王 嵐，常春清，邢永明

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

聚合物改性瀝青由于具有較好的高、低溫性能而被廣泛應(yīng)用于瀝青路面.常用的聚合物改性瀝青有SBS改性瀝青、橡膠粉（CR）改性瀝青以及復(fù)合膠粉（CCR）改性瀝青等［1－3］.CR 改性瀝青是將廢舊橡膠輪胎磨成粉末加入瀝青中，經(jīng)剪切研磨后再經(jīng)溶脹作用而制成的一種環(huán)保型改性瀝青，具有造價(jià)低、高低溫性能及降噪性能良好等優(yōu)點(diǎn).CCR 改性瀝青是將SBS和廢舊橡膠粉同時(shí)作為改性劑并按一定比例加入瀝青中而制成的一種改性瀝青.近年來，這3種改性瀝青在包括內(nèi)蒙古在內(nèi)的中國西北部地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用.該類地區(qū)氣候溫差大，夏季高溫干燥，因而要求瀝青具有較低的溫度敏感性和較好的抗高溫變形性能.因此深入了解、對(duì)比分析上述3種改性瀝青的性能，可為合理選用瀝青提供理論依據(jù).

目前，關(guān)于瀝青蠕變性能的研究很多.如利用彎曲梁流變儀（BBR），通過對(duì)低溫條件下瀝青的彎曲蠕變勁度及彎曲勁度－時(shí)間關(guān)系曲線的斜率進(jìn)行分析，以研究膠粉改性瀝青膠粉含量、溶脹率對(duì)其低溫性能的影響［4－5］，以及老化作用對(duì)改性瀝青低溫性能的影響［6－7］；也有利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對(duì)瀝青進(jìn)行剪切蠕變?cè)囼?yàn)，通過總應(yīng)變和永久應(yīng)變來分析瀝青的變形恢復(fù)能力［8］；利用DSR 通過剪切蠕變?cè)囼?yàn)、蠕變恢復(fù)試驗(yàn)及重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)蠕變?nèi)崃?、永久變形及累積應(yīng)變的變化進(jìn)行分析，研究熱瀝青添加劑對(duì)瀝青流變性能的影響［9］；還有利用蠕變恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到伯格斯模型參數(shù)，進(jìn)而對(duì)瀝青的黏彈特性及抗車轍性能進(jìn)行分析［10－11］；此外，通過研究證明，利用重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)得到蠕變勁度的黏性部分來評(píng)價(jià)瀝青的抗高溫特性與混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果一致，說明利用蠕變勁度的黏性部分來評(píng)價(jià)瀝青黏彈特性具有可靠性［12］.綜觀已有的相關(guān)研究，大多基于蠕變?cè)囼?yàn)、蠕變恢復(fù)試驗(yàn)、重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果之上，而綜合瀝青細(xì)觀結(jié)構(gòu)和重復(fù)蠕變特性，對(duì)比研究幾種聚合物改性瀝青流變性能隨溫度和荷載變化規(guī)律的還不多見.

本文針對(duì)中國西北部地區(qū)常用的3種聚合物改性瀝青，基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及流變學(xué)原理，利用HITACHIS－3400N 掃描電子顯微鏡（SEM）來觀察3種改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)表面形貌，得到其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征；利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）進(jìn)行重復(fù)剪切蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)比分析改性瀝青的高溫變形恢復(fù)特性，得出3種聚合物改性瀝青膠漿變形隨時(shí)間、溫度和荷載的變化規(guī)律.

1 聚合物改性瀝青的微觀形貌分析

圖1 聚合物改性瀝青微觀形貌Fig.1 Microstructure of polymer modified asphalts

試驗(yàn)所用基質(zhì)瀝青均為盤錦AH－90道路石油瀝青，CR 改性瀝青為基質(zhì)瀝青中摻入20%1）本文所涉及的摻量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).的0.60mm（30目）橡膠粉顆粒制成；SBS改性瀝青中SBS改性劑的摻量為4%；CCR 改性瀝青中摻入18%的橡膠粉顆粒和2%的SBS改性劑.利用掃描電鏡觀察3 種改性瀝青的微觀形貌及改性劑的分布.試樣在掃描電鏡下的微觀表面形貌如圖1所示.由圖1可見，SBS改性瀝青中，由于SBS改性劑本身呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此使其具有很強(qiáng)的吸附瀝青能力，兩者間融合很好，呈現(xiàn)出表面均勻的特征.CR改性瀝青中橡膠粉顆粒表面粗糙，因而具有較大的表面積，且不能溶解于瀝青，它和瀝青之間的界面模糊，界面厚度較大，橡膠顆粒被瀝青完全包裹，兩者緊密結(jié)合，兩相界面之間具有良好的黏結(jié)性.與SBS改性瀝青相比，CR 改性瀝青呈現(xiàn)出非均勻相，是一種不均勻體系.在瀝青中摻加膠粉顆粒后，由于兩者的模量不同，在溫度降低時(shí)會(huì)在膠粉顆粒中引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，促使其產(chǎn)生大量銀紋和剪切帶，此時(shí)膠粉顆粒會(huì)消耗大量能量，因此可以提高瀝青的沖擊強(qiáng)度和可塑性，使改性瀝青的低溫柔韌性能得到提高［13］.CCR 改性瀝青中的改性劑與瀝青間的界面結(jié)合狀態(tài)介于CR 和SBS改性瀝青之間，兼具SBS和CR 改性瀝青的性質(zhì).由于3種改性瀝青中的輕組分經(jīng)過滲透、擴(kuò)散進(jìn)入SBS或橡膠粉顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，使SBS及橡膠粉顆粒溶脹，從而有效降低了游離蠟含量［14］.組分的變化使得高蠟含量的瀝青從溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿埽z型結(jié)構(gòu)，感溫性顯著下降.

2 重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)及分析

利用DSR 進(jìn)行3種改性瀝青膠漿重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn).考慮到恢復(fù)時(shí)間接近蠕變時(shí)間的10倍已經(jīng)足以使改性瀝青的延遲彈性得到完全恢復(fù)，且在重復(fù)荷載作用之后得到的永久變形發(fā)展曲線基本接近直線［13］，故加載方式采用加載1s（進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)）、卸載9s（變形恢復(fù)）作為1 次蠕變恢復(fù)循環(huán)，共進(jìn)行100次循環(huán).由于中國西北地區(qū)夏季路面最高溫度基本為50～65 ℃，因此重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)溫度t采用55，65℃，加載應(yīng)力P 則采用150，300Pa.

2.1 累積應(yīng)變

圖2為不同加載應(yīng)力、不同試驗(yàn)溫度下3種改性瀝青膠漿的重復(fù)蠕變累積應(yīng)變曲線.可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，3種改性瀝青的累積應(yīng)變?cè)龃?由曲線斜率可以看出，無論在何種溫度和加載應(yīng)力下，SBS改性瀝青累積應(yīng)變?cè)黾拥乃俾识紴樽畲?在加載應(yīng)力相同的情況下，溫度的升高均使改性瀝青的累積應(yīng)變?cè)黾?，其中CR 改性瀝青累積應(yīng)變的增幅最小，SBS改性瀝青的增幅最大，而且在相同溫度下SBS改性瀝青累積應(yīng)變隨加載次數(shù)增加而增加的幅度也是最大的.在3種改性瀝青中，CR 改性瀝青的累積應(yīng)變最小，而SBS改性瀝青的累積應(yīng)變最大，說明CR 改性瀝青對(duì)溫度的敏感性最小，具有較好的抵抗高溫變形能力，其次為CCR 改性瀝青.這是由于CR 改性瀝青中的橡膠粉在高溫下把芳香油從瀝青中吸附到了橡膠粉的聚合物鏈中，從而溶脹形成溶－凝膠狀結(jié)構(gòu)，使瀝青的溫度敏感性降低［15］.當(dāng)加載應(yīng)力不同時(shí)，加載應(yīng)力越大，改性瀝青的累積應(yīng)變?cè)酱螅渲蠸BS改性瀝青的增幅最大，CR 改性瀝青的增幅最小，說明CR 改性瀝青在高溫下具有最高的模量和抗變形能力.這是由于膠粉粒子在CR改性瀝青體系中起著增強(qiáng)作用，使得瀝青的模量增加.此外，由圖2還可看出，盡管3種改性瀝青的累積應(yīng)變均隨溫度升高和應(yīng)力增大而增加，但其中SBS改性瀝青的累積應(yīng)變都為最大，其次為CCR 改性瀝青，說明SBS改性瀝青抗變形能力最差.

圖2 累積應(yīng)變隨荷載作用次數(shù)變化關(guān)系Fig.2 Relationship between accumulated strain and loading number

2.2 延遲彈性性能

瀝青作為典型的黏彈性材料，具有一定的延遲彈性，在變形恢復(fù)研究中，黏度不再是唯一的指標(biāo)，延遲彈性對(duì)改性瀝青變形發(fā)展的影響也至關(guān)重要.通過蠕變恢復(fù)試驗(yàn)可將延遲彈性從永久變形中分離出來.將恢復(fù)階段的初始應(yīng)變即卸載瞬時(shí)應(yīng)變用εL表示，恢復(fù)階段末的殘余應(yīng)變用εP表示.用εP／εL表示永久變形占總變形的比例，即變形中黏性部分的比例.

統(tǒng)計(jì)3種改性瀝青在加載應(yīng)力P＝150Pa，試驗(yàn)溫度t＝55，65℃條件下重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變后得出了加載次數(shù)為1，10，25，50，75，90，100次時(shí)的εP／εL值，如圖3所示.由圖3可見，在不同試驗(yàn)溫度下，3種改性瀝青的εP／εL值在加載前期階段都隨著加載次數(shù)的增加而增加，體現(xiàn)了瀝青的永久變形隨加載次數(shù)的增加而不斷積累；CCR 改性瀝青及SBS改性瀝青在加載25次之后的εP／εL值基本趨于平緩且較接近，在50次之后這種趨勢則更加明顯，而CR改性瀝青在加載50次之后的εP／εL值也趨于平緩.情況表明，加載50次后隨加載次數(shù)的增加材料變形發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定，改性瀝青延遲彈性的影響也隨之減小.因此可以認(rèn)為加載次數(shù)達(dá)到50次后，加載應(yīng)力的影響已比較穩(wěn)定，用此時(shí)的累積應(yīng)變可以對(duì)瀝青進(jìn)行可靠的評(píng)價(jià).

圖3 εP／εL隨加載次數(shù)變化關(guān)系Fig.3 Relationship betweenεP／εL and loading number（P＝150Pa）

2.3 蠕變勁度模量

由四單元Burgers模型本構(gòu)方程可知，瀝青的蠕變?nèi)崃縅（t）主要由3部分組成：彈性部分Je，延遲彈性部分Jde和黏性部分Jv，即：

在評(píng)價(jià)改性瀝青高溫性能時(shí)，用瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)G＊／sinδ 無法反映瀝青結(jié)合料的延遲彈性變形.因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果中，G＊作為瀝青的勁度模量包括了瀝青的彈性和黏性兩部分，而δ也是關(guān)于彈性和黏性的相對(duì)指標(biāo).用G＊／sinδ作為高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)僅僅將瀝青的彈性部分和黏性部分分開，而黏性部分中存在著延遲彈性部分，它會(huì)使瀝青變形隨著荷載作用的消失而逐漸恢復(fù).尤其是聚合物改性瀝青，由于改性劑的添加提高了瀝青的彈性和延遲彈性部分的性能，所以G＊／sinδ并不是評(píng)價(jià)改性瀝青高溫性能的最佳指標(biāo).

文獻(xiàn)［16－17］提出采用黏性柔度的倒數(shù)GV（蠕變勁度的黏性部分）作為評(píng)價(jià)改性瀝青高溫性能的指標(biāo).因?yàn)轲ば宰冃问钱a(chǎn)生永久變形的主要原因，對(duì)Burgers流變模型分析可知，GV的擬合是基于Burgers模型中Maxwell元件黏壺部分的殘余應(yīng)變與時(shí)間t的關(guān)系特性，反映的是瀝青對(duì)永久變形的抵抗能力，它將改性瀝青的延遲彈性從黏性部分中分離出來.因此，通過對(duì)改性瀝青黏性性能的研究來評(píng)價(jià)其高溫變形性能是行之有效的，GV與瀝青混合料抗車轍變形性能具有較好的相關(guān)性.

針對(duì)3種改性瀝青在55℃，150Pa條件下的試驗(yàn)結(jié)果，利用Burgers模型本構(gòu)方程（式（2）），通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到GV值，GV值與加載次數(shù)之間的關(guān)系見圖4.由圖4可知，3種改性瀝青在加載初期的GV值較大，隨著加載次數(shù)的增加而逐漸減小，并在50次之后開始保持穩(wěn)定.Bahia等［16］建議采用第50次和51次蠕變恢復(fù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行流變模型擬合，以剔除初期加載不穩(wěn)定因素和延遲彈性效應(yīng)的影響.由圖4可明顯看出，CR 改性瀝青的GV值大于CCR 改性瀝青和SBS 改性瀝青的CV值，說明CR 改性瀝青具有更好的抗車轍能力.

式中：J0，J1為彈性柔量（MPa－1）；η1 為Burgers模型中黏壺1的黏滯系數(shù).

圖4 GV隨加載次數(shù)的變化Fig.4 Relationship between GV and loading number（t＝55℃，P＝150Pa）

為分析不同溫度及加載應(yīng)力下3種改性瀝青黏性性能的變化規(guī)律，采用Origin軟件分別對(duì)它們?cè)谥貜?fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)第50次和第51次的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到GV值，并對(duì)其取平均，結(jié)果見圖5.由圖5可知，隨溫度增加，3種改性瀝青的GV值減小，說明改性瀝青抵抗變形的能力隨溫度升高而下降，這與實(shí)際瀝青路面的高溫性能變化規(guī)律相一致.在溫度相同、加載應(yīng)力不同時(shí)各改性瀝青的GV值均變化不大，這說明加載應(yīng)力的變化不至于影響改性瀝青的黏性性能.對(duì)比分析3種改性瀝青在不同溫度及加載應(yīng)力下的GV值，可以看到CR 改性瀝青明顯大于CCR 改性瀝青和SBS改性瀝青，說明CR 改性瀝青的抗高溫變形能力要強(qiáng)于另外2種改性瀝青.

圖5 3種改性瀝青在不同條件下的GV值Fig.5 GV values for three modified asphalts under different conditions

3 結(jié)論

（1）橡膠粉和SBS改性劑與瀝青間界面結(jié)合良好，使得改性瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低了瀝青的感溫性.

（2）隨加載次數(shù)、加載應(yīng)力的增大和溫度的升高，3種改性瀝青的累積應(yīng)變?cè)龃螅渲蠧R 改性瀝青的累積應(yīng)變最小，具有最好的抗高溫變形能力和最小的溫度敏感性，其次為CCR 改性瀝青.

（3）采用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)第50次和第51次數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的GV值來評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，發(fā)現(xiàn)CR 改性瀝青的GV值最大，因而具有最好的蠕變恢復(fù)能力，其次為CCR 改性瀝青.

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