郭鵬，何圳，謝鳳章，孟建瑋，韋萬峰，3

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.河南省濟(jì)陽高速公路建設(shè)有限公司，河南 濟(jì)源 476435；3.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000)

泡沫瀝青技術(shù)是將熱瀝青和少量的室溫潔凈水加入到發(fā)泡腔內(nèi)，水遇到熱瀝青急劇汽化，使瀝青的體積迅速膨脹，形成亞穩(wěn)定的泡沫瀝青[1]。由于泡沫瀝青中存在許多起潤(rùn)滑作用的小泡沫，所以泡沫瀝青的粘度低，在低溫條件下也能充分裹覆在集料表面。泡沫瀝青具有能耗低、性能好、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

由于泡沫瀝青中殘留水分將會(huì)對(duì)瀝青性能產(chǎn)生一定的影響，本文結(jié)合已有的研究成果，基于DSR和DSC研究發(fā)泡過程對(duì)泡沫瀝青的高、中、低溫性能、粘度的影響以及對(duì)溫度變化的敏感性影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

中石油昆侖牌70號(hào)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，主要性能指標(biāo)見表1；發(fā)泡用水為室溫潔凈水。

表1 瀝青性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

發(fā)泡機(jī)(由恒溫箱和發(fā)泡裝置組成，發(fā)泡裝置由瀝青泵、瀝青回流閥、溫度傳感器、控制柜、水容箱以及瀝青儲(chǔ)罐等部分構(gòu)成)，由山東路科公司提供，發(fā)泡機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見表2；DHR-2型動(dòng)態(tài)剪切流變儀；DSC214差示掃描量熱儀。

表2 發(fā)泡設(shè)備規(guī)格參數(shù)

1.2 泡沫瀝青制備

70號(hào)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青發(fā)泡設(shè)定溫度分別是155，175 ℃，發(fā)泡用水量設(shè)定為1%～2%，氣流量為1.5 m3/h。發(fā)泡機(jī)預(yù)熱到設(shè)定溫度，倒入加熱瀝青，瀝青通過瀝青泵及回流閥自動(dòng)循環(huán)，開啟注水器，將管路內(nèi)部空氣排出，同時(shí)注水進(jìn)入混合器，壓縮空氣通過出氣閥進(jìn)入混合器，瀝青最終與水、空氣在混合器中混合發(fā)泡。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫剪切流變特性

2.1.1 泡沫瀝青高溫性能研究 采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行測(cè)試，選用DSR的控制應(yīng)變模式中的溫度掃描測(cè)試方法對(duì)泡沫瀝青進(jìn)行研究[4]。實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)：測(cè)試溫度60～80 ℃，溫度間隔為5 ℃，每個(gè)溫度測(cè)試時(shí)間為6 min，頻率10 rad/s，應(yīng)變10%，平行板直徑25 mm，發(fā)泡用水量選擇1%，1.5%，2%，結(jié)果見表3、表4。

由表3、表4可知，瀝青發(fā)泡前后的車轍因子G*/sinδ存在一定程度的下降，原因是泡沫瀝青中殘留水分使得瀝青軟化。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度相同時(shí)，發(fā)泡用水量越高，泡沫瀝青的車轍因子G*/sinδ將變小，其高溫性能有一定程度的降低。相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，與基質(zhì)泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的車轍因子G*/sinδ大約是其2倍，表明SBS改性泡沫瀝青的高溫性能更優(yōu)。其主要原因是SBS聚合物在瀝青中形成了連續(xù)相，使瀝青中的重組分與聚合物相相互物理交聯(lián)，改善瀝青的粘彈性。

表3 基質(zhì)泡沫瀝青不同實(shí)驗(yàn)條件下的車轍因子

表4 SBS改性泡沫瀝青不同實(shí)驗(yàn)條件下的車轍因子

2.1.2 泡沫瀝青溫度穩(wěn)定性研究 采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)的控制應(yīng)變模式對(duì)瀝青進(jìn)行溫度掃描實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為40～80 ℃。研究表明[5-8]將 logG′與logT進(jìn)行線性回歸，可以得到一元一次方程，通過回歸方程斜率就能評(píng)價(jià)瀝青對(duì)溫度變化的穩(wěn)定性，方程斜率的絕對(duì)值越小，瀝青的溫度穩(wěn)定性越好，其中G′和T分別為復(fù)數(shù)儲(chǔ)能模量和開氏溫標(biāo)。logG′與logT之間的線性關(guān)系見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知，瀝青發(fā)泡前后的復(fù)數(shù)儲(chǔ)能模量G′的對(duì)數(shù)與開氏溫標(biāo)T的對(duì)數(shù)的線性回歸相關(guān)性好，其相關(guān)系數(shù)都接近1?；|(zhì)瀝青的回歸方程斜率的絕對(duì)值為49.9，當(dāng)發(fā)泡用水量為1%，1.5%，2.0% 時(shí)，方程斜率的絕對(duì)值分別為50.1，48.7，48.6。表明隨發(fā)泡用水量的增加，基質(zhì)泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性是先降低，然后再提高，大致上變化不大。SBS改性泡沫瀝青的回歸方程斜率的絕對(duì)值為35.4，當(dāng)發(fā)泡用水量為1%，1.5%，2.0%時(shí)，方程斜率的絕對(duì)值分別為38.28，37.62，37.3，說明隨著發(fā)泡用水量的增加，SBS改性泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性存在略微降低，原因是瀝青中殘留水分降低了泡沫瀝青的粘彈性。與基質(zhì)泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的線性回歸方程斜率的絕對(duì)值均<49.9，表明SBS改性泡沫瀝青在40～80 ℃時(shí)，其溫度穩(wěn)定性更好，泡沫瀝青的性能也更加的穩(wěn)定。主要原因是SBS改性劑加入到基質(zhì)瀝青中，經(jīng)過一系列的物理變化，使得SBS聚合物極性偏向于膠質(zhì)。

圖1 基質(zhì)泡沫瀝青復(fù)數(shù)儲(chǔ)能模量(G′)對(duì)數(shù)與溫度(T)對(duì)數(shù)關(guān)系(W為發(fā)泡用水量)

圖2 SBS改性泡沫瀝青復(fù)數(shù)儲(chǔ)能模量(G′)對(duì)數(shù)與溫度(T)對(duì)數(shù)關(guān)系(W為發(fā)泡用水量)

2.1.3 泡沫瀝青粘度研究 采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)的溫度掃描實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹硌芯颗菽瓰r青粘度隨用水量的變化的影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)：溫度為60～80 ℃、發(fā)泡用水量為0%～2%。粘度變化曲線見圖3、圖4。

圖3 基質(zhì)泡沫瀝青高溫粘度

圖4 SBS改性泡沫瀝青高溫粘度

由圖3、圖4可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度一定時(shí)，發(fā)泡過程將會(huì)降低瀝青的粘度，所以泡沫瀝青可適用于溫拌技術(shù)。當(dāng)用水量從1%提高到2%時(shí)，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)泡沫瀝青的粘度基本無變化，而SBS改性泡沫瀝青的粘度存在一定程度的下降。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度升高時(shí)，泡沫瀝青中殘留水分減少，瀝青發(fā)泡前后的粘度逐漸相等。在相同溫度和用水量條件下，與基質(zhì)泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的粘度更高，對(duì)集料的黏附性更好，路用性能更佳。

2.2 疲勞特性

采用DSR的Time-sweep模式研究瀝青發(fā)泡前后疲勞性能的變化，將復(fù)數(shù)模量減少到初始模量一半時(shí)的作用次數(shù)(Nf50)作為疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-11]。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：溫度為25 ℃，應(yīng)變?yōu)?%，實(shí)驗(yàn)頻率為10 Hz，發(fā)泡用水量為1.5%，平行板直徑8 mm。瀝青的疲勞壽命變化見圖5、圖6。

圖5 基質(zhì)泡沫瀝青的加載次數(shù)

圖6 SBS改性泡沫瀝青的加載次數(shù)

由圖5、圖6可知，基質(zhì)瀝青與基質(zhì)泡沫瀝青的加載次數(shù)分別為3 820次、2 301次，SBS改性瀝青發(fā)泡前后的加載次數(shù)分別為7 342次、7 025次，說明發(fā)泡過程將導(dǎo)致瀝青的耐久性下降。原因是泡沫瀝青中殘留水分影響了瀝青相的連續(xù)性。

基質(zhì)瀝青發(fā)泡前后加載次數(shù)差距較大，而SBS改性瀝青發(fā)泡前后加載次數(shù)差距較小，說明SBS改性瀝青的疲勞穩(wěn)定性更好。與基質(zhì)泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的實(shí)驗(yàn)加載次數(shù)大約是它的3倍，原因是SBS改性劑中的聚合物構(gòu)成了具有彈性的空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.3 低溫特性

采用差示掃描量熱儀(DSC)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：保護(hù)氣(N2)流量50 mL/min，沖掃氣65 mL/min，升溫速率為15 K/min，溫度掃描范圍是-50～100 ℃，發(fā)泡用水量為1.5%。熱流率隨溫度變化關(guān)系曲線見圖7。

由圖7可知，瀝青經(jīng)過發(fā)泡之后，其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg均有一定程度的提高，說明發(fā)泡過程將會(huì)導(dǎo)致瀝青的低溫抗裂性變差。原因是由于泡沫瀝青中殘留的水分凍結(jié)了其分子鏈，限制了其運(yùn)動(dòng)能力。

圖7 熱流率與溫度關(guān)系曲線

與基質(zhì)泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg大約降低15 ℃，表明SBS改性泡沫瀝青的低溫抗裂性更好。原因是由于SBS改性劑中聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg為-15 ℃左右，給予了SBS改性泡沫瀝青良好的低溫特性。

3 結(jié)論

(1)流變特性實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)泡過程將導(dǎo)致泡沫瀝青的高溫性能和粘度下降，提高發(fā)泡用水量，泡沫瀝青的高溫性能和粘度將逐漸降低，對(duì)基質(zhì)泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性影響不明顯，而對(duì)SBS改性泡沫瀝青的溫度穩(wěn)定性存在提高。與基質(zhì)泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的高溫性能和溫度穩(wěn)定性更好。

(2)疲勞性能實(shí)驗(yàn)表明，由于殘留水分的持續(xù)作用，發(fā)泡過程將導(dǎo)致瀝青的耐久性下降。與基質(zhì)泡沫瀝青相比，SBS改性泡沫瀝青的耐久性更好。

(3)通過低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于泡沫瀝青中殘留著少量的水分，發(fā)泡過程將導(dǎo)致泡沫瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg略微升高，其低溫性能降低。較基質(zhì)泡沫瀝青而言，SBS改性泡沫瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度大約低了15 ℃，具有更好的低溫抗裂性。

(4)由于泡沫瀝青的粘度低，所以可以實(shí)現(xiàn)低溫條件下拌和，能降低二氧化碳排放，減少污染，節(jié)約成本但基質(zhì)泡沫瀝青的高溫性能、疲勞性能以及低溫性能較普通瀝青有一定程度下降，SBS改性泡沫瀝青略有降低。