基于动态流变法的温拌高黏改性沥青中高温性能研究

张 泽，许 斌，刘 奕，姜 涛，高奥东

(1.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074；2.中路高科(北京)公路技术有限公司,北京 100088；3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；4.广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司,广西 南宁 530023)

0 引言

为能够提增现代道路整体应用特性以及耐久水平，美国于20世纪80年代制定了为期5 a的公路发展规划，即SHRP，这其中为能够分析沥青这一特殊的并对温度极其敏感的材料，提出了采用动态剪切流变仪测定沥青材料的流变性能这种新的沥青评价体系[1-2]。沥青的典型性能包含针入度、延度、黏度等指标[3]，这些都是对其流变性能在特殊条件下某一个点的分析，对于沥青流变特性的研究主要结合DSR仪器对其震荡检测，继而获得特定的时间和温度范围内沥青持续性的性能变化规律，由此完成对沥青材料动态特性的测定以及评估[4-6]。时敬涛等[7]系统地研究了有机降黏型温拌剂Sasobit对高黏改性沥青物理性能和流变性能的影响。Rodríguez-Alloza等[8]、陈颖川等[9]研究了4种降黏型温拌剂对高黏改性沥青性质的影响。本研究选用两种温拌剂RH和JY-W1，制取两类温拌高黏改性沥青，基于动态剪切流变设备就改性沥青予以原样PG高温测定，结合温扫试验对其温度敏感特性进行评估，结合多应力重复蠕变恢复(MSCR)试验分析各种沥青的高温蠕变恢复特性，利用频扫(FS)试验模拟对各种沥青不同的加载频率，从而得到评价其性能变化规律。

1 原材料

1.1 试验材料

高黏改性沥青主要用于透水沥青路面的设计[10]。本研究并未采用成品的高黏改性沥青，而是利用SBS改性沥青和高黏剂进行制备。本研究所用的高黏剂是HVA高黏高弹添加剂,采用的两种温拌剂分别为RH温拌剂和JY-W1温拌剂。RH温拌技术是基于交通运输部公路科学研究院开发的RH温拌沥青改性剂研发的成套应用技术，RH温拌剂以粉末状固体存在，属于有机降黏性温拌剂；JY-W1是一种棕色油性温拌剂，属于发泡降黏性温拌剂，由市面销售提供。物理技术指标见表1～表3，性状如图1所示。

表1 RH物理指标Tab.1 Physical indicators of RH

表2 JY-W1物理指标Tab.2 Physical indicators of JY-W1

表3 HVA物理指标Tab.3 Physical indicators of HVA

图1 三种改性剂Fig. 1 Three modifiers

1.2 温拌高黏改性沥青的制备

1.2.1 高黏改性沥青

获得高黏改性沥青：首先需要将称取获得的SBS改性沥青置于器皿内，同时于烘箱内进一步加热至180 ℃左右，待其充分流动后备用；其次按照SBS改性沥青与HVA髙黏剂92∶8的设计比例称取一定量的髙黏剂，将备用的SBS改性沥青在高速剪切机上进行剪切；然后在剪切过程中缓缓加入HVA，此时将剪切机的速率增大到(5 000±200)r/min，同时将温度保持在(180±10) ℃环境下，剪切30 min，完毕以后断开剪切设备，最后将制备好的样品置于180 ℃的环境下静置30 min，得到完整的高黏改性沥青以备用。沥青高速剪切机如图2所示。

图2 沥青高速剪切机Fig.2 Asphalt high-speed shearing machine

1.2.2 温拌高黏改性沥青

制备温拌高黏改性沥青：在以RH作为温拌改性剂制备温拌高黏改性沥青时，RH温拌剂的用量分别为高黏改性沥青用量的3%，4%和5%。第1步，将制备好的高黏改性沥青放入180 ℃的烘箱中烘至流动状；第2步，将准确称量的RH温拌剂加入到高黏改性沥青中，用玻璃棒大致搅拌均匀；第3步，将搅拌后的沥青放在剪切机上进行剪切，剪切速率设为(3 000±100)r/min，温度维持在(180±10) ℃环境下，剪切 30 min，最后将其置于180 ℃的环境下静置发育30 min，去除气泡等待使用。以JY-W1温拌剂制备温拌高黏改性沥青与上述唯一不同的是，JY-W1为油性温拌剂，JY-W1温拌剂的用量为0.3%，0.4%和0.5%，将JY-W1温拌剂加入到高黏改性沥青中不需要进行剪切，只需在搅拌状态下缓慢添加至预先加热好的高黏改性沥青中，随后搅拌约10 min，排除气泡，完成温拌高黏改性沥青的制备。制备流程见图3。在本研究中，为了便于归类和区别分析，将掺加0.3%，0.4%及0.5%JY-W1温拌剂的高黏改性沥青分别拟名为J1沥青、J2沥青及J3沥青，同样将掺加3%，4%及5%RH温拌剂的高黏改性沥青分别拟名为R1沥青、R2沥青及R3沥青。沥青剪切效果及其微观结构见图4～图5。

图3 温拌高黏改性沥青制备工艺Fig.3 Preparation process of warm-mixed high-viscosity modified asphalt

图4 沥青剪切效果Fig.4 Asphalt shearing effect

图5 不同沥青微观结构Fig.5 Microstructures of different asphalts

2 中高温性能分析

2.1 原样PG高温试验

在利用动态剪切流变仪(DSR)进行本试验之前，需要按照要求设定参数，其中包含应变数值、角频率以及平行板的上下间距，分别为12%，10 rad/s 以及1 mm[11]。试验原理是当温度升高或者降低时，沥青的黏弹性能会发生较为明显的变化[12-14]。沥青抵抗车辙的强弱通过车辙因子G*/sinδ情况表示，这一数值越高，则反映出沥青高温时抵抗车辙变形水平越理想。SHRP规划中明确要求原样沥青这一指标不得低于1 kPa，详细结果见表4。

表4 几种改性沥青的车辙因子参数Tab.4 Rutting factor parameters of several modified asphalts

由表4可得到不同种改性沥青车辙因子G*/sinδ和温度之间的关系曲线，见图6。

图6 几种改性沥青车辙因子的变化曲线Fig.6 Curves of rutting factors of several modified asphalts

结合上述图表不难发现，不同改性沥青的车辙因子因为温度的不断提升而表现为降低态势，相比较同一温度下几种改性沥青的车辙因子，掺加温拌剂高黏改性沥青的高温抗变形能力普遍比原样高黏改性沥青高；在58～70 ℃之间，RH温拌剂3种掺量对高黏改性沥青车辙因子G*/sinδ的作用大不相同，这说明温度和温拌剂掺量都是影响几种沥青高温性能的重要因素，并且在温度范围内，3%RH温拌高黏改性沥青的车辙因子G*/sinδ远低于高黏改性沥青，这表明此掺量的RH温拌剂可以使高黏改性沥青表现出更多的黏分，弹性恢复性能减弱；随着试验温度的升高，几种沥青的车辙因子G*/sinδ变化曲线发生交叉或有交叉的趋势，这表明有些沥青的温度敏感性非常高，比如掺量为0.4%和0.5%的JY-W1温拌高黏改性沥青，其车辙因子G*/sinδ的下降速率相对较快。总体来看，在高温状态下，RH温拌剂对高黏改性沥青抗车辙能力的改善要比JY-W1温拌剂好一些，除此之外，掺加4%RH温拌剂的高黏改性沥青的抗变形能力最强，在这一层面说明此掺量的RH温拌剂可以对沥青的高温性能起到良好的改性作用。

2.2 不同沥青多应力重复蠕变恢复试验(MSCR)

动态剪切流变仪MSCR试验被广泛用于评价沥青结合料的抵抗变形能力。在试验开始前，也需按照要求设定相应的试验参数，其中包括25 mm的平行板，0.1 kPa和3.2 kPa两个应力参数。每个应力水平作用时间为100 s，总共200 s，10 s为一个周期。

试验温度设为60 ℃，试验完成后，可以得到两个应力水平下几种改性沥青的应变随时间的变化曲线，见图7。

图7 几种改性沥青应变变化曲线Fig.7 Strain curves of several modified asphalts

当应力水平为0.1 kPa时，由图7(a)可知，加入温拌剂的高黏改性沥青的应变明显高于高黏改性沥青，其中4%RH温拌高黏改性沥青的应变是高黏改性沥青的数倍，由于荷载应力较小，虽然在时间-应变图中可较直观地看出应变差距，但是应变的数量级非常小，不足以用来评价高黏改性沥青与温拌高黏改性沥青的抗变形能力，此应力水平可作为下一个应力状态的过渡与对比。

当应力水平达到3.2 kPa时，从图7(b)可以看出，各种沥青的应变都有大幅度的增加，并且各种沥青的蠕变恢复能力均有所降低，其中温拌高黏改性沥青最为明显。与此同时，温拌高黏改性沥青与高黏改性沥青每次循环产生的应变差距随时间的变化逐渐增大，在施加应力的最开始阶段，各种沥青的应变变化情况大体一致，这说明两种温拌剂对高黏改性沥青黏性成分的作用随时间的变化而减弱，但蠕变恢复能力逐渐增强。

综上所述，在一定的应力水平内，两种温拌剂对高黏改性沥青的抗变形能力和蠕变恢复能力都有影响，并且每种温拌剂的每种掺量有着不同的影响程度。两种温拌剂对高黏改性沥青抗变形能力的保持或改善只发生在应力施加初始阶段，而其蠕变恢复能力却随着时间的变化明显提高。因此抗变形能力的大小顺序基本为：高黏改性沥青>JY-W1温拌高黏改性沥青>RH温拌高黏改性沥青；蠕变恢复能力大小顺序大致为：RH温拌高黏改性沥青>JY-W1温拌高黏改性沥青>高黏改性沥青。

蠕变恢复指标R以及蠕变柔量Jnr可被作为MSCR测试的评估参量，前者主要反馈了不同蠕变循环之后其恢复形变指标及沥青恢复形变性能情况，后者则用于反馈沥青高温抵御车辙能力大小，结合各个应变参量能够获得二者指标的具体结果，详细计算为：

R=(γρ-γnr)/(γρ-γ0)，

(1)

Jnr=γnr/τ，

(2)

(3)

(4)

式中，γρ为每个周期内的峰值应变；γnr为每个周期内的残留应变；γ0为每个周期内的初始应变；τ为蠕变应力；R0.1i为0.1 kPa应力情况下的各个蠕变的循环恢复率，i为1～10；Jnr0.1i为0.1 kPa应力情况下的各个无法恢复的蠕变柔量，i为1～10。

计算结果如表5和图8所示。

表5 多应力重复蠕变恢复试验计算结果Tab. 5 Calculation result of multi-stress repeated creep recovery test

图8 各个应力情况下的不同改性沥青蠕变恢复率和不可恢复蠕变柔量比较Fig. 8 Comparison of creep recovery rate and unrecoverable creep compliance of different modified asphalts under different stresses

由上述图表可知，在两个应力水平下，几种沥青材料都表现出不同的恢复能力，并且无论应力水平是0.1 kPa或者3.2 kPa，几种改性沥青的蠕变恢复能力大小顺序都是5%RH温拌高黏改性沥青>4%RH温拌高黏改性沥青>3%RH温拌高黏改性沥青>0.5%JY-W1温拌高黏改性沥青>0.4%JY-W1温拌高黏改性沥青>0.3%JY-W1温拌高黏改性沥青>高黏改性沥青，但是它们的差距幅度不大。两个应力水平相比较，在0.1 kPa时，高黏改性沥青和RH温拌高黏改性沥青的蠕变柔量Jnr更大，这说明在荷载水平增大时，两种改性沥青抵御永久变形性能更为突出，高温抵御车辙表现性能更好。综上所述，几种改性沥青中，RH温拌高黏改性沥青的高温性能最佳，并且最佳掺量为4%；JY-W1温拌高黏改性沥青次之，最佳掺量为0.4%；高黏改性沥青相对低于前两种改性沥青。

2.3 温度扫描试验

本节通过温度扫描试验分析沥青的温度敏感性。设置应力参数为0.1 kPa，试验扫描温度范围为30～80 ℃，使用25 mm的平行板。

该部分对不同改性沥青予以温度扫描分析，得到相位角δ、车辙因子大小情况。δ越小则反映出沥青材料恢复性能越理想，车辙因子越大则反馈沥青材料抗剪切变形能力越强[15-16]。图9反映了相位角δ、车辙因子G*/sinδ分别与温度的关系。

图9 不同改性沥青相位角和车辙因子同温度之间的关系Fig.9 Relationships of phase angle with rutting factor and temperature of different modified asphalts

从图9(a)可知，掺入温拌剂高黏改性沥青的δ基本上都小于高黏改性沥青。δ越大说明恢复性能越差，高黏改性沥青恢复性能最差，两种温拌高黏改性沥青恢复性能相对较好。掺加RH温拌剂高黏改性沥青的δ随温度的升高而减小，说明随着温度的升高，RH温拌高黏改性沥青的恢复性能增强，使其高温性能得到提升，其中4%和5%两种掺量改性沥青的δ随温度减小的趋势大致相同，而掺加3%RH温拌剂改性沥青的δ随温度变化的速率较慢。高黏改性沥青和JY-W1温拌高黏改性沥青的δ随着温度的升高先小幅度减小后又增大，说明这两种沥青在合适的温度范围内恢复性能较好，掺加0.5%JY-W1温拌剂高黏改性沥青的δ在小温度范围内减小后又大幅度增大，这说明高温改变了该沥青的内部结构。

G*/sinδ越大说明沥青抗车辙能力越好，从图9(b)可知，在相对低温范围内，高黏改性沥青的G*/sinδ略大于两种温拌沥青，其中3%RH温拌高黏改性沥青的抗车辙能力最弱，这是因为高黏改性沥青在较低温度时表现出更多的黏性，甚至发硬，抵抗车辙变形能力增强，温拌剂的加入降低了高黏改性沥青黏度，使其抵抗变形能力降低，当温度慢慢升高，高黏改性沥青更多的黏性成分逐渐消失，致其抗车辙变形能力迅速下降。除此之外，随着温度的升高，几种沥青的G*/sinδ变化情况几乎相同，并且最终趋于一致，这说明两种温拌剂在连续温度下对高黏沥青的改性容易发生疲劳，最终消失。这与上述2.1节得出的结论并不相悖，因为温度的取值状态不同，上述为单点高温，本节为连续中高温。

2.4 频率扫描试验(FS)

频率扫描试验可以通过扫描频率模拟路面车辆荷载频率，在小的应变范围内测定沥青材料的动态力学响应[17-19]，此处的扫描频率和加载频率具有一定的线性联系。本研究中频扫试验使用8 mm转子，扫描区间为0.1～100 rad/s，扫描温度为5，20和35 ℃，由此能够获得不同扫描温度下不同改性沥青的动态剪切仿真结果和相位角随频率变化特性联系，结果如图10～图12所示。

图10 5 ℃下相位角和动态模量随频率变化Fig.10 Phase angle and dynamic modulus varying with frequency at 5 ℃

图11 20 ℃下相位角和动态模量随频率变化Fig.11 Phase angle and dynamic modulus varying with frequency at 20 ℃

图12 35 ℃下相位角和动态模量随频率变化Fig.12 Phase angle and dynamic modulus varying with frequency at 35 ℃

由图10可知，当温度为5 ℃时，在频率范围内，0.3%JY-W1温拌高黏改性沥青的δ最小，高黏改性沥青的δ与之相当；随着频率的增大，几种沥青的δ都呈现下降趋势，并且在0～10 Hz低频时，几种沥青的δ下降速率较快，之后慢慢趋于平缓；3%RH温拌高黏改性沥青和0.5%JY-W1温拌高黏改性沥青的δ有小幅度增大的趋势；几种沥青的G*均呈上升趋势，并且上升的速率先增大后减小，最终趋于水平，其中高黏改性沥青的G*最大，0.5%JY-W1温拌高黏改性沥青的G*最小，说明5 ℃时，高黏改性沥青相对其他几种温拌高黏改性沥青具有明显较高的抗剪切变形能力。

从图11可以看出，与5 ℃下相位角δ的变化情况相比，温度为20 ℃时，几种沥青的δ也呈下降趋势，但在一定低频范围内，下降的速率有所减缓。几种改性沥青的G*随着频率增加一直在增大，与5 ℃ 时相比，G*增大的速率加快；5%RH温拌高黏改性沥青与0.5%JY-W1温拌高黏改性沥青的G*变化趋势近乎一致。

由图12可知，温度为35 ℃时，与前两个温度明显不同的是，几种沥青的相位角δ随频率增加先快速增大后又小幅度减小；G*则保持之前温度的趋势，随频率增加逐渐增大。

综上分析，两种温拌剂对改性沥青恢复性能和抗剪切变形能力的影响程度不同，G*都会随着扫描频率增加而逐渐增大，并且随温度升高表现为下降态势。总而言之，高黏改性沥青在低温时表现出更好的弹性，几种改性沥青抗剪切变形能力的大小关系为高黏改性沥青>0.4%JY-W1温拌高黏改性沥青>0.3%JY-W1温拌高黏改性沥青>4%RH温拌高黏改性沥青>3%RH温拌高黏改性沥青>5%RH温拌高黏改性沥青>0.5%JY-W1温拌高黏改性沥青。

3 结论

(1)无论是高黏改性沥青的制备还是温拌高黏改性沥青的制备，为了保证沥青性能，需要严格设置制备时间、剪切速率、温度等指标，并且在制备期间，要时刻观察沥青的状态，尤其是均匀性必须满足要求。

(2)从原样PG高温试验来看，温度范围和温拌剂的掺量都是影响几种改性沥青高温抗车辙性能的重要因素。在同一温度下，掺加温拌剂高黏改性沥青的高温抗变形能力普遍比原样高黏改性沥青高；在高温状态下，RH温拌剂对高黏改性沥青抗车辙能力的改善要比JY-W1温拌剂好一些，并且4%为最佳掺量。

(3)结合MSCR试验数据分析，并通过量化不同改性沥青蠕变恢复以及不可恢复蠕变情况，得到RH温拌剂对于高黏改性沥青高温特性的改善最为理想，并且最佳掺量为4%；JY-W1温拌高黏改性沥青次之，最佳掺量为0.4%；高黏改性沥青相对低于前两种沥青。

(4)温度扫描试验通过分别建立相位角δ和车辙因子G*/sinδ与温度的关系，可以得出，两种温拌剂在温度较高时可以改善高黏改性沥青的高温性能。

(5)通过频扫(FS)试验仿真车辆荷载频率对沥青路面作用效应，并在不同温度下建立相位角δ、动态模量G*与频率之间的联系，高黏改性沥青的弹性于相对低温时表现突出，在5～35 ℃温度范围内，其抵御剪切变形能力稍强于两种温拌高黏改性沥青，并且两种温拌高黏改性沥青中，JY-W1温拌高黏改性沥青的抗剪切变形能力总体高于RH温拌高黏改性沥青，尤其0.4%掺量性能最佳。