趙香玲，張 浩，米國(guó)興，趙 毅

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000；3.西安新視窗科技有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

瀝青路面受到快速增長(zhǎng)重載交通和氣候變化影響，不斷出現(xiàn)高溫永久變形、疲勞損傷和低溫開(kāi)裂等早期病害[1-3]。因而國(guó)內(nèi)外研究人員逐漸關(guān)注通過(guò)聚合物改性方式以提高基質(zhì)瀝青性能。丁苯橡膠(SBR)是由苯乙烯和丁二烯單體嵌段共聚再接枝苯乙烯而得到的橡膠類(lèi)聚合物[4]。作為有效的瀝青改性劑，SBR能顯著增強(qiáng)基質(zhì)瀝青黏度和黏聚性能，有效改善低溫蠕變性能，但由于其高溫彈性抗變形能力較弱，因此在夏熱地區(qū)應(yīng)用較少[5-6]。任鈺芳等[7]通過(guò)湖瀝青TLA和SBR復(fù)配對(duì)瀝青進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)TLA可顯著改善高溫抗變形能力和感溫性，而SBR可抵消TLA對(duì)低溫性能和抗老化性能的不利影響。張濤等[8]系統(tǒng)研究了多聚磷酸/SBR復(fù)合改性瀝青在寬溫域內(nèi)高低溫和抗老化性能，結(jié)果表明其經(jīng)過(guò)熱老化和紫外老化后低溫抗裂性和抗疲勞耐久性均得到顯著改善。聚丙烯(PP)作為熱塑性樹(shù)脂類(lèi)改性劑已得到廣泛使用，其能有效改善瀝青的高溫抗變形及彈性恢復(fù)性能[9-11]。劉瀅等[12]利用開(kāi)煉機(jī)煉成SBR/PP熱塑性彈體進(jìn)行瀝青改性，結(jié)果表明經(jīng)改性后瀝青混合料的高低溫性能和抗水損害能力均得到顯著提升。然而，目前針對(duì)PP/SBR復(fù)合改性瀝青高低溫流變及疲勞性能進(jìn)行系統(tǒng)分析的研究較少。同時(shí)，廢舊PP的回收利用一定程度上能緩解污染問(wèn)題，具有一定研究意義。

本研究將利用Brookfield黏度(RV)、頻率掃描(Frequency sweep，F(xiàn)rS)、溫度掃描(Temperature sweep，TeS)、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(Multiple Stress Creep Recovery，MSCR)分析其復(fù)合改性瀝青的高溫流變及彈性變形恢復(fù)能力；利用線(xiàn)性振幅掃描(Linear Amplitude Sweep，LAS)分析其抗疲勞損傷性能；利用低溫彎曲梁流變(Bending Beam Rheological，BBR)對(duì)其低溫蠕變性能進(jìn)行系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)，并確定其最佳配比組成及增強(qiáng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為SK-90#(技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1)；選用相同規(guī)格PP原料通過(guò)注塑過(guò)程在澆口、流道口收集材料，后經(jīng)實(shí)驗(yàn)室粉碎處理得到廢舊PP(性能指標(biāo)見(jiàn)表2)；SBR選用丁苯橡膠粉末高聚物改性劑，其性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 廢舊PP 技術(shù)指標(biāo)

表3 SBR技術(shù)指標(biāo)

1.2 制備方法

SBR改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的制備流程為：①在160 ℃油浴系統(tǒng)下將基質(zhì)瀝青持續(xù)加熱至熔融狀態(tài)，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% SBR丁苯橡膠粉末加入瀝青中攪拌溶脹30 min，待溶脹完全后保持160 ℃油浴溫度，利用WRH270型高速剪切機(jī)以4 000 r/min速率對(duì)改性瀝青進(jìn)行高速剪切30 min，之后在160 ℃下密封溶脹發(fā)育30 min，即得到SBR改性瀝青。②利用160 ℃油浴加熱系統(tǒng)將基質(zhì)瀝青持續(xù)加熱至熔融狀態(tài)，將不同摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%)廢舊PP分別加入瀝青中，在160 ℃恒溫下恒溫溶脹30 min；再分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%SBR粉末并繼續(xù)溶脹30 min；將油浴系統(tǒng)控溫至170 ℃，利用WRH270型高速剪切機(jī)以4 000 r/min速率持續(xù)剪切40 min，最后進(jìn)行40 min的160 ℃持續(xù)恒溫發(fā)育以獲得廢舊PP/SBR復(fù)合改性瀝青。

1.3 性能測(cè)試

參考規(guī)范ASTM D4402M-15，利用Brookfield黏度計(jì)使用27#轉(zhuǎn)子測(cè)試改性瀝青在115、135、155、175 ℃的黏度變化。

參考規(guī)范ASTM D7175-15、AASHTO T350和AASHTO TP 101-15，利用Anton Parr SmartPave-102 DSR分別對(duì)改性瀝青進(jìn)行FrS、TeS、MSCR和LAS試驗(yàn)，選用25 mm轉(zhuǎn)子，以1 mm平行板間距進(jìn)行測(cè)試；FrS以58 ℃為參考溫度；TeS在10 rad/s振蕩荷載下，以6 ℃為間隔的46～82 ℃內(nèi)進(jìn)行；MSCR在58 ℃，多重應(yīng)力水平下(τ=0.1 kPa和3.2 kPa)進(jìn)行加、卸載循環(huán)測(cè)試并計(jì)算平均恢復(fù)率R(τ)和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(τ)和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎钪当菾nr(diff)等；LAS試驗(yàn)在19 ℃下先進(jìn)行負(fù)載頻率0.1～30 Hz的頻掃試驗(yàn)，再在控制應(yīng)變模式和10 Hz恒頻下進(jìn)行300 s內(nèi)0%～30%線(xiàn)性增加的振蕩應(yīng)變振幅的振幅掃描試驗(yàn)。

參考規(guī)范ASTM D6648-08，利用Cannon TE-BBR儀測(cè)試改性瀝青在-24、-18、-12、-6 ℃的低溫勁度模量(Sm)和蠕變速率(m)。

2 結(jié)果與討論

2.1 RV分析

不同PP/SBR改性瀝青的老化前后黏度隨測(cè)試溫度的變化規(guī)律如圖1所示。由圖可以看出瀝青老化后黏度顯著增加，這主要是因?yàn)槔匣^(guò)程造成瀝青中輕質(zhì)組分如芳香族化合物揮發(fā)或氧化為膠質(zhì)組分，而膠質(zhì)組分又繼續(xù)氧化為瀝青質(zhì)，致使膠漿勁度增加[13]。隨著試驗(yàn)溫度的增加，各膠漿黏度均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這是因?yàn)闉r青屬于溫度敏感黏彈性材料，其內(nèi)部彈性成分會(huì)因較高熱量而部分散失，致使膠漿中黏性成分上升而彈性成分下降；隨著PP摻量的增加，改性瀝青膠漿的黏度逐漸增加，即復(fù)合改性瀝青更多表現(xiàn)出塑料類(lèi)特性，這主要由于改性劑PP在膠漿中充分吸附輕質(zhì)油分而發(fā)生明顯溶脹作用，且其內(nèi)部組分與PP分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成架構(gòu)體系，限制了瀝青基質(zhì)的流動(dòng)[14]?？傮w上，改性瀝青黏度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO M 332-14)要求(即RV135 ℃-max=3 Pa·s)[15]，即說(shuō)明其在拌和施工過(guò)程中具有良好的流動(dòng)性。

(a)老化前

2.2 FrS分析

對(duì)比不同PP/SBR改性瀝青的58 ℃FrS試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖2)，可以看出：不同瀝青的G*/sinδ隨縮減頻率的增大而逐漸增大，即高縮減頻率對(duì)應(yīng)低測(cè)試溫度，膠漿彈性成分增加而黏性成分減少，從而更多表現(xiàn)出彈性體特性，高溫抗變形性能凸顯；相比之下，在低頻內(nèi)則更多呈現(xiàn)黏性。這就是車(chē)轍等病害經(jīng)常出現(xiàn)在長(zhǎng)縱坡路段的原因，即車(chē)速越低，車(chē)輛荷載持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，越容易出現(xiàn)車(chē)轍；對(duì)比瀝青老化前后，PP摻加可使較寬的縮減頻率范圍內(nèi)膠漿G*/sinδ值增加，且PP摻量越大效果越顯著。這是因?yàn)镻P改性劑改變了膠漿的黏彈性成分，且相同縮減頻率(測(cè)試溫度)下PP在膠漿中的溶脹和與瀝青各組分的交聯(lián)互穿限制了瀝青基質(zhì)運(yùn)動(dòng)，增大了膠漿體系內(nèi)聚力，從而增強(qiáng)體系抵抗變形能力，即達(dá)到相同變形時(shí)需要更大外力[14，16-17]。此外，老化前后瀝青FrS結(jié)果變化規(guī)律大致相同，且老化后膠漿G*/sinδ值顯著高于老化前，這與RV試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相符。

(a)老化前

2.3 TeS分析

不同瀝青的復(fù)數(shù)模量(G*)和相位角(δ)隨測(cè)試溫度變化情況如圖3所示。由圖3可以看出：隨著溫度的上升，瀝青膠漿的G*逐漸減小而δ值逐漸變大，這是因?yàn)闇囟扰噬沟脼r青分子鏈更加活躍，且分子間作用力和相互交聯(lián)作用減弱，內(nèi)部的彈性成分減少而黏性成分增加，膠漿逐漸變得柔軟[16]。然而PP的摻量，老化前后改性瀝青的G*值逐漸增大而δ值逐漸降低，如：在58 ℃下相較于4%SBR瀝青，老化前復(fù)合改性膠漿的G*和δ變化率分別為46.17%和-0.47%(4%SBR+2%PP),100.68%和-0.93%(4%SBR+4%PP),127.08%和-1.30%(4%SBR+6%PP),153.13%和-1.63%(4%SBR+8%PP)，即再次證實(shí)PP改善了SBR改性瀝青高溫抗變形能力和彈性恢復(fù)性能。分析原因：PP吸收了膠漿中多余的自由瀝青而溶脹，降低溫度敏感性并增加了結(jié)構(gòu)瀝青成分；同時(shí)PP分子鏈在體系內(nèi)部通過(guò)交聯(lián)糾纏效應(yīng)形成互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且摻量越大PP分子鏈密集化程度越高，從而改善了瀝青高溫性能[14，17]；此外,總體上老化后瀝青G*值增加而δ值降低即膠漿勁度增加,這是由熱氧老化導(dǎo)致部分瀝青輕質(zhì)組分減少,以及部分PP分子鏈裂解、支化和交聯(lián)造成的[17-18]。

(a)老化前

參考規(guī)范AASHTO M 320-17[19]，針對(duì)TeS試驗(yàn)的G*/sinδ值利用式(1)確定對(duì)應(yīng)的臨界溫度TG*/sin δ值以表征瀝青膠漿高溫性能，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示。可以看出隨著PP摻量的增加，改性瀝青的臨界溫度逐漸上升，例如與4%SBR改性瀝青相比，其TG*/sin δ值分別增加2.29 ℃(4%SBR+2%PP),4.80 ℃(4%SBR+4%PP),7.92 ℃(4%SBR+6%PP),9.08 ℃(4%SBR+8%PP)。

表4 不同PP/SBR改性瀝青臨界溫度

(1)

2.4 MSCR分析

對(duì)不同PP/SBR改性瀝青進(jìn)行58 ℃MSCR試驗(yàn)，以分析其高溫彈性變形性能，在多重應(yīng)力水平(0.1 kPa和3.2 kPa)下累計(jì)剪應(yīng)變-時(shí)間(γ-t)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。由圖4可以看出：相比與0.1 kPa，應(yīng)力水平3.2 kPa下膠漿的γ值顯著提升，這說(shuō)明路面易受車(chē)輛荷載影響，重載車(chē)輛更易導(dǎo)致嚴(yán)重路面變形；同時(shí)，重復(fù)荷載會(huì)造成路面剪應(yīng)變?cè)黾印Ｒ許BR改性瀝青為例，經(jīng)多重應(yīng)力水平(0.1 kPa和3.2 kPa)重復(fù)荷載作用后γ值分別為148.22%和6 227.23%，這就可以解釋為何重復(fù)車(chē)輛荷載容易造成路面車(chē)轍。此外可以看出：PP的摻加顯著降低了改性瀝青的γ值，即增大了膠漿的彈性恢復(fù)能力，這與前述FrS測(cè)試結(jié)果一致。這一現(xiàn)象是因?yàn)镻P吸收瀝青輕質(zhì)組分并產(chǎn)生溶脹作用，且SBR-PP產(chǎn)生分子鏈交聯(lián)互穿并團(tuán)聚膠漿組分，以分散緩沖外界荷載沖擊能，從而使膠漿體系在高溫下更穩(wěn)定，其高溫抗永久變形能力得以改善[17-18，20]。

圖4 在58 ℃下不同PP/SBR改性瀝青的γ-t曲線(xiàn)

由圖5不同改性瀝青在多重應(yīng)力水平下(0.1 kPa和3.2 kPa)的R(τ)值可以看出：隨著測(cè)試溫度的上升，各膠漿在0.1 kPa和3.2 kPa下的R(τ)值均下降，這是由于膠漿彈性成分因高溫高熱而散失，導(dǎo)致黏性成分比例相對(duì)增加，瀝青逐漸由彈性形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば孕螒B(tài)，因而抗變形及彈性恢復(fù)性能減弱[13]；同時(shí)，PP/SBR改性瀝青R(τ)值高于SBR瀝青，且這一趨勢(shì)隨著PP摻量增加而愈發(fā)顯著，即說(shuō)明PP增強(qiáng)了SBR改性瀝青的抗永久變形能力；可以注意到：0.1 kPa下超過(guò)70 ℃和3.2 kPa下超過(guò)64 ℃時(shí)R(τ)值為負(fù)，這是因?yàn)樵谶@些溫度下瀝青膠漿的黏性特性更加顯著，而彈性特性幾乎消失，因而瀝青膠漿在加載后很難恢復(fù)到原有形態(tài)，抗變形能力也幾乎消失。此外，對(duì)于相同瀝青膠漿，當(dāng)應(yīng)力水平從0.1 kPa增至3.2 kPa時(shí)R(τ)值降低。這也與重型車(chē)輛荷載會(huì)導(dǎo)致道路更大變形的事實(shí)相符。

(a)0.1 kPa

由圖6(a)不同改性瀝青在多重應(yīng)力水平下(0.1 kPa和3.2 kPa)的Jnr(τ)和Jnr(diff)值可以看出：隨測(cè)試溫度增加，多重應(yīng)力水平下不同膠漿Jnr(τ)值均呈上升趨勢(shì)，即膠漿應(yīng)變恢復(fù)性能持續(xù)降低，這也與TeS試驗(yàn)和RV試驗(yàn)結(jié)果相一致，是由瀝青本身溫度敏感的粘彈性體特性決定的；此外，隨著PP摻量增加，多重應(yīng)力水平下(0.1 kPa和3.2 kPa)Jnr(τ)值逐漸降低，即膠漿在重復(fù)荷載作用下彈性變形恢復(fù)性能增強(qiáng)，這是由于PP改變?yōu)r青膠漿的粘彈性成分，在同溫下復(fù)合改性瀝青具有更多彈性成分，增強(qiáng)了瀝青膠漿體系內(nèi)聚力。依據(jù)規(guī)范(AASHTO M 332-14)對(duì)瀝青膠漿適應(yīng)交通環(huán)境的劃分要求，分別以Jnr(3.2 kPa)和Jnr(diff)為分級(jí)指標(biāo)[15]，將不同改性瀝青的適應(yīng)交通等級(jí)進(jìn)行劃分，可以看出2%～8%PP摻量的SBR改性瀝青適用于64℃重載交通及以下，6%-8%PP摻量的SBR改性瀝青適用于58℃特重交通及以下橋面或路面鋪裝層。

(a)Jnr(τ)

2.5 LAS分析

圖7(a)和(b)分別展示不同改性瀝青膠漿黏彈持續(xù)損傷(Viscoelastic Continuum Damage,VECD)的疲勞參數(shù)A和B值和在振幅應(yīng)變水平2.5% 和 5.0%下失效循環(huán)次數(shù)Nf。A值表示膠漿保持完整性的能力，A值越小|G*cosδ|值越低；B值表示膠漿的應(yīng)力敏感性，其絕對(duì)值越小表明隨著應(yīng)變水平振幅的增加，膠漿應(yīng)變敏感性越低，疲勞損傷的衰減率越小。由圖7(a)可以看出隨著PP摻量增加,膠漿維持完整性能力逐漸衰減,且衰減比例逐漸減小。例如:相較于SBR改性瀝青,A值衰減值分別為14.32%(4%SBR+2%PP),19.26%(4%SBR+4%PP),26.44%(4%SBR+6%PP)和 27.87%(4%SBR+8%PP)。同時(shí)PP的摻加增加了膠漿的|B|值,即隨著應(yīng)變水平振幅的增加,應(yīng)力敏感性增強(qiáng)且疲勞壽命衰減率增加,然而在實(shí)際使用中需要瀝青膠漿具有較低的疲勞壽命衰減率。這一現(xiàn)象是由于PP摻加增大了膠漿勁度而致使疲勞抵抗性部分衰減。此外,由圖7(b)可看出:振幅應(yīng)變水平的增加會(huì)造成膠漿的Nf值顯著降低,這驗(yàn)證了在實(shí)際使用中重載交通更易造成瀝青路面疲勞壽命衰減。在2.5%和5.0%振幅應(yīng)變水平下,PP摻加均造成膠漿Nf值降低。以2.5%應(yīng)變水平為例,相較于SBR瀝青,復(fù)合改性瀝青Nf降低值分別為4.76%(4%SBR+2%PP),11.94%(4%SBR+4%PP),22.13%(4%SBR+6%PP),33.83%(4%SBR+8%PP)；這說(shuō)明PP可能會(huì)削弱膠漿抗疲勞能力并降低其疲勞壽命。這主要是因?yàn)樵谀z漿中PP產(chǎn)生顯著溶脹且內(nèi)部輕質(zhì)油分被吸附，體系內(nèi)部組分與PP分子鏈產(chǎn)生互穿交聯(lián)形成架構(gòu)，致使自由瀝青減少，整個(gè)體系呈現(xiàn)高勁度的彈性體特性，因而更易出現(xiàn)疲勞破壞。

(a) 疲勞損傷參數(shù)

2.6 BBR分析

圖8展示了不同改性瀝青膠漿BBR試驗(yàn)指標(biāo)Sm值和m值隨測(cè)試溫度變化情況?？梢钥闯觯弘S著試驗(yàn)溫度降低，改性瀝青Sm值逐漸上升而m值下降，即膠漿的低溫蠕變和應(yīng)力松弛性能減弱，因而瀝青路面在行車(chē)荷載的作用下更易受損破壞；相同測(cè)試溫度環(huán)境，PP摻量增大使得膠漿的Sm值越大而m值越小，例如：在-6 ℃下，相比與SBR改性瀝青，復(fù)合改性瀝青的Sm值和m值變化量為37.62%和-9.56%(4%SBR+2%PP),47.52%和-10.94%(4%SBR+4%PP),72.27%和-16.17%(4%SBR+6%PP),91.02%和-22.39%(4%SBR+8%PP)，即說(shuō)明PP摻加降低了膠漿應(yīng)力松弛性能，增強(qiáng)了其脆硬性。這一現(xiàn)象主要因?yàn)镻P在膠漿體系中充分吸附輕質(zhì)油分而產(chǎn)生溶脹，并且瀝青基質(zhì)組分與PP分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)架構(gòu)體系，限制了瀝青基質(zhì)的流動(dòng)和低溫環(huán)境下的延展性，致使膠漿體系在低溫下變得脆硬，柔韌性降低。通過(guò)分析認(rèn)為只要PP摻量小于6%，其對(duì)膠漿低溫性能的影響相對(duì)較小[20]。

圖8 不同PP/SBR改性瀝青的BBR結(jié)果

3 結(jié)論

a.在不同測(cè)試溫度下，PP的摻加可顯著增加SBR改性瀝青老化前后的黏度，且改性后的黏度仍能滿(mǎn)足規(guī)范中對(duì)瀝青膠漿在拌和施工時(shí)流動(dòng)性要求。

b.在SBR改性瀝青中摻加PP可顯著增大膠漿G*和G*/sinδ值，增加彈性組分，顯著改善高溫抗變形能力和彈性恢復(fù)性能，且摻量越大增強(qiáng)效果越明顯；2%～8% PP摻量可將其臨界溫度提升2～9 ℃。

c.MSCR試驗(yàn)結(jié)果表明在多重應(yīng)力水平和試驗(yàn)溫度下，PP可顯著增強(qiáng)SBR改性瀝青的高溫抗變形能力和彈性恢復(fù)性能，其中2%～8%和6%～8%的PP摻量范圍的SBR改性瀝青分別適用于64 ℃重載交通及以下和58 ℃特重交通及以下橋面或路面鋪裝層。

d.基于LAS試驗(yàn)結(jié)果，PP摻量增加使得復(fù)合改性瀝青逐漸呈現(xiàn)高勁度彈性體特性，致使抗疲勞壽命不斷衰減，但只要PP摻量控制在6%以?xún)?nèi)，膠漿抗疲勞性能衰減相對(duì)較小。

e.在低溫條件下，PP摻加會(huì)降低SBR瀝青應(yīng)力松弛性能和低溫蠕變能力，增強(qiáng)其脆硬性。綜合分析復(fù)合改性瀝青高低溫流變及疲勞性能，6%PP摻量對(duì)SBR改性瀝青的復(fù)合改性效果最佳。