基于动态剪切流变试验的硅粉/SBS复合改性沥青性能分析

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(1.东北林业大学土木工程学院, 黑龙江哈尔滨150040；2.东北林业大学黑龙江省道路结构与绿色生态技术重点实验室, 黑龙江哈尔滨150040；3.龙建路桥股份有限公司, 黑龙江哈尔滨150090)

0 引言

沥青材料温度敏感性强，高温情况下沥青路面容易产生车辙变形，在诸多研究中也都显现SBS改性沥青的优良性能[1-3]，高低温性能均能在一定程度满足路况要求，因此在实际工程中多应用SBS改性沥青。但是对于二次复合改性沥青的研究仍处于起步阶段[4-10]，我国硅粉储量丰富，同时硅粉又具有独特的微孔结构，热稳定性和吸附能力都很强，对硅粉作为改性剂制成改性沥青在之前的研究过程中已有大量成果[10-14]。本文立足于SBS改性沥青，以及硅粉作为改性剂的优良性能，将硅粉与SBS加入基质沥青中二次复合制成硅粉/SBS复合改性沥青，通过对复合改性沥青的性能进行研究，探究加入硅粉之后的复合改性沥青的性能变化。

1 试验材料及沥青制备

根据地域选择东北三省地区三种硅粉材料，与SBS复合制成改性沥青， SBS改性剂采用YH-791H(SBS1301)型，硅粉与SBS改性剂技术指标见表1和表2。

表1 三种硅粉主要技术指标Tab.1 Technical indicators of three silicon powders

为避免硅粉与SBS复合过程中出现分层、沉淀现象，采用以下方法制备改性沥青。将基质沥青加热到170～190 ℃，加入SBS改性剂剪切机剪切60 min，再加入硅粉搅拌机搅拌30 min。根据研究表明[15]，硅粉与SBS制成复合改性沥青的选择掺量为：SBS为4 %，硅粉为6 %。

2 试验数据集结果及分析

2.1 不同种类硅粉对复合改性沥青性能的影响

根据文献[16]试验方法，掺量为4 %的SBS改性沥青性能指标试验结果见表3。

表3 SBS改性沥青3大指标Tab.3 Three major indicators of SBS modified asphalt

选取的三种不同产地不同SiO2含量的硅粉根据制备工艺制成硅粉/SBS复合改性沥青，测定的三大指标试验数据结果见表4。

表4 三类硅粉/SBS复合改性沥青3大指标Tab.4 Three major indicators of silicon/SBS composite modified asphalts

从表3和表4可看出，硅粉的加入可有效改善复合改性沥青的高温性能，且当SiO2含量大于92 %的硅粉对改性沥青的性能有显著的提高，软化点、延度与针入度值均有明显变化，硅粉/SBS复合改性沥青的综合性能越好，在之后复合改性沥青的试验中可使用SiO2含量高的硅粉作为改性剂。

2.2 硅粉/SBS改性沥青流变性能

2.2.1 不同种类改性沥青的流变性能

本文通过动态剪切流变试验对基质沥青、硅粉改性沥青、SBS改性沥青和硅粉/SBS复合改性沥青进行对比研究，具体改性方案见表5。

表5 各类改性沥青改性方案Tab.5 Modification schemes of modified asphalts

基质沥青与三种改性沥青动态剪切流变试验数据结果见表6。

根据表6以及图1～2可得，

① 随着温度的升高，复数剪切模量G*以及抗车辙因子G*/sinδ均降低。在相同温度下，复数剪切模量G*以及抗车辙因子G*/sinδ的依次顺序为硅粉/SBS复合改性沥青>SBS改性沥青>硅粉改性沥青>基质沥青，这说明硅粉的加入可提高沥青的抗变形能力，降低沥青的温度敏感性[17]。

② 在试验过程中，相位角随着温度的变化以及改性剂的加入并未出现很大变化，这说明硅粉的加入，与沥青以及SBS不会发生化学变化产生新的物质，弹性、粘性成分组成比例不会发生明显变化。

③ 根据SHAP对临界温度的规定[3]，G*/sinδ与温度的关系式为ln(G*/sinδ)=lna-bT,其中a、b均为常系数，T为温度，因此得到四种沥青的临界温度，结果见表7。

从表7可看出，4种沥青的相关系数值均在0.989～0.999之间，说明在自然对数坐标下，G*/sinδ与温度具有很好的线性关系。b值也在0.065 7～0.125 9之间，且随着改性剂的加入之间降低，说明硅粉的加入可降低沥青对温度的敏感性，提高沥青材料的高温稳定性。

表6 4种沥青DSR试验结果Tab.6 DSR test results of four asphalts

图1G*与温度的关系
Fig.1RelationshipbetweenG*andtemperature

图2G*/sinδ与温度的关系
Fig.2RelationshipbetweenG*/sinδandtemperature

表7 四种沥青DSR试验临界温度Tab.7 Critical temperature of four asphalts

2.2.2 不同硅粉掺量对硅粉/SBS复合改性沥青流变性能影响

硅粉及加入可提高复合改性沥青的性能，现取2 %、4 %、6 %与8 %四种不同硅粉掺量进行DSR动态剪切试验，并评价不同硅粉掺量对硅粉/SBS复合改性沥青的影响，试验结果见表8。

表8 不同硅粉掺量DSR试验结果Tab.8 DSR test results of different silicon powder contents

从表8可看出：

① 随着硅粉掺量的增加，复数剪切模量G*与抗车辙因子G*/sinδ呈现先增后减的趋势 ，当掺量增大到6 %时达到最佳。这说明硅粉掺量的增加会提高复合改性沥青的抗变形能力，降低沥青的温度敏感性。

② 当硅粉掺量过大时，会使硅粉在沥青中出现过于集中的现象，致使复合改性沥青的抗变形能力减弱。这就解释了硅粉掺量达到8 %后G*与G*/sinδ会出现降低的现象。不同硅粉掺量下复合改性沥青的临界温度见表9。

表9 不同硅粉掺量复合改性沥青DSR试验临界温度Tab.9 Critical temperature of composite modified asphalt with different silicon powder contents

从表9可看出，各掺量的硅粉/SBS复合改性沥青临界温度均大于SBS改性沥青，随着硅粉掺量的增加，临界温度呈先增后减的趋势，硅粉掺量为6 %时为最佳临界温度，再增大到8 %后呈略微下降的趋势。因此当硅粉掺量为6 %时硅粉/SBS复合改性沥青，抗变形能力最大，温度敏感性最低。

硅粉/SBS复合改性沥青具有良好的流变性能主要原因在于：

① 在复合改性沥青改性过程中，硅粉、SBS与沥青属于物理混溶状态，不会发生化学反应产生新的物质。因此，在改性沥青中，硅粉作为改性剂仍然能够保留自身优良的材料性能。

② 硅粉堆积密度小，在剪切搅拌沥青胶浆过程中，可以均匀分散在沥青中，形成均匀连续的网状结构，相容性较好，不易发生分层、凝聚或者分离现象的性质[18]。

③ 硅粉作为无机材料，导热系数低，作为改性剂制成复合改性沥青，会降低复合改性沥青的导热系数，使其高温稳定性提高。

④ 硅粉粒径微小，比表面积大，吸附性强，可以提高分子间作用力，降低复合改性沥青的流动特性，提高抗变形能力[19]。

3 结论

本文选取三种不同产地不同SiO2含量的硅粉，通过制备工艺制成硅粉/SBS复合改性沥青，根据三大性能指标测定及DSR流变试验得到如下结论：

① 硅粉的加入有利于提高改性沥青的高温抗变形能力，复合改性沥青软化点提升，针入度降低，但延度值相对于SBS改性沥青略降低。

② 选取不同SiO2含量的硅粉制成的复合改性沥青,通过三大性能指标性能的测定,得到SiO2含量越高,改性沥青的软化点与延度均得到提升,即复合改性沥青的高温稳定性、低温抗裂性越好,并且SiO2超过92 % 的活性硅对提高复合改性沥青的性能有明显效果。

③ 通过动态剪切流变试验可看出，随着硅粉的加入，复数剪切模量G*与抗车辙因子G*/sinδ均有一定程度的提高。在相同温度下，复数剪切模量G*以及抗车辙因子G*/sinδ的依次顺序为硅粉/SBS复合改性沥青>SBS改性沥青>硅粉改性沥青>基质沥青，这说明硅粉作为改性剂使改性沥青具有很好的高温抗变形能力。

④ 随着硅粉掺量的增大，复数剪切模量与抗车辙因子呈先增大后减小的趋势，硅粉掺量为6 %时硅粉/SBS复合改性沥青的抗变形能力最高，温度敏感性最小，高温性能最优。