高粘度改性沥青的制备与性能研究

金塬上

辽宁省交通科学研究院有限责任公司 辽宁沈阳 1 1 0 0 0 0

1 高粘度改性沥青相关论述

排水沥青路面是指压实后空隙率在18%-25%，能够在沥青混凝土内部形成排水通道的路面结构，具有排水、防滑、降噪等使用优点，在当今城市内涝严重、国家大力发展“海绵城市”的大背景下具有重要推广价值。由于排水沥青路面特殊的大空隙结构，因此需要高粘度的改性沥青提供优异的胶结作用，进一步实现其路面使用功能。本文以基质沥青和SBS改性沥青为基体胶结料，采用自主研发的高粘度改性剂（TPS-1）和国外某对比产品（TPS-2）为改性剂分别制备高粘度改性沥青。用流变仪通过剪切速率扫描、温度扫描、频率扫描和应变扫描等实验，考察改性沥青的粘弹性等流变参数变化，探究了高粘度改性沥青的高低温性能，为高粘度改性沥青的选择和应用提供参考。

2 实验

2.1 试验材料

沥青：分别为韩国SK70#基质沥青和中石化泰州石化SBS改性沥青。自制高粘度沥青改性剂（TPS-1）：由弹性体加以增粘、增容、增塑等组分，通过双螺杆挤出机共混造粒加工制备而成；对比高粘度沥青改性剂（TPS-2）：日本某公司产品。

2.2 改性沥青制备方法

将70#基质沥青加入盛样器中并保持温度在180℃，分别加入沥青质量12%的2种不同高粘度改性剂。采用剪切机以4500r/min高速剪切0.5h，并放入180℃烘箱中发育0.5h，完成后立即浇模进行相关实验；用SBS改性沥青制备高粘度改性沥青的方法与以上制备方法相同，只是2种改性剂掺量均为沥青质量的10%。4种改性沥青分别命名为：12%TPS-1、12%TPS-2、10%TPS-1（SBS）、10%TPS-1（SBS）。

2.3 流变试验

方法采用AntonPaarMCR102流变仪对4种改性沥青分别进行稳态流变试验和动态流变试验。

（1）稳态试验：采用PP25转子，剪切速率扫描范围为10-4-102s-1，温度为60℃。

（2）动态试验：①温度扫描分别采用PP08（-30-30℃）和PP25（25-80℃）转子，应变分别为0.1%和1%，升温速率为1℃/min，频率为10Hz；②频率扫描采用PP25转子，应变为1%，角频率为1-100rad/s，温度为60℃；③应变扫描采用PP25转子，应变为1%-50%，频率为10Hz，温度为60℃[1]。

3 结果与分析

3.1 剪切速率对改性沥青粘度的影响

高粘度沥青的60℃粘度是一个很重要的指标参数，对排水沥青路面大空隙结构的粘结性、抗飞散能力等路用能力至关重要。目前高粘度沥青粘度测试方法有动力粘度、布氏粘度等，但是动力粘度测试存在剪切速率不确定的问题，而布氏粘度60℃测量方法繁琐且粘度值采用间接外推的方法得到，以上2种粘度测试方法均会影响测试结果的准确性。零剪切粘度采用流变仪进行剪切速率扫描测试，定义粘度平台区域为零剪切粘度，测试结果具有简单快速、准确性较高、合理性强的特点。

在低剪切速率下改性沥青粘度基本不变，之后随剪切速率增大粘度逐渐降低，符合改性沥青粘度的剪切变稀特性。其中在10-3-10-2s-1剪切范围内，粘度基本为平台区，将此范围粘度平均值定义为零剪切粘度。通过数据可以计算出12%TPS-1样品的零剪切粘度为51406Pa·s，远大于国外对比样12%TPS-2的23894Pa·s。同等掺量下，自主研发高粘度改性剂制备的改性沥青零剪切粘度为国外某对比样品的2倍多。用SBS改性沥青替换基质沥青对高粘度改性剂改性后，10%TPS-1（SBS）样品的零剪切粘度为93288Pa·s，仍远大于10%TPS-2（SBS）的53375Pa·s[2]。此外，以TPS-1样品为例，可以发现用SBS改性沥青替换基质沥青制备高粘度改性沥青，在降低改性剂掺量的前提下，零剪切粘度从51406Pa·s大幅度增加至93288Pa·s。

3.2 温度对改性沥青高低温性能的影响

沥青是一种温度敏感材料，使用性能受环境高低温影响较大，因此研究温度对改性沥青性能的影响很有必要。图2为在低温条件下，4种改性沥青的温度扫描曲线。

图1 不同改性沥青的低温扫描曲线

其中，通过耗能模量G″曲线的转折点可以得到改性沥青的玻璃化转变温度（Tg）。Tg是表征沥青胶体从玻璃态到高弹态转变的温度，一般Tg越低，改性沥青低温性能越好。

从图1可以得出，12%TPS-1样品的Tg为-21.5℃，低于12%TPS-2样品的-17.0℃，说明12%TPS-1样品的低温性能较好。

同理，用SBS改性沥青制备改性沥青10%TPS-1（SBS）样品（Tg为-22.7℃）的低温性能仍好于10%TPS-2（SBS）（Tg为-19.0℃）。此外对于同一种改性剂，用SBS改性沥青替换基质沥青后，Tg降低，低温性能有相应的提高。

图2和图3分别为基质沥青和SBS沥青制备的高粘度改性沥青在高温范围内的温度扫描曲线。

图2 基质沥青制备的高粘度改性沥青高温扫描曲线

图3 SBS沥青制备的高粘度改性沥青高温扫描曲线

由图2、图3可见：

（1）随温度升高，4种改性沥青的车辙因子均逐渐减小，符合改性沥青高温软化的特性。对于12%TPS-1和12%TPS-2样品，可以发现在测试温度范围内，12%TPS-1的车辙因子大于12%TPS-2，说明自主研发高粘度沥青改性剂制备的改性沥青高温性能较优。对于10%TPS-1（SBS）和10%TPS-2（SBS）样品，同样可以得出10%TPS-1（SBS）的车辙因子大于10%TPS-2（SBS），但两者相差不大。

（2）TPS-1样品制备的改性沥青的相位角均小于TPS-2样品。而相位角反映沥青材料的粘弹性比例，相位角越小，材料弹性占比越强，在高温条件下更不容易变形，与TPS-1抗车辙能力较强相符。

以TPS-1样品为例，由SBS改性沥青替换基质沥青制备高粘度改性沥青后可以发现，在40-70℃范围内，12%TPS-1样品的车辙因子大于10%TPS-1（SBS），可能是在此温度范围内改性剂掺量发挥主导作用；在70-80℃范围内12%TPS-1样品的车辙因子小于10%TPS-1（SBS）样品，可能是因为12%TPS-1样品在高温条件下受温度影响相对更大，抗车辙性能没有10%TPS-1（SBS）样品稳定[3]。

4 结语

通过剪切速率扫描实验，可以发现同等掺量条件下自主研发的高粘度改性剂在粘度方面有明显优势；通过SBS改性沥青替换基质沥青制备改性沥青，在保证零剪切粘度的前提下可以降低改性剂掺量，从而达到节省成本的目的。在高温扫描范围内TPS-1改性剂的车辙因子均大于TPS-2，因而自主研发产品抗车辙能力较强。此外，可以根据路面实际环境温度选择是否用SBS改性沥青替换基质沥青制备改性沥青；当路面温度大于70℃时，用SBS改性沥青制备的高粘度改性沥青其抗车辙性能更好。