高黏改性沥青胶浆黏弹性力学行为分析

祝斯月， 臧 濛， 廖梦回， 秦先涛

(1.武汉轻工大学土木工程与建筑学院, 武汉 430032; 2.武汉理工大学交通学院, 武汉 430070)

现代胶浆理论认为，沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系，其中以填料为分散相，分散在沥青介质中所形成的微分散系——沥青胶浆的性能对混合料性能的影响最为显著，是混合料结构稳定性和耐久性的关键所在[1-3]。排水沥青混合料，其骨架空隙结构决定了其沥青结合料(高黏改性沥青)与矿粉组成的高黏改性沥青胶浆的组成结构与黏弹性能对维护其混合料的稳定及综合路用性能的发挥起决定性作用[4-5]。高黏改性沥青本身具有独特的优异黏弹特性，其性能受材料本身分子链结构和凝聚态结构的影响，在高黏改性沥青中加入矿粉，其微观结构变成非均质体，性能变化非常显著。通过研究高黏改性沥青胶浆的黏弹力学行为，分析其黏弹力学指标随温度、荷载等外部因素的变化规律，有利于揭示高黏改性沥青胶浆在行车荷载作用过程中的实际力学表现，为优化排水沥青混合料的材料组成，提高其综合路用性能打下基础。

1 试验用原材料

1.1 沥青

为了分析沥青性质对高黏改性沥青胶浆性能的影响，采用国创牌改性沥青(GC)，Tafpack-Super高黏改性沥青(TPS)，以及自主研制高黏改性沥青(SHVA)，其主要技术性质见表1。其中高黏改性沥青的黏度指标采用前期研究中提出的60 ℃零剪切黏度大于20 000 Pa·s为评价标准[6-7]。

表1 沥青性能试验结果Table 1 The test results of properties of asphalts

1.2 矿粉

矿粉采用磨细的石灰石粉，其技术性质见表2。

表2 矿粉的技术性质Table 2 The properties of mineral powder

2 试验方法

采用Bohlin Gemin Ⅱ型动态剪切流变仪(DSR)对GC、TPS和SHVA三种改性沥青分别在0.8、1.0、1.2、1.4和1.6五种粉胶比下制备的15种改性沥青胶浆，进行温度扫描试验和频率扫描试验。温度扫描试验采用控制应力模式，试验板直径为25 mm，间距为1 mm，频率为10 rad/s，试验温度为40～80 ℃。频率扫描的试验温度为70 ℃，荷载作用频率的变化范围为0.1～100 rad/s(0.015 9～15.9 Hz)。

3 试验结果与讨论

3.1 温度扫描试验

对上述15种改性沥青胶浆进行温度扫描试验，分析温度T对沥青胶浆的相位角(δ)、复数剪切模量(G*)和车辙因子(G*/sinδ)的影响。试验结果如图1～图3所示。

图1 各沥青胶浆相位角随温度的变化Fig.1 The change of the phase angles of different asphalt mortars with temperature

从图1可以看出，三种沥青胶浆的δ随温度变化曲线区别显著。GC胶浆的δ随温度的升高而增大，这是因为胶浆中的沥青随温度的升高逐步向流体转变，导致胶浆的黏性成分比例逐渐增大，其高温抗变形能力下降。而TPS胶浆与SHVA胶浆的δ起初随着温度的升高而增大，但温度从70 ℃升高到80 ℃时，反而减小。这与高黏改性沥青的性质有关。此时，高黏改性沥青胶浆的弹性基本上由高黏改性沥青中的高性能聚合物改性剂所提供，在该临界温度下聚合物改性剂的活性被激发，因此两种高黏改性沥青胶浆的δ反而出现下降，表现出弹性突增的现象[8]。可见，沥青的性质对高黏沥青胶浆的弹性性质起主导作用。在相同温度下，三种沥青胶浆的δ均随着粉胶比的增大而明显减小，其高温抗变形能力增强。综合可见矿粉的加入并未改变高温时高黏改性沥青对胶浆弹性的主导地位，但矿粉的增加能有效提高胶浆的弹性成分，从而提高其高温抗变形能力。

随着温度的升高，三种沥青胶浆的δ变化幅度不同。其中，GC胶浆δ随温度的变化幅度最大；TPS胶浆其次；SHVA胶浆最小。而表1中SHVA的零剪切黏度最大，TPS其次，GC最小，可见增大沥青的零剪切黏度可有效提高沥青胶浆中的弹性成分的比例，降低弹性性能对温度变化的敏感性，从而提高胶浆在高温下的变形恢复能力。

图2 各沥青胶浆复数剪切模量随温度的变化Fig.2 The change of the complex shear moduli of different asphalt mortars with temperature

从图2可以看出，三种沥青胶浆的G*随温度变化曲线形状基本一致，随着温度升高G*出现大幅度的减小，胶浆的劲度减小流动性增强，变形中不可恢复变形部分的比例增大，更容易产生永久变形。

相同温度下，三种沥青胶浆的G*均随粉胶比的增加而显著增大，直到粉胶比大于1.4后G*的增幅才逐渐减小。矿粉能够劲化沥青胶结料，提高其黏度，随着矿粉含量的增加，沥青胶浆受到剪切时的总阻力增加，抵抗变形的能力增强。当粉胶比大于1.4后，继续增加矿粉的含量对提高胶浆的G*作用不明显。

温度及粉胶比相同时，TPS胶浆与SHVA胶浆的G*要远大于GC胶浆。可见沥青的性质对G*影响显著，采用高黏改性沥青可以有效增加沥青胶浆的G*，进而改善其高温性能。

图3 各沥青胶浆车辙因子随温度的变化Fig.3 The change of rutting factors of different asphalt mortars with temperature

从图3可以看出，相同温度下随着粉胶比增大，三种沥青胶浆的G*/sinδ均显著增大，直到粉胶比大于1.4后增幅才逐渐减小。这是因为随着矿粉含量的增大，吸附的沥青也就越多，沥青中自由沥青的数量相对减少结构沥青的比例逐渐增加，抵抗高温变形的能力增强[9]。并且，胶浆中固体成分增多使胶浆的黏度增大，高温时流动变形减小，抗车辙能力增强。

温度及粉胶比相同时，TPS胶浆与SHVA胶浆的G*/sinδ远大于GC胶浆，可见高黏改性沥青对胶浆G*/sinδ的改善作用明显，增大沥青的零剪切黏度可以大幅度提高沥青胶浆的G*/sinδ。而SHVA胶浆的G*/sinδ又略大于TPS胶浆，这主要是因为SHVA胶浆中沥青的弹性成分的比例要大于TPS胶浆。

温度升高，所有沥青胶浆的G*/sinδ曲线变化趋势均一致，当温度从40 ℃上升至60 ℃时，各沥青胶浆的G*/sinδ随温度的升高急剧下降，随后G*/sinδ的下降幅度逐渐减小。其中SHVA胶浆的G*/sinδ随温度升高而减小的幅度要小于TPS胶浆和GC胶浆，其感温性最小。

3.2 频率扫描试验

荷载作用频率f对沥青胶浆的力学性能影响显著。在低频作用下，沥青胶浆的黏性性能更为突出，而在高频作用下，沥青胶浆弹性性能更为突出[10]。为了研究高黏改性沥青胶浆在不同荷载频率作用下的动态力学性能，对上述15种改性沥青胶浆进行动态频率扫描试验。试验结果如图4～图6所示。

图4 各沥青胶浆相位角随频率的变化Fig.4 The change of the phase angles of different asphalt mortars with frequency

从图4可以看出，频率相同，三种沥青胶浆的δ均随粉胶比的增大而减小，这表明在一定范围内矿粉的含量越大，胶浆中弹性成分越大，可恢复变形的能力也就越强。但三种沥青胶浆的δ随粉胶比的减小幅度是不同的。GC胶浆和TPS胶浆随粉胶比的增大δ的减小幅度要大于SHVA胶浆，这说明矿粉对这两种沥青胶浆弹性性能的增强作用要大于SHVA胶浆。可见，SHVA胶浆中沥青对弹性性能的主导作用要大于GC胶浆和TPS胶浆。

粉胶比相同，SHVA胶浆在低频时的δ小于TPS胶浆和GC胶浆，其弹性性质较强；高频率时，SHVA胶浆的δ大于TPS胶浆和GC胶浆，其黏性性质较强，可见SHVA在低频和高频作用下均具有良好的路用性能。

粉胶比从0.8增加到1.2时，GC胶浆和TPS胶浆的δ随粉胶比的增大而显著减小，直到粉胶比大于1.2后，δ的减小幅度才明显放缓。说明在一定粉胶比范围内，增加矿粉对改善沥青胶浆的弹性性能作用明显，之后改善效果明显减弱。而SHVA胶浆的δ随粉胶比的增大，其增幅比较均匀，这可能是因为SHVA胶浆中沥青对胶浆的弹性性能的主导性较强，致使对粉胶比变化的敏感性减弱。

从图5可以看出，三种沥青胶浆G*随频率变化曲线形状基本相同，G*均是随着频率的增加而增大。频率越大，荷载的作用时间也就越短，此时胶浆的变形量也就越小，从而表现为模量增大。

图5 各沥青胶浆复数剪切模量随频率的变化Fig.5 The change of the complex shear moduli of different asphalt mortars with frequency

在较低的频率下，TPS胶浆和SHVA胶浆的G*均大于GC胶浆。且粉胶比越大这种现象越为突出。在较低的频率下G*越大说明沥青胶浆的劲度越大，抵抗荷载作用能力越强。表明高黏改性沥青在低频下对胶浆模量的增强作用要优于普通改性沥青。当粉胶比大于1.4后，继续增大粉胶比G*的增幅明显放缓，可见此时继续增大粉胶比对胶浆的高温性能改善作用有限，这与温度扫描所得到的结果一致。

在较高的频率下，TPS胶浆的G*要大于SHVA胶浆。这说明SHVA胶浆在高频时的硬度小于TPS，对低温抗裂性能有利。在较高的频率下，三种沥青胶浆的G*均随粉胶比的增大而急剧增加，尤其是粉胶比大于1.2后，TPS胶浆和SHVA胶浆G*的增幅要远大于GC胶浆，可见沥青的性质对沥青胶浆模量的影响显著。过大的G*会对沥青胶浆的低温抗裂性能产生影响，因此从低温性能考虑在使用高黏改性沥青时粉胶比不宜大于1.2。

图6 各沥青胶浆车辙因子随频率的变化Fig.6 The change of rutting factors of different asphalt mortars with frequency

从图6可以看出，随着频率的增加，所有沥青胶浆的G*/sinδ曲线变化趋势均一致，均是在一定频率范围内缓慢增加，随后出现大幅度的增长。这是因为，各沥青胶浆中沥青结合料的G*及δ均随着频率的增加而增大，当频率增大到一定程度时，沥青中聚合物改性剂性能接近弹性固体，削弱了沥青的黏性流动能力，从而使胶浆的模量大幅度提高。

两种高黏改性沥青胶浆G*/sinδ随频率的增长幅度均大于GC胶浆，且TPS胶浆的G*/sinδ随频率的增长幅度要大于SHVA胶浆，尤其是在较高的频率下这种现象更为突出。这说明与普通改性沥青相比，高黏改性沥青的G*/sinδ对频率的变化更为敏感性，且SHVA胶浆对频率的敏感性要低于TPS胶浆。

在相同频率下，三种沥青胶浆的G*/sinδ均随着粉胶比增大而增大。说明矿粉的含量越大，对沥青胶浆的增黏作用越明显。但过多的矿粉会对胶浆的低温性能产生影响。

4 结论

(1)矿粉能够劲化沥青胶结料，提高其黏度。在同一温度下，沥青胶浆的弹性性能及模量均会随着粉胶比的增加而增大，表现为δ减小G*增加，即高温抗变形能力增强。随着温度的升高，各沥青胶浆的劲度减小，流动性增强，G*降低、δ增大。矿粉的加入并未改变高温时高黏改性沥青对胶浆弹性的主导地位，但矿粉的增加能有效提高胶浆的弹性成分，从而提高其高温抗变形能力。

(2)在同一温度和粉胶比下，不同沥青胶浆的G*/sinδ从大到小排序依次为：SHVA胶浆、TPS胶浆和GC胶浆。可见，增大沥青的零剪切黏度可以大幅度提高沥青胶浆的G*/sinδ。高温时SHVA胶浆中弹性成分比例较大、变形恢复能力强是其高温性能优越的主要原因。

(3)在较高频率下，随着粉胶比的增大，TPS和SHVA胶浆的G*增幅要远大于GC胶浆，在粉胶比大于1.2后这种现象尤为突出，高频下过大的G*会对沥青胶浆的低温抗裂性能产生不利影响，因此从低温性能考虑在使用高黏改性沥青时粉胶比不宜大于1.2。