般可分為兩大類：有機改性劑和無機改性劑［3-4］。在有機改性劑中，常用的是SBS、橡膠粉和SBR等［5-7］。近年來，無機改性劑也逐漸成為道路工作者的研究熱點，且無機改性劑具有環保、可再生性和經濟等優點，一般無機改性劑包括納米材料，如蒙脫土、硅藻土和二氧化硅等［8-10］。盡管目前對各種改性瀝青的性能研究已經非常普遍，但針對有機改性劑和無機改性劑對瀝青性能的評價和比較仍然不足。基于此，分別選擇有機改性劑和無機改性劑，有機改性劑為SBS、橡膠粉和SBR;無機改性劑為納米二氧化硅、納米氧化鋁、納米蒙脫土。基于流變學和粘彈性學理論，采用時間掃描試驗、MSCR試驗和BBR試驗，分別評價和比較6種不同改性瀝青的流變性能，通過Burgers模型分析改性瀝青的低溫流變性能，并以此建立相應的低溫抗裂評價指標。

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

采用東海牌70#道路石油瀝青作為基質瀝青，其性能指標如表1所示。分別選擇SBS、橡膠粉、SBR、納米二氧化硅、納米氧化鋁、納米蒙脫土作為瀝青改性劑。改性劑的性能指標如表2～7所示。

1.2 改性瀝青制備

參考以往文獻，選定改性劑的摻量和剪切條件，采用高速剪切機等試驗設備制備相應的改性瀝青，包括未老化瀝青和老化瀝青試件。各種改性瀝青制備的技術參數如下頁表8所示。老化瀝青的制備分為短期老化和長期老化，短期老化瀝青是通過旋轉膜加熱試驗（RTFOT）模擬短期老化過程，試驗溫度和時間分別為163 ℃和85 min；長期老化瀝青是采用壓力老化儀試驗（PAVT）模擬長期老化過程，試驗溫度和時間分別為100 ℃和20 h。

1.3 試驗方法

1.3.1 時間掃描

采用動態剪切流變儀的時間掃描模式，以評價各種改性瀝青的中溫抗疲勞性能。時間掃描基于控制應變加載方式，加載應變水平分別為3%、4%和5%，試驗溫度設置為20 ℃，加載時間和加載頻率分別為10 000 s和10 rad/s，并根據復數模量降低50%作為疲勞破壞點。

1.3.2 MSCR試驗

基于車轍因子在瀝青高溫性能評價的局限性，根據AASHTO TP70-12標準，采用MSCR試驗對各種改性瀝青的高溫抗車轍性能進行表征。MSCR分為兩個應力加載階段，即0.1 kPa和3.2 kPa。在不同應力狀態下反映瀝青在受力和卸力狀態下的變形特性，MSCR的測試溫度和保溫時間分別設置為60 ℃和15 min，評價指標為不可恢復蠕變柔量（Jnr）和彈性恢復率（R）。

1.3.3 BBR試驗

采用BBR試驗評價各種改性瀝青的低溫抗裂性能。BBR瀝青小梁試件規格（長×寬×高）為127 mm×6.35 mm×12.7 mm，試驗溫度分別設置為-12 ℃和-18 ℃。測定BBR小梁試件的撓度，并計算蠕變勁度（S）和蠕變速率（m）作為評價指標。

2 結果與討論

2.1 中溫抗疲勞性能

6種改性瀝青和基質瀝青的時間掃描試驗結果如圖1所示。由圖1可知，隨著應變水平的增加，各種改性瀝青的疲勞壽命降低，而疲勞壽命下降的趨勢不同，這與改性劑在瀝青基體中的性能表征有關。其中，SBR-C的疲勞壽命隨著應變水平的增加下降最快，而無機改性劑改性瀝青疲勞壽命隨著應變水平的增加下降最慢。同時，還可以發現，與基質瀝青相比，無論改性劑的種類，改性瀝青的疲勞壽命均大于基質瀝青。SBR-C在4%應變水平下的疲勞壽命最高，CR-B在5%應變水平下的疲勞壽命最高，這是因為有機改性劑中含有碳化物，可以提高改性瀝青在中溫下的抗疲勞性能，而NS-D、NA-E和NM-F等無機改性劑改性瀝青的疲勞壽命明顯低于有機改性劑改性瀝青。這是因為有機改性劑具有交聯組分，交聯程度足夠高，使其具有“記憶力”。當聚合物發生疲勞破壞后，交聯組分相互作用，一旦壓力被移除，交聯組分能恢復到初始狀態，從而改善瀝青的疲勞性能。無機改性劑由于其具有高比表面積，能夠促進自身與瀝青的均勻分散性，從而可以改善瀝青的流變性能和力學性能。

2.2 高溫抗車轍性能

圖2和圖3顯示了6種改性瀝青和基質瀝青的MSCR試驗結果，瀝青Jnr值越小且R值越大表明其耐高溫變形和恢復能力越好。由圖2和圖3可知，在不同應力條件下，不論改性劑種類，改性瀝青的Jnr值均小于基質瀝青，且R值均高于基質瀝青，這說明本文所用的改性瀝青均具有更好的抗變形和變形恢復能力。將無機改性劑改性瀝青和有機改性劑改性瀝青進行比較，可以發現有機改性劑改性瀝青的Jnr值遠小于無機改性劑改性瀝青，說明有機聚合物對瀝青高溫性能的改性效果更好。這是因為有機聚合物對瀝青的改性，主要作用在粘彈性流體與牛頓流體過渡的區域，即有機改性劑能通過擴大瀝青膠結料抗車轍的溫度范圍，從而改善瀝青的粘彈性流變性質，而無機改性劑對瀝青的力學性能的改善更多是自身的物理特性所產生的吸附和粘結效果。

2.3 低溫抗裂性能

改性瀝青和基質瀝青在-12 ℃和-18 ℃溫度下的BBR試驗結果如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，隨著溫度的降低，瀝青的S值逐漸增大，瀝青試件逐漸硬化，這是由粘彈性向彈性體轉變的過程，瀝青內部產生的溫度應力變大，低溫時容易出現裂縫。添加不同改性劑后，改性瀝青的S值隨溫度的變化趨勢基本一致，但其數值不同。SBR-C的S值在低溫時最小，即SBR對瀝青的低溫抗裂性能改善最好。瀝青的m值的變化規律與S值不同，從圖5中可以看出，瀝青的m值隨著溫度的升高而增大。這是因為測試溫度降低，改性瀝青的彈性成分占主導使其產生開裂現象，黏性成分決定瀝青的蠕變速率，因此，瀝青的m值越大表明瀝青越粘稠，越不容易開裂。SBR-C的m值最大，說明SBR改性瀝青的低溫性能最好。與有機改性劑改性瀝青相比，無機改性劑改性瀝青的低溫性能較差，這是因為有機聚合物可以提高瀝青在低溫下的延展性，而無機改性劑的硬化效果對瀝青的低溫性能有不利影響。

2.4 Burgers模型低溫參數分析

瀝青在低溫環境下會出現松弛和蠕變現象，這是瀝青材料固有的粘彈性性質。采用Burgers模型研究瀝青材料的低溫流變特性，根據力學性能來確定各種改性瀝青的應力應變關系。Burgers模型的蠕變方程可歸納為式（1）：

εt=σ1E1+1η1t+1E21-e-E2tη2（1）

式中：t——加載時間；

ε——應變；

σ——應力；

E1、η1——麥克斯韋爾模型的彈性、阻尼系數；

E2、η2——開爾文模型的彈性、阻尼系數。

松弛時間可反映瀝青的應力與時間的變化關系，一般來說，松弛時間越長，瀝青內部應力消散越慢，低溫開裂的可能性越高。基于Burgers模型，松弛時間（λ）的計算公式如式（2）所示：

λ=η1E1（2）

耗散能比（Wd/Ws）可表征瀝青的能力儲備和耗散性能，基于Burgers模型，儲存能（Ws）和耗散能（Wd）的計算公式如式（3）～（4）所示：

Wst=σ201E1+12E21-2e-E2tη2+e-2E2tη2（3）

Wdt=σ201η1+12E21-e-2E2tη2（4）

式中：σ0——BBR試驗的試樣跨中加載應力。

將BBR試驗結果代入式（1）得到Burgers模型擬合參數，如表9和表10所示，將Burgers模型擬合參數分別代入式（2）～（4），相關試驗結果如圖6和后頁圖7所示。由表9和表10可知，Burgers模型對BBR試驗結果有較好的擬合關系，擬合的相關系數R2均在0.95以上，說明采用Burgers模型表征不同改性瀝青的低溫性能是合理的。隨著溫度的降低，彈性模量E1和E2的值變大，瀝青的η1和η2值也增大，說明瀝青內部產生的應力隨著溫度的降低而增大，且瀝青內部黏性組分隨溫度的降低而逐漸減小，其應力松弛能力逐漸降低。

由圖6和圖7可以看出，隨著測試溫度的增加，改性瀝青的松弛時間減少，而耗散能比增加，這是因為測試溫度增大會使瀝青分子的粘聚力減少，瀝青的應力松弛能力增加而耗散能比減少，這與BBR試驗結果相同。同時，與BBR試驗的評價指標S值和m值不同，采用松弛時間或耗散能比作為改性瀝青的低溫評價指標更加明顯。由圖6和圖7還可知，改性瀝青的松弛時間由小到大順序為SBR-C＜CR-B＜SBS-A＜NS-D＜NA-E＜NM-F，耗散能比由大到小順序為SBR-C＞CR-B＞SBS-A＞NS-D＞NA-E＞NM-F，說明SBR對瀝青的低溫抗裂性提升最大，而納米蒙脫土對瀝青的低溫抗裂性提升最小。

3 結語

（1）MSCR和時間掃描試驗結果表明，6種改性劑均能提高瀝青的高溫抗變形能力和中溫抗疲勞性能。有機改性劑對瀝青高溫性能的改善程度明顯優于無機改性劑，且在不同應變水平下相同改性劑對瀝青的疲勞性能改善效果不同。

（2）BBR試驗結果表明，SBS、SBR和橡膠粉均顯著改善了瀝青的低溫性能，而納米二氧化硅、納米氧化鋁和納米蒙脫土削弱了瀝青的低溫性能。基于Burgers模型，建立松弛時間和耗散能比作為低溫指標的關系，與常規BBR評價指標相比，松弛時間和耗散能比更能真實表征瀝青的粘彈性低溫性能。

（3）改性劑的加入使改性瀝青的宏觀和微觀聯系更加復雜，改性瀝青的流變性能是改性劑和瀝青相互作用的結果，因此后續研究應采用微觀試驗分析瀝青與不同改性劑之間的作用機理。

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