石振武 王彬驊 張海濤

摘?要：為研究LKW-Ⅱ溫拌對橡膠粉/SBS改性瀝青流變性能的影響，通過傅里葉紅外光譜（FTIR）實驗、動態(tài)剪切流變（DSR）試驗、多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)（MSCR）實驗以及低溫彎曲梁流變（BBR）實驗，分析LKW-Ⅱ溫拌劑對其流變性能的影響。實驗結(jié)果表明： LKW-Ⅱ溫拌劑能夠有效控制高溫條件下流變性能，當(dāng)摻量為0.1%時，改善效果最好，實驗中其余摻量改善性能較為接近;摻加溫拌劑后改性瀝青的彈性恢復(fù)能力更好，在12.8?kPa應(yīng)力下，0.1%LKW-Ⅱ摻量不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，且對應(yīng)力敏感性最小;LKW-Ⅱ溫拌劑能夠改善低溫條件下流變性能，相同溫度下0.3%LKW-Ⅱ摻量內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力最小，應(yīng)力松弛能力最好。LKW-Ⅱ溫拌劑摻量少，能夠有效控制高溫流變和改善低溫流變性能。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青;紅外光譜實驗;溫拌劑;高溫性能;低溫性能;Burgers模型;流變性能

中圖分類號：U414?文獻標(biāo)識碼：A?文章編號：1006-8023（2021）06-0090-09

Abstract：To study the effect of LKW-Ⅱwarm mix additive on the rheological performance of rubber powder/SBS modified asphalt， Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR） test， Dynamic Shear Rheology （DSR） test， Multi-stress Repeated Creep Recovery （MSCR） test and low-temperature Bending Beam Rheology （BBR） test were conducted to analyze the influence of LKW-Ⅱwarm mix additive on the rheological performance. The experimental results showed that： LKW-Ⅱ warm mix additive can effectively control the rheological performance under high temperature conditions. When the mixing amount was 0.1%， the improvement effect was the best， and the other mixing amount was relatively close in experiment. Warm mix rubber powder/SBS modified asphalt had better elastic recovery ability， 0.1% LKW-Ⅱ mixing amount under 12.8 kPa stress would not cause structural damage， and was the least sensitive to stress. LKW-Ⅱ warm mix additive could improve low-temperature performance. At the same temperature， 0.3% LKW-Ⅱ mixing amount produced the least internal stress and had the best stress relaxation ability. When using a little mixing amount of LKW-Ⅱ warm mix additive， it could effectively control the high temperature rheology and improve the low temperature rheology.

Keywords：Rubber modified asphalt; infrared spectrum experiment; warm mix additive; high temperature performance; low temperature performance; Burgers model; rheological performance

0?引言

隨著汽車保有量的增加，帶來了繁重的交通量，在溫度與荷載的作用下瀝青路面發(fā)生微觀流變，抗變形能力下降。橡膠粉制成的改性瀝青，以其降噪、抗開裂和抗車轍的優(yōu)勢被廣泛使用[1]。然而，橡膠改性瀝青在施工生產(chǎn)時需要達到180 ℃以上，釋放出的瀝青煙氣中包含SOx、NOx以及致癌物[2]。因此，保證其路用性能、降低橡膠瀝青的施工溫度是值得研究的。

Yan等[3]將橡膠粉和廢塑料（EVA）摻入瀝青中制備橡膠復(fù)合改性瀝青，通過動態(tài)剪切流變實驗及微觀試驗對瀝青進行測試，結(jié)果表明，橡膠粉和廢塑料對瀝青的高溫性能改善效果明顯，微觀結(jié)構(gòu)上2種添加劑能夠與瀝青很好地溶脹。常睿等[4]通過對比RET（三元共聚物）復(fù)配膠粉瀝青和SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青的流變性能，結(jié)果表明，RET復(fù)配橡膠瀝青的抗變形能力增強，相比于SBS改性瀝青熱穩(wěn)定性更好。王嵐等[5]通過研究表面活性劑SDYK和降黏型EM溫拌劑對橡膠瀝青的高溫流變性能影響，結(jié)果表明，摻加2種溫拌劑能夠改善橡膠瀝青的高溫性能，0.6%摻量的SDYK和1%摻量的EM改善效果顯著。Yu等[6]采用不同類型溫拌劑制備溫拌橡膠瀝青，通過混合料試驗發(fā)現(xiàn)，Sasobit瀝青改性劑會導(dǎo)致橡膠瀝青的抗車轍能力下降。Pouranian等[2]制備的無發(fā)泡溫拌橡膠瀝青采用氣相測試對釋放出的瀝青煙氣監(jiān)測，結(jié)果表明，溫拌過程中二甲苯等有害物質(zhì)排放減少約60%，但溫拌劑對抗疲勞和抗裂性能有輕微負(fù)面影響。Leng等[7]研究蠟基溫拌橡膠瀝青的路用性能，結(jié)果表明，直接將橡膠粉和蠟基溫拌劑一同加入瀝青攪拌，由于橡膠粉與蠟基溫拌劑液相溶脹沖突，可能會導(dǎo)致路用性能下降。Wang等[8]通過多應(yīng)力重復(fù)蠕變回復(fù)試驗（MSCR）和線性振幅掃描試驗（LAS）對溫拌橡膠瀝青的性能進行研究，結(jié)果表明，不可恢復(fù)蠕變的應(yīng)力敏感性指標(biāo)不適用于評價橡膠瀝青，采用增量指標(biāo)能更準(zhǔn)確判斷應(yīng)力敏感性。目前，國內(nèi)對橡膠粉與SBS橡膠混合的改性瀝青研究較少，將溫拌技術(shù)和橡膠復(fù)合改性瀝青的研究更是少見。因此，有必要對溫拌橡膠粉與SBS混合改性瀝青的流變行為進行研究。

本文采用LKW-Ⅱ型溫拌劑對橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青進行溫拌處理，研究溫拌劑對橡膠復(fù)合改性瀝青流變性能的影響。通過高溫動態(tài)剪切流變（DSR）試驗、多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗、傅里葉紅外光譜（FTIR）和低溫彎曲梁流變（BBR）試驗進行測試，分析LKW-Ⅱ溫拌劑對溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的黏彈性、應(yīng)力敏感性、抗變形能力及降黏降阻機理的影響。

1?原材料與試驗方法

1.1?原材料性能

本文選用中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司生產(chǎn)的橡膠粉/SBS改性瀝青，以90#瀝青為基質(zhì)瀝青，內(nèi)摻17%廢舊橡膠粉（40目）和3%SBS橡膠。選用溫拌劑為遠達LKW-Ⅱ型新型溫拌劑，LKW-Ⅱ型溫拌劑屬于表面活性劑類添加劑（棕褐色固液混合物）。本文摻量為0%、0.1%、0.3%、0.5%，實驗樣品記為CS、0.1LCS、0.3LCS、0.5LCS，軟化點、針入度、5 ℃延度、黏度指標(biāo)結(jié)果見表1。

1.2?傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗

傅里葉紅外光譜能夠測試瀝青的化學(xué)組分，通過橡膠改性瀝青添加溫拌劑前后的化學(xué)鍵變化，對吸收峰的位置及峰值進行辨認(rèn)分析[9]。橡膠改性瀝青的黏度較大，不宜制成薄膜或透光性溶液，因此本文紅外光譜試驗采用全反射（ATR）方式測定，光譜范圍為650～4 000 cm-1，掃描次數(shù)16次。

1.3?動態(tài)剪切流變（DSR）實驗

動態(tài)剪切流變試驗溫度掃描模式下，能反映出瀝青隨溫度變化時流變性能的變化[10]。本文按照《AASHTO T315-12》標(biāo)準(zhǔn)，溫度掃描設(shè)置應(yīng)變?yōu)?2%，頻率為10 rad/s，考慮到由于橡膠改性瀝青黏度大，可能會對儀器造成不可逆的誤差，測試溫度為40～82 ℃。

1.4 多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗

多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗?zāi)苓M一步評價瀝青在高溫環(huán)境下的變形恢復(fù)能力和應(yīng)力敏感程度[11]。本文根據(jù)《AASHTO TP70-12》標(biāo)準(zhǔn)，試驗溫度為64 ℃，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力為0.1 kPa和3.2 kPa，加載1 s，卸載9 s，每個應(yīng)力水平進行10次循環(huán)。橡膠改性瀝青的回彈性能好，針對高性能瀝青可以增加更大應(yīng)力[12]，本文增加了兩級更大的應(yīng)力6.4?kPa和12.8?kPa，能夠更全面地表征應(yīng)力敏感性。

1.5?低溫彎曲梁流變（BBR）試驗

BBR試驗通過恒定的荷載作用，模擬瀝青在低溫條件下的變形行為和力學(xué)特性[13]。本文根據(jù)《AASHTO T313-09》標(biāo)準(zhǔn)，測試溫度為-18、-24、-30 ℃，對瀝青的低溫流變行為進行初步評價。低溫下，瀝青的變形過程較為復(fù)雜，Burgers模型本構(gòu)方程簡化后見公式（1），對加載240 s內(nèi)測試得到的蠕變?nèi)崃窟M行擬合，通過擬合參數(shù)的實際物理意義分析溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青在低溫下的流變行為[14]。

式中：E1為瞬時彈性模量;E2為延遲彈性模量;η1為瞬時黏性系數(shù);η2為延遲黏性系數(shù)。

2?實驗結(jié)果與分析

2.1?瀝青組分與降黏潤滑分析

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的紅外光譜實驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，摻加溫拌劑后紅外光譜圖大致形狀沒有變化，沒有新的吸收峰出現(xiàn)，說明摻加溫拌劑的過程中沒有發(fā)生化學(xué)變化。主要的吸收峰為650～900、960、1 034、1 370、1 460、1 599、2 851、2 920 cm-1處。650～900 cm-1復(fù)雜的吸收峰和1 599 cm-1為苯環(huán)取代識別區(qū)，變化情況不大，表明溫拌劑對橡膠改性瀝青中的芳香族化合物不會產(chǎn)生影響。其余4個較長吸收峰來自碳?xì)滏I的振動，區(qū)別為振動方式不同，1 370 cm-1和1 460 cm-1來自CH的彎曲振動，2 851 cm-1和2 920 cm-1來自CH的伸縮振動。綜上所述，主要吸收峰表明溫拌橡膠改性瀝青中含有脂肪烴、芳香族化合物以及含硫氧化合物。

摻加溫拌劑后，960、1 034、1 700 cm-1處吸收峰明顯變小，分別來自SBS成分中丁二烯的反式CC的伸縮振動和CO、SO鍵振動。LKW-Ⅱ型溫拌劑屬于表面活性劑，能夠?qū)⒑酢⒘虻然衔镄纬傻哪z團分散成小分子膠束，通過攪拌均勻分散在瀝青中，破壞了原化學(xué)鍵的穩(wěn)定性。表面活性劑的親水基團的氫原子能夠與溶脹降解后橡膠分子、溫拌劑乳液水分子形成氫鍵，短暫形成結(jié)構(gòu)水膜，增加了分子之間的潤滑性，達到了降低黏度和阻力的目的。拌和與碾壓過程等機械作用后，膠束周圍的表面活性劑逐漸向橡膠顆粒與瀝青界面轉(zhuǎn)移，增強橡膠顆粒與瀝青的黏結(jié)力，使得橡膠改性瀝青的性能進一步增強。

2.2?高溫流變性能分析

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的復(fù)合剪切模量（G*）、相位角（δ）隨溫度變化如圖2—圖4所示。

由圖2中可以看出，G*隨溫度升高而降低，下降速率的變化趨勢為逐漸平緩。這是由于溫度升高，瀝青變軟，材料的黏性逐漸增大[5]。在測試溫度內(nèi)，0.1 LCS的G*始終最大，高溫條件下流變減小，其次是0.3、0.5 LCS，但兩者與CS較為接近。圖3中δ的變化是先降低然后逐漸上升，這與摻加了SBS成分有關(guān)，是瀝青內(nèi)部的彈性成分與黏性成分比例變化不同導(dǎo)致的[15]。

由圖4中可以看出，溫度上升，瀝青內(nèi)部在SBS成分和橡膠粉的作用下，損失模量G″下降速率大于G′下降速率，材料流變性受黏性控制減弱;隨溫度繼續(xù)上升，流變性逐漸受黏性控制，δ也隨之變大。在測試溫度內(nèi)，0.1 LCS的δ最小，受黏性成分而導(dǎo)致的應(yīng)力響應(yīng)延遲最小。

車轍因子（G*/sin δ）實驗結(jié)果如圖5所示，溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的G*/sin δ隨溫度升高而降低，由于瀝青逐漸向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，抵抗變形的能力逐漸變?nèi)?。δ與G*變化趨勢不同， δ曲線的拐點未對車轍因子產(chǎn)生影響[15]，所以車轍因子沒有出現(xiàn)反增的變化。從圖5中能夠看出，0.1 LCS的G*/sinδ最大，在70 ℃后下降趨于平緩，仍然大于其余瀝青，其余摻量提升不明顯。綜上所述，添加溫拌劑能夠控制橡膠粉/SBS改性瀝青的高溫流變性能，摻量為0.1%時效果最佳。

2.3?高溫應(yīng)力敏感性分析

通過每0.1 s記錄一次應(yīng)變值，繪制MSCR試驗應(yīng)變曲線如圖6所示。從應(yīng)變累積角度看，0.1 LCS的累積應(yīng)變最小，不同的應(yīng)力水平下應(yīng)變增加幅度最小，0.3 LCS和0.5 LCS與CS的總應(yīng)變較為接近，在12.8?kPa應(yīng)力水平下，0.3 LCS增長速度較快于0.5 LCS。

0.1kPa和12.8 kPa應(yīng)力水平下的應(yīng)變曲線如圖7所示。

在0.1 kPa應(yīng)力水平下，溫拌橡膠瀝青的蠕變恢復(fù)能力完好，應(yīng)力響應(yīng)迅速、回彈速度快，回彈效率均在80%以上。瀝青在12.8 kPa第9周期內(nèi)應(yīng)變曲線如圖8所示，0.1 LCS蠕變恢復(fù)曲線順滑，其余瀝青的應(yīng)變曲線發(fā)生波動，這說明瀝青內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生損傷，恢復(fù)過程出現(xiàn)阻礙。CS蠕變恢復(fù)后的應(yīng)變超過加載階段的應(yīng)變，說明此時瀝青內(nèi)部損傷積累，導(dǎo)致瀝青的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，完全失去彈性恢復(fù)的能力。

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青不可恢復(fù)蠕變Jnr及應(yīng)力敏感性指標(biāo)（Jnr-diff）如圖9和圖10所示。

各樣品Jnr和Jnr-diff隨應(yīng)力增加而增大，0.1 LCS的2項指標(biāo)始終處于較低水平，0.3 LCS和0.5 LCS差距不大，CS的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr處于最高，0.5 LCS的應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff最大，較大應(yīng)力下對應(yīng)力敏感。摻加溫拌劑能夠提高橡膠瀝青的彈性恢復(fù)能力，并且能夠降低應(yīng)力敏感性，當(dāng)摻量為0.1%時改善效果最佳。在《AASHTO MP19-10》中規(guī)定，路面等級標(biāo)準(zhǔn)中Jnr-diff最大不超過75%，圖10中數(shù)據(jù)在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)，但橡膠粉/SBS改性瀝青更低的Jnr表明蠕變恢復(fù)性能佳，針對這一情況，Wang等[8]引進Jnr-slope來評價橡膠改性瀝青的應(yīng)力敏感性，計算表達式為：

Jnr-slope的意義在于能夠直觀看出Jnr的變化速率，Jnr-slope越小表明增加幅度小，應(yīng)力敏感性較低，彈性恢復(fù)能力受影響低。從圖11中可以看出3.2 kPa和6.4 kPa應(yīng)力下，Jnr-slope變化不明顯，在這兩級應(yīng)力下橡膠粉/SBS改性瀝青能夠保證自身彈性恢復(fù)能力。當(dāng)應(yīng)力增大到12.8 kPa時，Jnr-slope明顯增加，應(yīng)力增大會影響瀝青的抗變形能力。0.1 LCS對應(yīng)力的敏感性最小，其次是0.3 LCS和0.5 LCS，CS對應(yīng)力的敏感性最大，隨溫拌劑的摻量增加變得更敏感。

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青蠕變恢復(fù)率（R）及應(yīng)力敏感性指標(biāo)（Rdiff）如圖12和圖13所示。

瀝青的R變化趨勢一致，隨應(yīng)力增大逐漸減小，在12.8 kPa達到最低值，除0.1 LCRSA外，其余瀝青R均小于20%。應(yīng)力增加后，橡膠改性瀝青的彈性恢復(fù)能力逐漸減弱，在12.8 kPa下內(nèi)部累計的損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，不能有效回彈。在0.1 kPa應(yīng)力水平下，溫拌劑摻量對橡膠改性瀝青的影響不明顯，所有樣品均能達到80%以上。隨應(yīng)力水平增加，0.1 LCS的蠕變恢復(fù)率始終最大，其次是0.3 LCS和0.5 LCS，CS的蠕變恢復(fù)率最差。由圖13中可知，0.1 LCS的Rdiff最小，增加幅度小，這表明應(yīng)力增加對0.1 LCS的彈性恢復(fù)性能影響較小;CS的Rdiff最大，應(yīng)力增大的過程中，失去彈性恢復(fù)性能的速率最快。

綜上所述，隨應(yīng)力增加，溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青累積的應(yīng)變呈不斷增長趨勢，3.2 kPa和6.4 kPa對瀝青不會造成損傷，不會導(dǎo)致彈性恢復(fù)能力受到影響。當(dāng)溫拌劑摻量為0.1%時，彈性恢復(fù)性能最好，其余摻量有所改善，效果相近但不如0.1%摻量明顯。

2.4?低溫流變性能分析

低溫彎曲梁蠕變試驗結(jié)果如圖14所示。溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的蠕變勁度模量S（60）隨溫度下降逐漸增大，蠕變速率m（60）隨溫度下降逐漸變小，瀝青隨溫度下降過程中逐漸由黏彈性體向彈性體轉(zhuǎn)化，但不能完全成為彈性體，溫度越低質(zhì)地越硬、彈性成分作用越強。從實驗結(jié)果可以看出，摻加溫拌劑能夠有效降低S（60），溫度降低時內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力更小;但是從m（60）來看，摻加溫拌劑后m（60）降低，說明瀝青的應(yīng)力松弛能力降低。單從S（60）和m（60）來評價瀝青的低溫性能出現(xiàn)矛盾的情況，這是因為橡膠顆粒和SBS的作用下，瀝青對應(yīng)力的響應(yīng)和松弛能力都不一樣，本文采用Burgers模型進一步探討橡膠瀝青的低溫流變性能。

使用Origin 2018軟件對BBR試驗所得蠕變?nèi)崃窟M行非線性擬合處理，如圖15所示，Burgers模型擬合參數(shù)如圖16所示。所有曲線擬合度R2均在0.995以上，說明使用Burgers模型來描述溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青低溫流變行為是合適的。Burgers模型分別描述了瀝青在荷載作用下的流變行為和延遲行為。變形主要分3個階段：首先是由Maxwell模型彈性模量E1引起的瞬時彈性變形;其次是由Kelvin模型彈性模量E2引起的延遲彈性變形;最后由黏滯系數(shù)η1和η2共同作用下引起的黏流變形。最終材料的變形和內(nèi)部應(yīng)力趨于穩(wěn)定[14]。當(dāng)彈性模量數(shù)E1和E2較大時，瀝青的初始變形小，路面可能產(chǎn)生斷裂;黏性系數(shù)η1和η2越小，黏性變形越大，應(yīng)力松弛能力越好。

當(dāng)溫度下降時，彈性模量E1和E2變大，說明溫度越低內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力越大。相同測試溫度下，0.3 LCS的E1和E2相比其他瀝青小，說明0.3%摻量在同溫度下內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力更小，低溫流變性能可以更好地抵抗應(yīng)力引起的開裂。由圖16可知，瀝青η1和η2隨溫度降低而增大，表明瀝青在溫度降低時，瀝青應(yīng)力松弛的能力逐漸降低。在同一測試溫度下，0.3 LCS的η1最小，應(yīng)力松弛能力最好;在-30 ℃時，0.1 LCS的η1值最大，松弛能力最差。在應(yīng)力作用消失后，η2在Kelvin模型彈性模量E2作用下最終會消散。