基于有机-无机改性剂的改性沥青流变性能研究

2024-01-01黄训华

西部交通科技 2024年5期

摘要：为评价不同改性剂对沥青流变性能的影响，文章选择有机和无机改性剂制备不同类型的改性沥青，通过时间扫描试验、多重应力蠕变与恢复（MSCR）试验和弯曲梁流变（BBR）试验，并基于Burgers模型，对不同类型改性沥青在不同温频下的流变性能进行评价和比较研究。结果表明：有机改性剂改性沥青的高温稳定性、抗疲劳性能和低温抗裂性，均明显优于无机改性剂改性沥青，且无机改性剂因其硬化效果对沥青的低温性能有不利影响；基于Burgers模型提出的低温评价指标，与常规BBR试验指标相比，更能真实表征改性沥青的低温性能。研究结果对工程实体优选和应用不同类型改性沥青具有参考价值。

关键词：道路工程；改性沥青；有机改性剂；无机改性剂；流变性能；Burgers模型

U414.1A230733

0 引言

随着国内道路建设的发展和伴随交通量的急剧增加，改性沥青因其优异的路用性能得到广泛应用［1-2］。沥青改性剂一般可分为两大类：有机改性剂和无机改性剂［3-4］。在有机改性剂中，常用的是SBS、橡胶粉和SBR等［5-7］。近年来，无机改性剂也逐渐成为道路工作者的研究热点，且无机改性剂具有环保、可再生性和经济等优点，一般无机改性剂包括纳米材料，如蒙脱土、硅藻土和二氧化硅等［8-10］。尽管目前对各种改性沥青的性能研究已经非常普遍，但针对有机改性剂和无机改性剂对沥青性能的评价和比较仍然不足。基于此，分别选择有机改性剂和无机改性剂，有机改性剂为SBS、橡胶粉和SBR;无机改性剂为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米蒙脱土。基于流变学和粘弹性学理论，采用时间扫描试验、MSCR试验和BBR试验，分别评价和比较6种不同改性沥青的流变性能，通过Burgers模型分析改性沥青的低温流变性能，并以此建立相应的低温抗裂评价指标。

1 试验材料与方案

1.1 原材料

采用东海牌70#道路石油沥青作为基质沥青，其性能指标如表1所示。分别选择SBS、橡胶粉、SBR、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米蒙脱土作为沥青改性剂。改性剂的性能指标如表2～7所示。

1.2 改性沥青制备

参考以往文献，选定改性剂的掺量和剪切条件，采用高速剪切机等试验设备制备相应的改性沥青，包括未老化沥青和老化沥青试件。各种改性沥青制备的技术参数如下页表8所示。老化沥青的制备分为短期老化和长期老化，短期老化沥青是通过旋转膜加热试验（RTFOT）模拟短期老化过程，试验温度和时间分别为163 ℃和85 min；长期老化沥青是采用压力老化仪试验（PAVT）模拟长期老化过程，试验温度和时间分别为100 ℃和20 h。

1.3 试验方法

1.3.1 时间扫描

采用动态剪切流变仪的时间扫描模式，以评价各种改性沥青的中温抗疲劳性能。时间扫描基于控制应变加载方式，加载应变水平分别为3%、4%和5%，试验温度设置为20 ℃，加载时间和加载频率分别为10 000 s和10 rad/s，并根据复数模量降低50%作为疲劳破坏点。

1.3.2 MSCR试验

基于车辙因子在沥青高温性能评价的局限性，根据AASHTO TP70-12标准，采用MSCR试验对各种改性沥青的高温抗车辙性能进行表征。MSCR分为两个应力加载阶段，即0.1 kPa和3.2 kPa。在不同应力状态下反映沥青在受力和卸力状态下的变形特性，MSCR的测试温度和保温时间分别设置为60 ℃和15 min，评价指标为不可恢复蠕变柔量（Jnr）和弹性恢复率（R）。

1.3.3 BBR试验

采用BBR试验评价各种改性沥青的低温抗裂性能。BBR沥青小梁试件规格（长×宽×高）为127 mm×6.35 mm×12.7 mm，试验温度分别设置为-12 ℃和-18 ℃。测定BBR小梁试件的挠度，并计算蠕变劲度（S）和蠕变速率（m）作为评价指标。

2 结果与讨论

2.1 中温抗疲劳性能

6种改性沥青和基质沥青的时间扫描试验结果如图1所示。由图1可知，随着应变水平的增加，各种改性沥青的疲劳寿命降低，而疲劳寿命下降的趋势不同，这与改性剂在沥青基体中的性能表征有关。其中，SBR-C的疲劳寿命随着应变水平的增加下降最快，而无机改性剂改性沥青疲劳寿命随着应变水平的增加下降最慢。同时，还可以发现，与基质沥青相比，无论改性剂的种类，改性沥青的疲劳寿命均大于基质沥青。SBR-C在4%应变水平下的疲劳寿命最高，CR-B在5%应变水平下的疲劳寿命最高，这是因为有机改性剂中含有碳化物，可以提高改性沥青在中温下的抗疲劳性能，而NS-D、NA-E和NM-F等无机改性剂改性沥青的疲劳寿命明显低于有机改性剂改性沥青。这是因为有机改性剂具有交联组分，交联程度足够高，使其具有“记忆力”。当聚合物发生疲劳破坏后，交联组分相互作用，一旦压力被移除，交联组分能恢复到初始状态，从而改善沥青的疲劳性能。无机改性剂由于其具有高比表面积，能够促进自身与沥青的均匀分散性，从而可以改善沥青的流变性能和力学性能。

2.2 高温抗车辙性能

图2和图3显示了6种改性沥青和基质沥青的MSCR试验结果，沥青Jnr值越小且R值越大表明其耐高温变形和恢复能力越好。由图2和图3可知，在不同应力条件下，不论改性剂种类，改性沥青的Jnr值均小于基质沥青，且R值均高于基质沥青，这说明本文所用的改性沥青均具有更好的抗变形和变形恢复能力。将无机改性剂改性沥青和有机改性剂改性沥青进行比较，可以发现有机改性剂改性沥青的Jnr值远小于无机改性剂改性沥青，说明有机聚合物对沥青高温性能的改性效果更好。这是因为有机聚合物对沥青的改性，主要作用在粘弹性流体与牛顿流体过渡的区域，即有机改性剂能通过扩大沥青胶结料抗车辙的温度范围，从而改善沥青的粘弹性流变性质，而无机改性剂对沥青的力学性能的改善更多是自身的物理特性所产生的吸附和粘结效果。

2.3 低温抗裂性能

改性沥青和基质沥青在-12 ℃和-18 ℃温度下的BBR试验结果如图4和图5所示。从图4可以看出，随着温度的降低，沥青的S值逐渐增大，沥青试件逐渐硬化，这是由粘弹性向弹性体转变的过程，沥青内部产生的温度应力变大，低温时容易出现裂缝。添加不同改性剂后，改性沥青的S值随温度的变化趋势基本一致，但其数值不同。SBR-C的S值在低温时最小，即SBR对沥青的低温抗裂性能改善最好。沥青的m值的变化规律与S值不同，从图5中可以看出，沥青的m值随着温度的升高而增大。这是因为测试温度降低，改性沥青的弹性成分占主导使其产生开裂现象，黏性成分决定沥青的蠕变速率，因此，沥青的m值越大表明沥青越粘稠，越不容易开裂。SBR-C的m值最大，说明SBR改性沥青的低温性能最好。与有机改性剂改性沥青相比，无机改性剂改性沥青的低温性能较差，这是因为有机聚合物可以提高沥青在低温下的延展性，而无机改性剂的硬化效果对沥青的低温性能有不利影响。

2.4 Burgers模型低温参数分析

沥青在低温环境下会出现松弛和蠕变现象，这是沥青材料固有的粘弹性性质。采用Burgers模型研究沥青材料的低温流变特性，根据力学性能来确定各种改性沥青的应力应变关系。Burgers模型的蠕变方程可归纳为式（1）：

εt=σ1E1+1η1t+1E21-e-E2tη2（1）

式中：t——加载时间；

ε——应变；

σ——应力；

E1、η1——麦克斯韦尔模型的弹性、阻尼系数；

E2、η2——开尔文模型的弹性、阻尼系数。

松弛时间可反映沥青的应力与时间的变化关系，一般来说，松弛时间越长，沥青内部应力消散越慢，低温开裂的可能性越高。基于Burgers模型，松弛时间（λ）的计算公式如式（2）所示：

λ=η1E1（2）

耗散能比（Wd/Ws）可表征沥青的能力储备和耗散性能，基于Burgers模型，储存能（Ws）和耗散能（Wd）的计算公式如式（3）～（4）所示：

Wst=σ201E1+12E21-2e-E2tη2+e-2E2tη2（3）

Wdt=σ201η1+12E21-e-2E2tη2（4）

式中：σ0——BBR试验的试样跨中加载应力。

将BBR试验结果代入式（1）得到Burgers模型拟合参数，如表9和表10所示，将Burgers模型拟合参数分别代入式（2）～（4），相关试验结果如图6和后页图7所示。由表9和表10可知，Burgers模型对BBR试验结果有较好的拟合关系，拟合的相关系数R2均在0.95以上，说明采用Burgers模型表征不同改性沥青的低温性能是合理的。随着温度的降低，弹性模量E1和E2的值变大，沥青的η1和η2值也增大，说明沥青内部产生的应力随着温度的降低而增大，且沥青内部黏性组分随温度的降低而逐渐减小，其应力松弛能力逐渐降低。

由图6和图7可以看出，随着测试温度的增加，改性沥青的松弛时间减少，而耗散能比增加，这是因为测试温度增大会使沥青分子的粘聚力减少，沥青的应力松弛能力增加而耗散能比减少，这与BBR试验结果相同。同时，与BBR试验的评价指标S值和m值不同，采用松弛时间或耗散能比作为改性沥青的低温评价指标更加明显。由图6和图7还可知，改性沥青的松弛时间由小到大顺序为SBR-C＜CR-B＜SBS-A＜NS-D＜NA-E＜NM-F，耗散能比由大到小顺序为SBR-C＞CR-B＞SBS-A＞NS-D＞NA-E＞NM-F，说明SBR对沥青的低温抗裂性提升最大，而纳米蒙脱土对沥青的低温抗裂性提升最小。

3 结语

（1）MSCR和时间扫描试验结果表明，6种改性剂均能提高沥青的高温抗变形能力和中温抗疲劳性能。有机改性剂对沥青高温性能的改善程度明显优于无机改性剂，且在不同应变水平下相同改性剂对沥青的疲劳性能改善效果不同。

（2）BBR试验结果表明，SBS、SBR和橡胶粉均显著改善了沥青的低温性能，而纳米二氧化硅、纳米氧化铝和纳米蒙脱土削弱了沥青的低温性能。基于Burgers模型，建立松弛时间和耗散能比作为低温指标的关系，与常规BBR评价指标相比，松弛时间和耗散能比更能真实表征沥青的粘弹性低温性能。

（3）改性剂的加入使改性沥青的宏观和微观联系更加复杂，改性沥青的流变性能是改性剂和沥青相互作用的结果，因此后续研究应采用微观试验分析沥青与不同改性剂之间的作用机理。

参考文献：

［1］张彩利，李天豪，丁维哲，等.超薄磨耗层高黏高弹沥青混合料性能研究［J］.科学技术与工程，2023，23（28）：12 241-12 249.

［2］崔国威.纳米SiC复合胶粉改性沥青的制备及其性能研究［J］.湖南交通科技，2023，49（1）：17-21，27.

［3］张吉哲，刚子璇，毕玉峰，等.基于有机-无机改性的赤泥沥青混合料综合性能［J］.山东大学学报（工学版），2023，53（1）：1-10.

［4］毛三鹏，何炎衡，刘梦迪，等.有机蒙脱土对高掺量SBS改性沥青性能的影响研究［J］.武汉理工大学学报，2022，44（4）：6-11.

［5］王其敏，吴文华，李恒，等.废胶粉/天然沥青复合改性沥青抗老化性能及其机理研究［J］.公路，2022，67（12）：322-329.

［6］赵建华，李小龙，吴博文，等.生物油/SBS改性沥青制备及性能研究［J］.化工新型材料，2020，48（5）：246-250.

［7］刘志强.废胶粉/SBR复合改性沥青混合料性能影响研究［J］.合成材料老化与应用，2023，52（4）：66-68.