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有关聚合物复合改性沥青高低温流变试验研究

2020-02-25 227 上传者：管理员

摘要：文中探究和分析了未老化复合改性沥青及其胶浆性，采用的方法为动态剪切的流变试验､弯曲梁的流变试验和测力延度试验等。结果表明：在高温流变力学性能方面复合改性沥青优于常规SBS改性沥青，综合考虑粉胶比对复合改性沥青胶泥的高温､低温流变性质的影响趋势，确定粉胶比上限范围为1.6，较适宜的粉胶比为1.4。

关键词：
复合改性沥青
流变力学
聚合物
胶浆
道路工程
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1、前言

沥青路面已成为我国道路的主要路面结构类型[1]。作用在沥青路面结构的荷载复杂多变与反复作用，路面材料受到拉力和压力交替作用，静力学指标不能全面､准确地反映和描述其力学行为。材料流变学是研究沥青弹性､粘性､流动变形的有效手段。沥青改性可以改善沥青的流变性能[2-4]。对改性沥青尤其是复合改性性能的评价，一直在不断进行中[5]。改性沥青在不同的温度和荷载情况下既可看作弹性体，又可能呈现线粘弹性状态。因而用传统指标很难有效评价改性沥青的流变性能[6]。沥青和矿粉混合构成沥青胶浆，它是沥青混合料的重要组成部分，胶浆中的结构组成决定沥青混合料的性能[7]。在粉胶比合适的情况下，沥青胶浆内部结构沥青的量增加，使得沥青的粘附性能变好[8]。本文研究所用的复合改性沥青是在SBS改性基础上作进一步改性，并研究其流变性能。本文采用动态剪切流变､弯曲梁流变和测力延度试验等方法，对复合改性未老化沥青及其胶浆性能展开试验研究，将复合改性沥青与常规改性沥青的流变性能做对比分析，同时确定适宜的粉胶比。

2、试验

试验所用复合改性沥青是橡胶经化学裂解后的胶乳和SBS复合改性的沥青。40目的橡胶粉粒径为0.45mm，密度为1.26g/cm3，主要成分是橡胶烃即聚异戊二烯，含量在90%以上。掺量经前期研究确定:40目的橡胶粉的质量掺量为21%，SBS质量掺量为2%。基质沥青先预热至195℃左右，再把橡胶粉和SBS同时加入高剪切机，以3000rp/min的转速进行强劲搅拌60min。复合改性沥青的微观结构形貌如图1所示。

图1复合改性沥青微观结构照片

图中可见，发亮小团是未溶解的橡胶粉颗粒，颗粒较小，但颗粒大小及其分布较均匀，共混物的分散度较细，总体均匀性也较好，此照片中不可见SBS组分。

2.1 高温流变试验

沥青路面承受周期性的动载荷作用，动态力学行为是一种更接近于材料实际使用条件的粘弹性行为，动态剪切流变试验适合研究其应变或应力随时间的变化情况。将一定量的复合改性沥青加热至160℃，向其中加入处于室温的石灰石矿粉，用小型搅拌设备搅拌30min确保混合均匀。在路面设计最高温度下，未老化沥青抗车辙因子G*/sinδ≥1.00kPa。旋转薄膜烘箱老化后，沥青抗车辙因子G*/sinδ≥2.20kPa。压力老化后沥青粘性分量G*sinδ≤5000kPa[9]。试验中未老化状态沥青和RTFOT(旋转薄膜烘箱)试验残留物的目标应变值分别取为12%和10%。将沥青加热到160℃，取样浇注后放置在烘箱的固定板和直径为25mm的旋转轴中间，移动顶板保持间隙为1000μm并恒温15min。流变试验的设备震荡速度为10rad/s。

2.2 低温流变试验

低温流变试验仪器即弯曲梁流变仪(BBR)，用蠕变荷载模拟路面材料温度下降时的应力，测量沥青小梁试样的劲度。BBR试验参数包括描述沥青抵抗恒载能力的蠕变劲度和描述加载后沥青劲度变化速率的m值。采用8字试模制备试件。

2.3测力延度

试验采用的测力延度仪加装了测力传感器和数据采集系统。测力传感器的精度等级为0.05。数据采集系统可生成拉力-位移图，试验拉伸速度为5cm/min。

在评价指标上，采用拉力峰值､延度或拉力-位移曲线面积(表征沥青粘韧性)三者中任何单一的指标，来反映沥青的低温抗裂性能效果都不理想。一定程度上，拉伸柔量(D/Fmax)可用来评价沥青的低温性能，可采用直线试模法以测力-变形曲线下的面积来评价该性能。测力延度更适宜于评价改性沥青性能。根据沥青测力延度的测力-变形曲线形状，将拉力峰值状态(拉力峰值Fmax､峰值位置D0及功W0)､拉伸长度L､曲线斜率(上升段K0和下降段K1)及拉伸过程中各阶段做功状况(总功W､表征粘韧性的W1和W2)定义为曲线的代表值，其中W0=SOPD､W1=SOPN､W2=SNPQM､W=W1+W2，见图2所示，取韧性比RT/V=W2/W1，拉伸柔量=L/Fmax作为延伸评价指标。

图2测力-变形曲线示意图

3、试验结果与分析

3.1 复合改性沥青的性能测定结果

3.1.1 高温流变性

复合改性沥青DSR试验(动态剪切流变试验)结果见表1。

表1未老化复合改性沥青､RTFOT残留物DSR试验结果

已有研究成果[10]表明，由DSR试验得到的G*(复数剪切模量)､G′(弹性模量)､G″(粘性模量)和G*/sinδ等指标与温度T相关，相关公式为:lnG=a-blnT(1)式中:G分别代表G*､G′､G″和G*/sinδ，a､b是回归系数。|b|值的大小反映G对T变化的敏感程度，|b|值越大，沥青感温性越强。另一方面，相位角δ也与温度T显著相关，且符合关系式:δ=-c+dlnT(2)式中，c､d是回归系数。温度升高，δ值增大，这表明温度升高，沥青的性能更接近粘性材料。式(1)､(2)中的回归系数数值见表2。试验及回归分析表明，G值随T升高而迅速下降，δ值随T升高而增大，其中弹性模量G′的|b|值较大，这表明其对温度变化更为敏感，温度的升高更主要是影响了复合改性沥青的弹性性质。将复合改性沥青的DSR试验回归方程的系数与SBS改性沥青的试验结果进行比较，可知复合改性沥青的感温性比SBS改性沥青弱。经RTFOT后，残留物的|b|值有所增大，这表明

表2沥青DSR试验的各项指标与温度回归方程系数

经短期老化的沥青感温性增强;δ′值显著增大(见表1)，这表明残留物的弹性模量G′增大得更多，这将有利于提高其抗车辙能力。将试验结果与SBS改性沥青[5]进行对比，结果表明经热老化后的残留物感温性仍较SBS改性沥青弱，且SBS改性沥青的d值(见表2中d值)增幅远大于复合改性沥青，这表明SBS改性沥青经热老化后的弹性成分增大得更多。

引入抗车辙因子比TR，TR=(G*/sinδRTFOT)/(G*/sinδ未老化)。TR值越大，表明短期老化使改性沥青的抗车辙因子增大的幅度就越大，进而表明抗短期老化性能越差。同时用损失正切tanδ=G″/G′表示粘弹性材料的粘性和弹性的比例关系。在最高路面设计温度下沥青的损失正切越小越好，但不能通过老化获得较小的损失正切值。引入损失正切比tanR这一参数，来表示RTFOT前后改性沥青的粘性和弹性比例的变化，tanR=tanδRTFOT/tanδ未老化。tanR越大说明沥青老化后柔性越好，也就是老化后弹性比例越大。复合改性沥青､基质沥青､SBS改性沥青的抗车辙因子比TR､损失正切比tanR见表3。从表中可见，随着温度的升高，TR值逐渐减小，这表明在高温条件下，沥青抗车辙因子的增幅减缓。将试验结果与基质沥青和SBS试验结果进行对比，复合改性沥青的TR值比基质沥青和SBS改性沥青的值小，表明其抗短期老化的性能更好。对比tanR的大小，可看出对短期抗老化性能的影响是复合改性沥青和SBS改性沥青明显优于基质沥青，复合改性沥青的tanR值最大，抗短期老化能力最强。

3.1.2 低温流变性

复合改性沥青､SBS改性沥青的BBR试验结果见表4。复合改性沥青的蠕变劲度随温度降低而增大，在温度低于-18℃时的增幅明显变大;表征蠕变速率的蠕变劲度变化速率m值逐渐减小，这说明松弛能力变差。低温劲度值小，松弛速率值大的沥青的低温性能好。由表4可知，复合改性沥青的低温性能优于SBS改性沥青。

3.1.3 测力延度

复合改性沥青的测力延度试验结果见图3和表5所示。

试验结果表明，随着试验温度的升高，其最大拉力呈下降趋势，15℃的拉力仅为5℃拉力的1/5，拉伸长度呈增加趋势，15℃的拉伸位移较5℃和10℃有明显增大。随着试验温度的增加，表征测力—变形曲线的斜率K0和|K1|逐渐减小，这反映沥青的粘韧性和韧性也逐步减小，沥青的拉伸柔量呈增加趋势，反映了沥青的脆性减小。三个温度的拉力峰值D0基本位于同一位置，粘韧性比(RT/V=W2/W1)变化不大，说明用该指标描述沥青的低温抗裂性比较可行。

表4未老化复合改性沥青的BBR试验结果

3.2 复合改性沥青胶浆的性能

动态剪切试验是建立在线粘弹性假设的基础上的[10，11]，具有相应粘弹性范围。沥青胶浆的线粘弹范围比沥青的更小。文献[5]表明矿粉沥青胶浆应变值小于1.2%时，应变处于线粘弹性能范围。试验中所用填料为石灰石矿粉，因此将沥青胶浆DSR试验的应变值设为1.0%。

复合改性沥青胶浆DSR试验结果见表6。

结果表明随着温度的升高，各粉胶比下的沥青胶浆各类模量G值迅速减小。相位角增大表示沥青胶浆具有和沥青单体相似的温度敏感性[10]。随着粉胶比增大，在相同温度条件下抗车辙因子G*/sinδ持续增大，说明粉胶比增加可以改善胶浆的高温稳定性。弹性模量G′增长幅度较为有限。随着粉胶比的增长，粘性模量G″则增幅较大，表明在此粉胶比范围内的沥青胶浆仍主要呈现粘性特征。增加粉胶比可以有助提升其高温稳定性，当粉胶比大于1.6时，抗车辙因子G*/sinδ和弹性模量G′的增幅较为明显。复合改性沥青胶浆的低温弯曲梁流变试验结果见图4。从图中可见，随粉胶比增大，胶浆蠕变劲度S不断增大，m值逐渐减小。当粉胶比大于1.6时，胶表6复合改性沥青胶浆DSR试验结果浆蠕变劲度S显著增大，这反映了复合改性沥青的低温性能变差。而当粉胶比大于1.4时，蠕变劲度变化速率m值下降幅度明显趋缓;松弛速率从0.308变成0.303，随着粉胶比的增大，m值逐渐减小，这反映随着粉胶比的增大，沥青胶浆的松弛能力减小，一旦温度剧烈变化，沥青容易产生开裂，也就是复合改性沥青的抗疲劳性能会受到影响。粉胶比过大也会对复合改性沥青胶浆性能带来不利影响，粉胶比不宜超过1.6。综合考虑粉胶比对复合改性沥青胶泥的高温､低温流变性质的影响趋势，确定粉胶比上限范围为1.6，较适宜的粉胶比为1.4。

4、结论

1. 较之SBS改性沥青，复合改性沥青提高了胶浆界面连续性力学性能，感温性弱，其抗短期老化性能更优。与基质沥青､SBS改性沥青相比，复合改性沥青的抗短期老化能力最强。

图4粉胶比-BBR试验结果关系曲线图

2. 复合改性沥青有比较理想的高温流变力学性能。

3. 随粉胶比增大，复合改性沥青针入度､5℃延度和弹性恢复呈现下降趋势，而软化点和延度呈现增大趋势，各感温性指标与粉胶比具有良好相关性。增加粉胶比有助于提升沥青高温稳定性，当粉胶比大于1.6时，抗车辙因子G*/sinδ和弹性模量G′的增幅较为明显。为了兼顾高温､低温性质的粉胶比上限范围为1.6，较适宜的粉胶比为1.4。

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