温拌胶粉改性沥青的流变和微观性能评价

2021-01-08王岚，张琪，冯蕾

建筑材料学报 2020年6期

王岚，张琪，冯蕾

(1.内蒙古工业大学内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，内蒙古呼和浩特 010051； 2.内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特 010051)

近年来，胶粉改性沥青作为一种绿色公路材料被广泛关注[1]，但是由于其施工过程的高能耗和高排放阻碍了它的推广[2].应用温拌技术，不仅可以降低胶粉改性沥青混合料的施工温度，还能改善服役期沥青路面的流变性能并延长其使用寿命[3-4].罗望群等[5]研究发现使用温拌胶粉改性沥青能提高路面的高温和抗疲劳性能.

目前，沥青力学性能的研究主要依赖于动态剪切流变仪(DSR)、弯曲梁蠕变试验(BBR)等宏观试验手段.原子力显微镜(AFM)作为一种研究物体微观形貌及力学特性的仪器被应用到沥青材料领域中.杨震等[6]利用AFM发现苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性剂的掺入提高了基质沥青的微观杨氏模量.常睿等[7]用AFM研究发现胶粉改性沥青的微观力学指标(黏附力、微观杨氏模量、耗散能)较基质沥青均有不同程度的提高，说明胶粉改性沥青的微观力学特性得到改善.但关于温拌胶粉改性沥青微观形貌、力学特性及其与宏观力学性能相关性的研究还不多见.本文利用AFM研究了2种温拌剂对胶粉改性沥青的微观形貌和力学性能的影响，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)探究沥青结构状态及官能团的变化，同时采用DSR试验分析了2种温拌剂对其宏观流变性能的影响，并通过微观力学性能和宏观流变性能对比分析，探究两者之间的关系.

1 试验

1.1 原材料

1)文中涉及的掺量均为质量分数.

原样沥青为盘锦90#基质沥青；选取山东交通科学研究院自主研发的降黏剂和表面活性剂作为温拌剂，其中EM型降黏剂为白色片状固体物，SDYK型表面活性剂为黄褐色乳状固液混合物.EM型降黏剂的作用机理是：将熔点略低于沥青的降黏剂掺加到沥青中，降黏剂到达熔点后会以液体形式存在，增大沥青的流动性，从而达到降低黏度的效果[8]，同时掺入降黏剂会使沥青化学键发生变化，—CH烷基长链露到外侧，形成降黏剂溶剂化层，阻碍沥青4组分重新聚集在一起，起到隔离作用，有利于降低黏度[9].SDYK型表面活性剂作用原理是：将表面活性剂添加到沥青中搅拌均匀后，亲水基和水结合形成具有润滑作用的结构性水膜，降低沥青表面的张力和黏度；继续拌和，水膜遭到破坏，微量水排出，促进石料间滑动，施工和易性增强.考虑改性沥青的流变性能，选取20%掺量1)的60μm胶粉改性沥青进行试验[10].将胶粉加入基质沥青中搅拌，制备得到胶粉改性沥青(CR).依据相关研究[11]，分别将1%掺量的EM型降黏剂、0.6%掺量的SDYK型表面活性剂加入到胶粉改性沥青中，制备得到EM型温拌胶粉改性沥青(CR-EM)和SDYK型温拌胶粉改性沥青(CR-SDYK)温，将试样封存以备使用.基质沥青和胶粉改性沥青性能参数见表1.

表1 基质沥青和胶粉改性沥青性能参数

1.2 试验方法

1.2.1DSR试验

采用Discovery HR-1型动态剪切流变仪，分别对3种胶粉改性沥青进行温度扫描和频率扫描试验，用正弦波方式加载，选择控制应力目标值进行试验.其中，频率扫描的温度为28～82℃，每隔6℃扫描1次，每个温度下的频率(ω)扫描范围为0.1～100.0rad/s；温度扫描时的荷载频率为0.1、1.0、10.0、100.0rad/s，每个频率下的温度扫描范围为28～82℃，温度步长为6℃.

1.2.2FTIR测试

采用Cary 640 FTIR傅里叶变换红外光谱仪，对3种胶粉改性沥青分别进行了FTIR测试.

1.2.3AFM试验

采用Bruker Moutilmode 8原子力显微镜，在峰值力轻敲模式下对3种胶粉改性沥青样品的形貌及力学性能进行了测试，扫描频率0.977Hz，扫描范围为20μm×20μm，分辨率为256×256，试验温度为25℃.采用热铸法制备沥青试样，首先将胶粉改性沥青加热至流动状态，接着用镊子夹取少量沥青滴于直径为1.5cm的圆铁片上，然后将圆铁片置于165℃的烘箱内，让沥青自由流动，直至沥青全部流平整为止，放置时间约为20min，最后将试样取出自然冷却至室温.

2 结果与分析

2.1 DSR分析

通常Superpave中车辙因子G*/sinδ评价指标可以较好地评价沥青混合料的抵抗外力变形能力，但Shenoy[12]利用Burges模型时发现相位角较小时车辙因子公式不再适用.胶粉改性沥青的相位角较小，且变化不明显，故车辙因子公式不适用于评价温拌胶粉改性沥青的抵抗外力变形能力.考虑到弹性延迟的影响，采用改进的车辙因子G*/sin9δ，能全面分析胶粉改性沥青材料的黏弹性变化情况，可以更好地评价温拌胶粉改性沥青的抵抗外力变形能力，相位角δ在0°～90°时此公式都适用，且对相位角的变化更为敏感，改进车辙因子G*/sin9δ越大，抵抗外力变形能力越好.

图1为胶粉改性沥青的改进车辙因子G*/sin9δ.由图1(a)可见:3种沥青的改进车辙因子均随温度升高而降低，且在低温时差异较大，高温时差异较小，这归因于温度升高分子间运动加剧，分子间热运动导致分子间相互作用减弱，弹性性能减弱，抗变形能力降低；相同温度时，改进车辙因子的排序为CR-SDYK>CR-EM>CR，2种温拌剂的掺入可以增强CR的抗变形能力，这是因为温拌剂的加入可以使胶粉充分溶胀于基质沥青中，使胶粉分布相对均匀，其加筋作用增强，形成整体稳定结构，抗剪切能力提高，抗变形能力增强.由图1(b)可见：3种沥青的改进车辙因子随荷载频率加快不断增大，这是因为沥青材料本身的黏弹特性，荷载频率低则作用时间长，相位角变化大，黏度和柔韧性增大[13]，抗变形能力减弱；2种温拌剂的掺入使改进车辙因子增大，与图1(a)得到的结论一致.

图1 胶粉改性沥青的G*/sin9δFig.1 G*/sin9δ of crumb rubber modified asphalts

2.2 FTIR分析

图2 胶粉改性沥青的红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of crumb rubber modified asphalts

2.3 AFM试验分析

2.3.1微观形貌分析

图3 胶粉改性沥青的AFM微观形貌图Fig.3 AFM micromorphologies of crumb rubber modified asphalts

由于胶粉改性沥青表面存在细微起伏与峰谷交错的情况，因此用均方根粗糙度Rq来表征温拌胶粉改性沥青的表面粗糙度，表面粗糙度越大，微观尺度下沥青相态差异性越大，相分离现象越显著，微观结构稳定性越差，弹性性能减弱，抗变形能力降低.均方根粗糙度Rq定义为：

(1)

(2)

式中：A为扫描面积，A=20μm×20μm；h(x，y)为划分单元点(x,y)的形貌高度函数；h0为参考高度.

利用AFM分析软件NanoScope Analysis中的“Roughness”模块测定CR、CR-EM和CR-SDYK的均方根粗糙度Rq，结果如图4所示.由图4可见，2种温拌剂均使沥青的Rq减小，这是因为温拌剂的掺入使稳定的饱和—CH键数量增多，相态差异减小，相分离现象减弱，微观结构稳定性和均匀性增强.

图4 胶粉改性沥青的均方根粗糙度RqFig.4 Rq of crumb rubber modified asphalts

2.3.2微观力学特性分析

AFM试验中探针与沥青表面接触，对沥青施加一个微小作用力，保证沥青产生的形变在弹性范围之内，这种接触类似于刚性小球与弹性体之间的相互作用，一般采用接触力学中的DMT(Derjaguin-Muller-Toporov)模型来对探针回撤过程进行拟合分析，得到样品的微观杨氏模量E*：

(3)

(4)

式中：Ftip为探针针尖对沥青表面施加的微作用力；Fad为探针针尖与沥青表面之间的黏附力；r为探针曲率半径；δ为沥青试样变形量；Vs、Vtip分别为沥青、探针的泊松比；Es、Etip分别为沥青、探针的模量.

图5为胶粉改性沥青的微观杨氏模量E*.由图5可见:CR的E*主要分布在250～280MPa之间，CR-EM的E*主要分布在230～350MPa之间，CR-SDYK的E*主要分布在270～330MPa之间.胶粉改性沥青的微观杨氏模量E*呈典型的正态分布，计算其平均值，结果如图6所示.由图6可见：2种温拌剂的掺入提高了胶粉改性沥青的弹性模量，抵抗外力荷载能力增强.结合2.1节的结论，表明温拌剂EM和SDYK均可提高CR抵抗外力变形的能力.

图5 胶粉改性沥青的微观杨氏模量E*Fig.5 E* of crumb rubber modified asphalts

图6 微观杨氏模量E*的平均值Fig.6 Average value of E*

2.3.3宏观流变性能与微观力学指标相关性分析

虽然试验条件不同，但是沥青的微观杨氏模量和改进车辙因子都体现了沥青抵抗外力作用的抗变形能力.图7为胶粉改性沥青的微观杨氏模量与改进车辙因子的关系图.由图7可见：3种胶粉改性沥青的微观杨氏模量和28℃下的改进车辙因子的相关系数R2均达到0.97以上；改进车辙因子随着微观杨氏模量的增大而增大.沥青微观杨氏模量和改进车辙因子的关系说明2种温拌剂可提高沥青的弹性性能以及抗变形能力.分析其原因：EM型降黏剂是一种蜡型温拌剂，可以完全溶解在沥青中[13]，使胶粉改性沥青具有更稳定的胶团结构，胶团结构稳定性强，抗剪切变形能力越强，抗变形能力得以改善；SDYK型表面活性剂是一种阳离子表面活性剂，其与胶粉改性沥青中的沥青胶质黏结，使沥青中连续相体积增大，黏性降低[16]，弹性性能增强，抗变形能力提高.