微表處用改性乳化瀝青高溫性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

摘要：文章為研究丁苯橡膠（SBR）摻量對(duì)改性乳化瀝青高溫性能的影響，對(duì)不同SBR摻量的改性乳化瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度、高溫剪切流變與車轍變形試驗(yàn)，分析其高溫性能影響趨勢(shì)，并通過灰色關(guān)聯(lián)法分析改性乳化瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、高溫流變性能與抗車轍性能的關(guān)系。結(jié)果表明：SBR的摻入能有效提高改性乳化瀝青的高溫性能，隨著SBR摻量的增加，改性乳化瀝青軟化點(diǎn)、復(fù)數(shù)剪切模量、車轍因子與臨界溫度呈上升趨勢(shì)，說明SBR摻量的增加可以有效提高改性乳化瀝青高溫抗車轍能力，降低其高溫敏感性；改性乳化瀝青混合料的抗車轍能力隨著SBR摻量的增加而提高；通過灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)可采用改性乳化瀝青的針入度與相位角（58 ℃）表征其抗車轍能力。

關(guān)鍵詞：SBR改性乳化瀝青；高溫剪切流變?cè)囼?yàn)；車轍變形試驗(yàn)；灰色關(guān)聯(lián)法

中圖分類號(hào)：U414.1A210694

0 引言

微表處是一種國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段常用的瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)，相較稀漿封層技術(shù)與薄層罩面技術(shù)，微表處施工時(shí)只需將混合料拌和均勻后攤鋪，不需要利用機(jī)器對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)，施工效率高并且可以在夜間施工；且微表處采用的乳化瀝青在常溫環(huán)境下便可進(jìn)行拌和與攤鋪，降低了瀝青在加熱過程中的能源消耗，符合我國(guó)雙碳戰(zhàn)略政策。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段對(duì)微表處研究成果頗豐，Jada A等［1］通過微電泳和光散射，發(fā)現(xiàn)SBS的含量可顯著改變軟化瀝青表面的顯著電位，使得乳液更均勻，改變其微觀結(jié)構(gòu)。徐劍等［2］為了提高微表處混合料的高溫性能，分析不同添加劑類型與摻量對(duì)微表處高溫性能的影響。季節(jié)等［3］通過濕輪磨耗試驗(yàn)和負(fù)荷輪粘附砂試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微表處處理后的各項(xiàng)路用性能均符合規(guī)范要求。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，針對(duì)微表處用的改性乳化瀝青高溫性能研究較少，并且大多數(shù)學(xué)者對(duì)于微表處用改性乳化瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)未考慮不同溫度對(duì)其性能的影響。因此如何更為合理地評(píng)價(jià)微表處用改性乳化瀝青的高溫性能，是保證微表處施工效果的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)之一。針對(duì)目前研究不足的情況，本文采用針入度、軟化點(diǎn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)對(duì)不同SBR摻量的微表處用改性乳化瀝青進(jìn)行高溫性能評(píng)價(jià)，并利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)其進(jìn)行分析，得到不同SBR摻量對(duì)改性乳化瀝青高溫性能的影響規(guī)律，提出符合實(shí)際使用情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 原材料

1.1 瀝青

本文采用的A90#基質(zhì)瀝青，主要性能指標(biāo)見表1。

1.2 改性劑

SBR改性劑是微表處混合料最常用的改性劑，能增大乳化瀝青黏度，提高微表處和混合料的高低溫性能。本文選用SBR主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 乳化劑

本文選用陽(yáng)離子慢裂快凝型乳化劑，主要性能指標(biāo)如表3所示。

1.4 集料

本文3～10 mm粒徑的粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r，其主要性能指標(biāo)見表4。

1.5 試驗(yàn)級(jí)配

微表處用礦料級(jí)配范圍如圖1所示。

1.6 乳化改性瀝青制備

將乳化劑加入到熱瀝青中，制成乳化瀝青，然后分別摻入2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的SBR，最終制得改性乳化瀝青。

2 試驗(yàn)方案

2.1 軟化點(diǎn)與針入度試驗(yàn)

參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中的針入度試驗(yàn)（T0604-2011）與瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)（T 0606-2011），對(duì)5種不同摻量的改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 高溫剪切流變?cè)囼?yàn)

參考瀝青流變性質(zhì)試驗(yàn)（T 0628-2011），對(duì)5種不同摻量的改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物進(jìn)行溫度掃描，試驗(yàn)溫度范圍為58 ℃～85 ℃，角頻率為10 rad/s。試驗(yàn)如下：（1）復(fù)數(shù)剪切模量G*表征瀝青抵抗變形的能力大小；（2）相位角δ表征瀝青的粘彈性比例；（3）車轍因子G*/sinδ表示瀝青抵抗永久變形能力；（4）TG*/sinδ為臨界溫度，通過溫度與車轍因子進(jìn)行擬合，得到車轍因子達(dá)到1.0 kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，用以確定瀝青的高溫性能等級(jí)，其值越高，高溫性能越好［4］；（5）溫度敏感性GTS是對(duì)復(fù)數(shù)模量G*與試驗(yàn)溫度進(jìn)行線性回歸，計(jì)算公式如式（1）所示，GTS的絕對(duì)值越大，表示瀝青的溫度穩(wěn)定性越差［5］。

lglgG*=GTSlgT+C（1）

2.3 車轍變形試驗(yàn)

參照稀漿混合料車轍變形試驗(yàn)（T 0756-2011），對(duì)5種不同摻量的改性乳化瀝青制得的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗(yàn)，負(fù)荷為56.7 kg，碾壓頻率為44次/min，碾壓總次數(shù)為1 000次。以車轍深度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，車轍深度越大，混合料的高溫穩(wěn)定性和抗車轍能力越弱。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 軟化點(diǎn)與針入度試驗(yàn)

對(duì)不同摻量改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物進(jìn)行針入度與軟化點(diǎn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，改性乳化瀝青殘留物的針入度隨SBR的摻量增加而降低，軟化點(diǎn)則提高。隨著SBR摻量的增加，改性乳化瀝青的針入度分別降低了6.06%、2.40%、2.30%、4.09%、2.62%，而軟化點(diǎn)則分別增加16.74%、3.17%、5.78%、6.31%、4.49%。當(dāng)SBR摻量從0提升至2.0%時(shí)，針入度與軟化點(diǎn)的變化幅度最大，表明SBR的摻入，顯著提高了乳化瀝青的高溫性能。這主要是由于SBR的溶脹反應(yīng)增加了瀝青分子的運(yùn)動(dòng)阻力，并形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效抵抗高溫變形。

3.2 高溫剪切流變?cè)囼?yàn)

對(duì)不同SBR摻量的改性乳化瀝青殘留物進(jìn)行高溫剪切流變?cè)囼?yàn)，結(jié)果如下：

（1）如圖3所示，不同SBR摻量的改性乳化瀝青均隨著溫度升高而復(fù)數(shù)模量G*下降，且呈現(xiàn)聚攏趨勢(shì)，SBR的摻量越高，在相同溫度下的復(fù)數(shù)模量G*越大。這說明摻入的SBR有效改善改性乳化瀝青的高溫性能，主要是SBR的摻入及溶脹作用增加了瀝青分子的運(yùn)動(dòng)阻力。隨著摻量的不斷增加，復(fù)數(shù)模量突然增加，主要是因?yàn)镾BR在瀝青結(jié)構(gòu)中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了其高溫性能。

（2）隨著溫度提高，相位角δ不斷提高，且變化趨緩，但在同一溫度下，相位角隨著SBR摻量的增加而降低。如圖4所示，瀝青的彈性主要由膠質(zhì)組分決定，黏性主要是由蠟含量決定。蠟在低溫環(huán)境下為固態(tài)，但隨著溫度的升高會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，導(dǎo)致瀝青的黏性成分增大，溫度越高越接近于黏性體，從而相位角越大，而SBR膠乳摻量增加可以有效提高抵抗高溫變形能力。SBR顆粒吸收油分后充分溶脹，油分的減少可以促使改性乳化瀝青的膠體結(jié)構(gòu)從有溶膠型向溶-凝膠型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致彈性成分增加，在高溫環(huán)境下抵抗車轍能力變強(qiáng)。

（3）如圖5所示，不同SBR摻量的改性乳化瀝青殘留物的車轍因子隨著試驗(yàn)溫度的升高而不斷降低，且呈現(xiàn)聚攏趨勢(shì)，說明溫度越高，抗高溫車轍能力越弱，不同摻量之間的差距不斷降低。而在同一溫度下，隨著SBR摻量的增加，車轍因子不斷提高，表明SBR摻量越多，改性乳化瀝青的抗高溫車轍性能越好。

（4）隨著SBR摻量的增加，改性乳化瀝青的臨界溫度顯著提高。如圖6所示，相較于2.0%的SBR摻量，摻量為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%下的臨界溫度分別上升了0.48 ℃、4.2 ℃、4.8 ℃、5.7 ℃，表明SBR的摻入可以有效提高改性乳化瀝青的高溫性能，且當(dāng)SBR摻量gt;2.5%時(shí)，幅度有顯著提升。這主要是由于當(dāng)SBR摻量過低時(shí)，SBR之間未能形成有效的網(wǎng)絡(luò)，而隨著SBR摻量的增加，SBR顆粒之間不斷連接形成網(wǎng)絡(luò)，提高了其高溫穩(wěn)定性。

（5）如表5所示，隨著SBR摻量的增加，GTS值不斷下降，表明SBR的加入，可以有效降低改性乳化瀝青的溫度敏感性，且摻量越高，溫度敏感性降幅越大，其高溫性能越好，這也與車轍因子、臨界溫度變化規(guī)律相符。

3.3 車轍變形試驗(yàn)

對(duì)不同SBR摻量的改性乳化瀝青進(jìn)行車轍變形試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

隨著作用次數(shù)的增加，車轍變形率呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，但SBR摻量越大的車轍變形率越低。如圖7所示，不同SBR摻量的車轍變形率均隨著荷載作用次數(shù)的增加而增加，這與路面受力變形規(guī)律相符合。在1 000次作用下，SBR摻量從2%提高至4%，車轍變形率則從9.40%下降至5.66%，表明SBR摻量的增加能提高混合料的抗車轍能力，并且當(dāng)SBR摻量gt;3.5%時(shí)，可以顯著提高瀝青的抗車轍能力，這與車轍因子變化規(guī)律相一致。

3.4 高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)法分析

通過灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體流程如下：

（1）確定參考數(shù)列和比較數(shù)列，其中參考數(shù)列記為X0=X0（1），X0（2），…X0（n）[JB）}]；比較數(shù)列記為Xi=Xi（1），Xi（2），…Xi（n）[JB）}]。

（2）對(duì)參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行無(wú)量綱化，本文采用的處理方法為初值法。

由表6可知，針入度和相位角（58 ℃）與1 000次車轍作用下的車轍變形率的關(guān)聯(lián)度最高，表明針入度和相位角可以作為乳化改性瀝青的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。其他評(píng)價(jià)指標(biāo)與車轍變形率的關(guān)聯(lián)度較低，因此可采用針入度和相位角指標(biāo)評(píng)價(jià)SBR改性乳化瀝青的抗車轍能力。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）SBR的摻入能有效提高改性乳化瀝青的高溫性能，改性乳化瀝青的軟化點(diǎn)隨著SBR摻量的增加而提高，針入度則降低。

（2）隨著SBR摻量的增加，相位角與溫度敏感性不斷降低，而復(fù)數(shù)模量、車轍因子與臨界溫度增加，表明SBR摻量的增加可以有效提高改性乳化瀝青高溫抗車轍能力，降低其高溫敏感性。

（3）改性乳化瀝青混合料的抗車轍能力隨著SBR摻量的增加而提高。

（4）通過灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)可采用改性乳化瀝青的針入度與相位角（58 ℃）表征其抗車轍能力。建議今后工程中以該兩項(xiàng)指標(biāo)作為瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

［1］Jada A，Akbour R A，Soubigou C，et al.Microstructural changes in bitumen by SBS copolymer and its effects on polymer-modified bitumen emulsions properties［C］.5th World Congress on Emulsions，2010.

［2］徐 劍，黃頌昌，秦永春，等.添加劑對(duì)微表處混合料抗車轍性能改善效果的研究［J］.石油瀝青，2010，24（3）：11-14.

［3］季 節(jié)，劉祿厚，索 智，等.水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青微表處性能［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，37（5）：23-30.

［4］馬 峰，祝崇鑫，傅 珍，等.基于流變特性的復(fù)合相變調(diào)溫瀝青性能評(píng)估［J］.功能材料，202 53（9）：9 108-9 114.

［5］Yang X，Shen A，Guo Y，et al.Effect of process parameters on the high temperature performance and reaction mechanism of CRMA［J］.Petroleum science and technology，2018，36（19）：1 537-1 543.

收稿日期：2023-10-11

作者簡(jiǎn)介：陳遠(yuǎn)鵬（1992—），工程師，主要從事路基、路面、巖土、養(yǎng)護(hù)工程研究工作。