基于DSR/DSC对泡沫沥青性能研究

郭鹏，何圳，谢凤章，孟建玮，韦万峰，3

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.河南省济阳高速公路建设有限公司，河南 济源 476435；3.广西交通科学研究院，广西 南宁 530000)

泡沫沥青技术是将热沥青和少量的室温洁净水加入到发泡腔内，水遇到热沥青急剧汽化，使沥青的体积迅速膨胀，形成亚稳定的泡沫沥青[1]。由于泡沫沥青中存在许多起润滑作用的小泡沫，所以泡沫沥青的粘度低，在低温条件下也能充分裹覆在集料表面。泡沫沥青具有能耗低、性能好、成本低、无污染等优点[2-3]。

由于泡沫沥青中残留水分将会对沥青性能产生一定的影响，本文结合已有的研究成果，基于DSR和DSC研究发泡过程对泡沫沥青的高、中、低温性能、粘度的影响以及对温度变化的敏感性影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

中石油昆仑牌70号基质沥青和SBS改性沥青，主要性能指标见表1；发泡用水为室温洁净水。

表1 沥青性能指标测试结果

发泡机(由恒温箱和发泡装置组成，发泡装置由沥青泵、沥青回流阀、温度传感器、控制柜、水容箱以及沥青储罐等部分构成)，由山东路科公司提供，发泡机的主要技术指标见表2；DHR-2型动态剪切流变仪；DSC214差示扫描量热仪。

表2 发泡设备规格参数

1.2 泡沫沥青制备

70号基质沥青和SBS改性沥青发泡设定温度分别是155，175 ℃，发泡用水量设定为1%～2%，气流量为1.5 m3/h。发泡机预热到设定温度，倒入加热沥青，沥青通过沥青泵及回流阀自动循环，开启注水器，将管路内部空气排出，同时注水进入混合器，压缩空气通过出气阀进入混合器，沥青最终与水、空气在混合器中混合发泡。

2 结果与讨论

2.1 高温剪切流变特性

2.1.1 泡沫沥青高温性能研究 采用动态剪切流变仪(DSR)进行测试，选用DSR的控制应变模式中的温度扫描测试方法对泡沫沥青进行研究[4]。实验基本参数：测试温度60～80 ℃，温度间隔为5 ℃，每个温度测试时间为6 min，频率10 rad/s，应变10%，平行板直径25 mm，发泡用水量选择1%，1.5%，2%，结果见表3、表4。

由表3、表4可知，沥青发泡前后的车辙因子G*/sinδ存在一定程度的下降，原因是泡沫沥青中残留水分使得沥青软化。当实验温度相同时，发泡用水量越高，泡沫沥青的车辙因子G*/sinδ将变小，其高温性能有一定程度的降低。相同实验参数条件下，与基质泡沫沥青相比，SBS改性泡沫沥青的车辙因子G*/sinδ大约是其2倍，表明SBS改性泡沫沥青的高温性能更优。其主要原因是SBS聚合物在沥青中形成了连续相，使沥青中的重组分与聚合物相相互物理交联，改善沥青的粘弹性。

表3 基质泡沫沥青不同实验条件下的车辙因子

表4 SBS改性泡沫沥青不同实验条件下的车辙因子

2.1.2 泡沫沥青温度稳定性研究 采用动态剪切流变仪(DSR)的控制应变模式对沥青进行温度扫描实验，实验温度为40～80 ℃。研究表明[5-8]将 logG′与logT进行线性回归，可以得到一元一次方程，通过回归方程斜率就能评价沥青对温度变化的稳定性，方程斜率的绝对值越小，沥青的温度稳定性越好，其中G′和T分别为复数储能模量和开氏温标。logG′与logT之间的线性关系见图1、图2。

由图1、图2可知，沥青发泡前后的复数储能模量G′的对数与开氏温标T的对数的线性回归相关性好，其相关系数都接近1。基质沥青的回归方程斜率的绝对值为49.9，当发泡用水量为1%，1.5%，2.0% 时，方程斜率的绝对值分别为50.1，48.7，48.6。表明随发泡用水量的增加，基质泡沫沥青的温度稳定性是先降低，然后再提高，大致上变化不大。SBS改性泡沫沥青的回归方程斜率的绝对值为35.4，当发泡用水量为1%，1.5%，2.0%时，方程斜率的绝对值分别为38.28，37.62，37.3，说明随着发泡用水量的增加，SBS改性泡沫沥青的温度稳定性存在略微降低，原因是沥青中残留水分降低了泡沫沥青的粘弹性。与基质泡沫沥青相比，SBS改性泡沫沥青的线性回归方程斜率的绝对值均<49.9，表明SBS改性泡沫沥青在40～80 ℃时，其温度稳定性更好，泡沫沥青的性能也更加的稳定。主要原因是SBS改性剂加入到基质沥青中，经过一系列的物理变化，使得SBS聚合物极性偏向于胶质。

图1 基质泡沫沥青复数储能模量(G′)对数与温度(T)对数关系(W为发泡用水量)

图2 SBS改性泡沫沥青复数储能模量(G′)对数与温度(T)对数关系(W为发泡用水量)

2.1.3 泡沫沥青粘度研究 采用动态剪切流变仪(DSR)的温度扫描实验模式来研究泡沫沥青粘度随用水量的变化的影响，实验参数：温度为60～80 ℃、发泡用水量为0%～2%。粘度变化曲线见图3、图4。

图3 基质泡沫沥青高温粘度

图4 SBS改性泡沫沥青高温粘度

由图3、图4可知，当实验温度一定时，发泡过程将会降低沥青的粘度，所以泡沫沥青可适用于温拌技术。当用水量从1%提高到2%时，发现基质泡沫沥青的粘度基本无变化，而SBS改性泡沫沥青的粘度存在一定程度的下降。当实验温度升高时，泡沫沥青中残留水分减少，沥青发泡前后的粘度逐渐相等。在相同温度和用水量条件下，与基质泡沫沥青相比，SBS改性泡沫沥青的粘度更高，对集料的黏附性更好，路用性能更佳。

2.2 疲劳特性

采用DSR的Time-sweep模式研究沥青发泡前后疲劳性能的变化，将复数模量减少到初始模量一半时的作用次数(Nf50)作为疲劳性能的评价指标[9-11]。实验参数：温度为25 ℃，应变为5%，实验频率为10 Hz，发泡用水量为1.5%，平行板直径8 mm。沥青的疲劳寿命变化见图5、图6。

图5 基质泡沫沥青的加载次数

图6 SBS改性泡沫沥青的加载次数

由图5、图6可知，基质沥青与基质泡沫沥青的加载次数分别为3 820次、2 301次，SBS改性沥青发泡前后的加载次数分别为7 342次、7 025次，说明发泡过程将导致沥青的耐久性下降。原因是泡沫沥青中残留水分影响了沥青相的连续性。

基质沥青发泡前后加载次数差距较大，而SBS改性沥青发泡前后加载次数差距较小，说明SBS改性沥青的疲劳稳定性更好。与基质泡沫沥青相比，SBS改性泡沫沥青的实验加载次数大约是它的3倍，原因是SBS改性剂中的聚合物构成了具有弹性的空间三维网状结构。

2.3 低温特性

采用差示扫描量热仪(DSC)进行测试。实验参数：保护气(N2)流量50 mL/min，冲扫气65 mL/min，升温速率为15 K/min，温度扫描范围是-50～100 ℃，发泡用水量为1.5%。热流率随温度变化关系曲线见图7。

由图7可知，沥青经过发泡之后，其玻璃态转变温度Tg均有一定程度的提高，说明发泡过程将会导致沥青的低温抗裂性变差。原因是由于泡沫沥青中残留的水分冻结了其分子链，限制了其运动能力。

图7 热流率与温度关系曲线

与基质泡沫沥青相比，SBS改性泡沫沥青的玻璃态转变温度Tg大约降低15 ℃，表明SBS改性泡沫沥青的低温抗裂性更好。原因是由于SBS改性剂中聚合物的玻璃态转变温度Tg为-15 ℃左右，给予了SBS改性泡沫沥青良好的低温特性。

3 结论

(1)流变特性实验表明，发泡过程将导致泡沫沥青的高温性能和粘度下降，提高发泡用水量，泡沫沥青的高温性能和粘度将逐渐降低，对基质泡沫沥青的温度稳定性影响不明显，而对SBS改性泡沫沥青的温度稳定性存在提高。与基质泡沫沥青相比，SBS改性泡沫沥青的高温性能和温度稳定性更好。

(2)疲劳性能实验表明，由于残留水分的持续作用，发泡过程将导致沥青的耐久性下降。与基质泡沫沥青相比，SBS改性泡沫沥青的耐久性更好。

(3)通过低温实验结果发现，由于泡沫沥青中残留着少量的水分，发泡过程将导致泡沫沥青的玻璃态转变温度Tg略微升高，其低温性能降低。较基质泡沫沥青而言，SBS改性泡沫沥青的玻璃态转变温度大约低了15 ℃，具有更好的低温抗裂性。

(4)由于泡沫沥青的粘度低，所以可以实现低温条件下拌和，能降低二氧化碳排放，减少污染，节约成本但基质泡沫沥青的高温性能、疲劳性能以及低温性能较普通沥青有一定程度下降，SBS改性泡沫沥青略有降低。