不同標(biāo)號(hào)瀝青膠漿流變性能研究

葉爾木拉提·木哈得爾

（中鐵建新疆京新高速公路有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

瀝青混合料性質(zhì)隨溫度及荷載作用變化而變化，在不同溫度條件下表現(xiàn)出彈性、黏性和黏彈性。現(xiàn)代膠漿理論認(rèn)為，瀝青混合料是一種三級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散系，一般認(rèn)為瀝青膠漿（由填料及瀝青組成）的構(gòu)成及性質(zhì)對(duì)瀝青混合料的力學(xué)性能與路用性能具有決定性的影響[1]。Zhan 等[2]研究分析了瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量與瀝青膠漿黏彈性之間的關(guān)系表明兩者的相關(guān)性較強(qiáng)，可利用瀝青膠漿的黏彈性較好地預(yù)測(cè)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量。Arshadi[3]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青膠漿的黏彈性與混合料抗車(chē)轍性能關(guān)系緊密，瀝青膠漿中的黏性成分和彈性成分可以很好地提高混合料的抗車(chē)轍性能。相比彈性成分作用，黏性成分對(duì)混合料的抗車(chē)轍性提高更明顯。Cristian Durta[4]采用不同的礦粉填料，在不同溫度條件下對(duì)基質(zhì)瀝青及其膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，通過(guò)瀝青的流變性能得到了預(yù)估的瀝青膠漿的特性參數(shù)，并建立了瀝青與瀝青膠漿之間的聯(lián)系。以上眾多研究均表明，瀝青膠漿對(duì)瀝青混合料性能具有較大的影響。因此，對(duì)不同標(biāo)號(hào)瀝青與礦粉填料所組成的瀝青膠漿流變性能進(jìn)行了深入研究，其結(jié)果對(duì)于合理選擇瀝青種類(lèi)具有重要的參考價(jià)值。

1 瀝青膠漿的制備

1.1 原材料

研究采用70#（SK）、50#（TPK）、30#（KL）、20#（KL）4 種不同的瀝青，其技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如圖1 所示。礦粉采用石灰?guī)r礦粉，礦粉技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 礦粉技術(shù)指標(biāo)

圖1 瀝青基本性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青膠漿制備

采用0.6、0.9、1.2、1.5 四個(gè)不同的粉膠比制備瀝青膠漿。先將礦粉置于105℃烘箱中加熱4 h 以去除水分，同時(shí)將4 種瀝青置于烘箱中，加熱溫度分別為其軟化點(diǎn)溫度+100℃，將瀝青烘至流動(dòng)狀態(tài)即可。之后將流淌狀態(tài)的瀝青置于相對(duì)應(yīng)溫度下的油浴鍋中，開(kāi)動(dòng)葉片攪拌器，葉片速度為500 r/min，邊攪拌瀝青邊分批次加入稱(chēng)量好的瀝青，攪拌一共持續(xù)30 min，以保證礦粉與瀝青的充分混合。攪拌完成后立即制備DSR 樣品，防止礦粉在瀝青膠漿中沉淀，同時(shí)對(duì)制備的DSR 樣品在1 d 內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，防止樣品性質(zhì)發(fā)生變化。

2 瀝青膠漿在不同頻率下的流變性能

為了研究瀝青膠漿在更廣溫度域及頻率域中的性能，對(duì)上述16 種瀝青膠漿在5 種溫度（40℃、50℃、60℃、70℃、80℃）下進(jìn)行了頻率掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)頻率范圍為0.1～100 rad/s，應(yīng)變選擇1.25%，獲得了不同溫度、不同瀝青、不同粉膠比的瀝青膠漿各類(lèi)流變學(xué)指標(biāo)隨加載頻率變化的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同頻率下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量數(shù)據(jù)，采用更適用于瀝青膠漿的sigmoidal 模型，對(duì)不同溫度下的瀝青膠漿頻率掃描曲線進(jìn)行主曲線擬合，從而對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行更廣溫度范圍的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)不同標(biāo)號(hào)、不同粉膠比的瀝青膠漿按上述試驗(yàn)條件進(jìn)行頻率掃描，得到16 種瀝青膠漿在5 種溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量隨頻率變化數(shù)據(jù)，并繪制瀝青模量主曲線，如圖2 所示。

圖2 瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量主曲線

根據(jù)以上瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量主曲線，利用sigmoidal 模型，求出不同瀝青膠漿5℃和15℃下的不同頻率時(shí)的復(fù)數(shù)剪切模量。選擇10 Hz 時(shí)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量作為基準(zhǔn)分析對(duì)象。圖3 為不同瀝青膠漿在5℃和15℃時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量。

圖3 不同溫度下的瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量

對(duì)以上不同溫度下的瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量進(jìn)行方差分析，得到瀝青標(biāo)號(hào)[70#（SK）、50#（TPK）、20#（KL）]及粉膠比大小（0.6、0.9、1.2、1.5）兩個(gè)因素對(duì)復(fù)數(shù)剪切模量的顯著性影響水平（α=5%水平下）。方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 方差分析結(jié)果

由上述方差分析結(jié)果可知，在60℃高溫條件下，粉膠比與瀝青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量均具有顯著性的影響，且瀝青類(lèi)型對(duì)膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量影響水平更顯著。我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)估也充分考慮了60℃、10 rad 下瀝青結(jié)合料復(fù)數(shù)剪切模量的影響。這也說(shuō)明瀝青結(jié)合料的復(fù)數(shù)剪切模量對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)的重要性。

在15℃中溫條件下，粉膠比與瀝青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量同樣具有顯著性的影響。此時(shí)兩種因素對(duì)復(fù)數(shù)剪切模量的影響水平大致相等。在5℃低溫條件下，上述兩種因素對(duì)膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量同樣均具有顯著性的影響，但在此條件下，粉膠比對(duì)復(fù)數(shù)剪切模量的影響更為顯著。

3 瀝青膠漿在不同溫度下的流變性能

為了更具體地了解不同溫度下，瀝青膠漿性能受粉膠比和瀝青種類(lèi)的影響，利用DSR 試驗(yàn)儀測(cè)試了上述16 種不同標(biāo)號(hào)、不同粉膠比的瀝青膠漿在不同溫度下的各項(xiàng)流變學(xué)指標(biāo)。測(cè)試條件如下：采用應(yīng)變控制方式，應(yīng)變選用1.25%，平行板直徑為25 mm，間隙為1 mm，試驗(yàn)頻率選為10 rad/s，試驗(yàn)溫度間隔固定在6℃。得到不同粉膠比的瀝青膠漿在不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車(chē)轍因子G*/sinδ、儲(chǔ)存模量G′和損耗模量G″。以下分別對(duì)各流變學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。

3.1 復(fù)數(shù)剪切模量G*與相位角δ

不同瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G* 和相位角δ如圖4 所示。

圖4 不同瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量及相位角

在瀝青種類(lèi)及粉膠比不變的情況下，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量均隨著溫度的增大而減小，對(duì)應(yīng)到混合料中，預(yù)示著瀝青混合料的抗車(chē)轍性能隨著溫度的升高而降低。同時(shí)，隨著溫度的升高，瀝青膠漿的相位角也有逐漸增大的趨勢(shì)，更進(jìn)一步表明溫度越高，瀝青的彈性成分越低而黏性成分越高。

對(duì)不同瀝青及不同粉膠比兩種因素對(duì)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量及相位角進(jìn)行兩因素方差分析。表3為試驗(yàn)溫度40℃條件下，4 種瀝青4 種粉膠比共16種瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G* 在顯著性水平α=5%條件下的方差分析結(jié)果。

表3 40℃時(shí)瀝青膠漿G* 方差分析結(jié)果

由表3 可知，F(xiàn)（瀝青類(lèi)型）=54.52＞F crit=3.26，F(xiàn)（粉膠比）=10.09＞F crit=3.49，表明瀝青種類(lèi)及粉膠比對(duì)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量具有顯著性影響。結(jié)合表4 可知，瀝青標(biāo)號(hào)越低，粉膠比越大，組成的瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*越大。

表4 不同溫度下瀝青膠漿G* 方差分析結(jié)果

對(duì)40～88℃下的瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量G*進(jìn)行方差分析，可以得到不同溫度下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*對(duì)瀝青類(lèi)型和粉膠比的方差分析結(jié)果F值（見(jiàn)表4）。

由表4 可以發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，F(xiàn)（瀝青類(lèi)型）值始終大于F crit，且隨著溫度的升高，F(xiàn)（瀝青類(lèi)型）值有先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，F(xiàn)（粉膠比）值也有隨著溫度升高先增大后減小的趨勢(shì)，且在82℃及88℃高溫條件下，F(xiàn)（粉膠比）值開(kāi)始小于F crit。以上規(guī)律表明，在所試驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，粉膠比對(duì)瀝青膠漿的G*影響比瀝青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿的G*影響更顯著。隨著溫度的升高，兩種因素對(duì)膠漿G* 影響的顯著性先增大后減小，在70℃時(shí)兩者的顯著性達(dá)到最大，即在此溫度下，調(diào)整瀝青種類(lèi)及粉膠比大小對(duì)瀝青膠漿的G* 影響最大。隨著溫度達(dá)到82℃以上后，粉膠比對(duì)瀝青膠漿G* 在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒(méi)有顯著性的影響，說(shuō)明在高溫條件下，改變粉膠比不會(huì)顯著性地改變?yōu)r青膠漿的G*。

對(duì)瀝青膠漿的相位角δ 進(jìn)行相應(yīng)的方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同溫度下瀝青膠漿相位角δ 方差分析結(jié)果

由表5 可知，瀝青類(lèi)型及粉膠比對(duì)瀝青膠漿相位角的影響顯著性指標(biāo)F 值均隨著溫度的升高而出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。從具體數(shù)值可以看出，F(xiàn)（瀝青類(lèi)型）值始終大于F crit，而F（粉膠比）值始終小于F crit。以上規(guī)律表明，瀝青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿的相位角具有顯著性的影響，而粉膠比對(duì)瀝青膠漿的相位角沒(méi)有顯著性影響，即在所選用的幾種瀝青及粉膠比的范圍內(nèi)，改變?yōu)r青種類(lèi)可以顯著性地調(diào)整瀝青膠漿中的黏彈性比例，而改變粉膠比大小則對(duì)瀝青膠漿的黏彈性比例無(wú)顯著性的影響。同時(shí)，在較高溫度（如70℃）下，改變?yōu)r青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿黏彈性比例的影響顯著性水平最大，而當(dāng)溫度再升高至70℃以上后，這種影響的顯著性水平又會(huì)逐漸減小。

3.2 車(chē)轍因子G*/s inδ

基于以上分析，得到了瀝青膠漿的力學(xué)指標(biāo)——復(fù)數(shù)剪切模量G* 及相位角δ 在瀝青種類(lèi)及粉膠比兩種因素下的顯著性水平。為了深入了解這兩種因素對(duì)瀝青膠漿的路用性能的影響，本文選用了車(chē)轍因子G*/sinδ、儲(chǔ)存模量G′、損耗模量G″3 種流變學(xué)指標(biāo)，分別分析上述兩種因素對(duì)瀝青膠漿的抗車(chē)轍性能、彈性和黏性的顯著性水平，探究瀝青種類(lèi)及粉膠比在不同溫度下對(duì)瀝青膠漿的影響水平。圖5 分別為不同粉膠比下70#（SK）、50#（TPK）、30#（KL）、20#（KL）瀝青膠漿在不同溫度下的車(chē)轍因子G*/sinδ。

圖5 瀝青膠漿車(chē)轍因子

對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用相同的方差分析方法，得到不同瀝青膠漿不同溫度下G*/sinδ、G′、G″的F（瀝青類(lèi)型）值與F（粉膠比）值，分別列于表6 中。

表6 不同溫度下瀝青膠漿G*/s inδ 方差分析結(jié)果

由表6 可知，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)（瀝青類(lèi)型）值一直大于3.26，且F（瀝青類(lèi)型）值大F（粉膠比）值一個(gè)量級(jí)。同時(shí)，F(xiàn)（粉膠比）值隨著溫度的升高而下降，當(dāng)試驗(yàn)溫度為64℃時(shí)，F(xiàn)（粉膠比）值開(kāi)始小于3.49。以上規(guī)律表明，瀝青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿車(chē)轍因子G*/sinδ 具有顯著性影響，同時(shí)其影響水平遠(yuǎn)高于粉膠比對(duì)瀝青膠漿車(chē)轍因子G*/sinδ 的影響水平。由于車(chē)轍因子常作為瀝青類(lèi)材料的抗車(chē)轍性能指標(biāo)，因此在該試驗(yàn)溫度條件下，相較于改變粉膠比的大小，改變?yōu)r青種類(lèi)能顯著性地提升瀝青膠漿的抗車(chē)轍性能。當(dāng)溫度高于64℃時(shí)，改變粉膠比對(duì)瀝青膠漿的抗車(chē)轍性能沒(méi)有顯著性影響，說(shuō)明在高溫條件下，若需要提升瀝青膠漿的抗車(chē)轍性能，最有效的方法是改變?yōu)r青種類(lèi)。

將上述G*、δ、G*/sinδ 這3 種流變學(xué)指標(biāo)在不同溫度下的方差分析結(jié)果整理匯總，具體見(jiàn)表7。表7中，* 表示具有顯著性影響，** 表示顯著性影響水平更高，無(wú)標(biāo)志的代表此因素對(duì)指標(biāo)無(wú)顯著性影響。

表7 粉膠比及瀝青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿流變指標(biāo)影響水平

由表7 可知，在瀝青膠漿中，瀝青種類(lèi)對(duì)膠漿流變學(xué)性能影響始終最為顯著，而粉膠比僅在中溫條件下對(duì)瀝青膠漿的G* 及G″具有顯著性影響。

4 結(jié)論

對(duì)70#（SK）、50#（TPK）、30#（KL）、20#（KL）4種瀝青分別按照0.6、0.9、1.2、1.5 的粉膠比制備了16 種瀝青膠漿，并對(duì)其進(jìn)行了溫度掃描以及頻率掃描試驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下：

（1）瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量隨著瀝青標(biāo)號(hào)的減小及粉膠比的增大而升高；瀝青膠漿的相位角隨著瀝青標(biāo)號(hào)增大而增大，而與粉膠比相關(guān)性不大。

（2）瀝青膠漿頻率掃描試驗(yàn)及主曲線結(jié)果表明：在5℃低溫條件下，粉膠比對(duì)瀝青膠漿的力學(xué)性能影響更顯著；在15℃中溫條件下，粉膠比及瀝青種類(lèi)對(duì)瀝青膠漿的力學(xué)性能影響水平大致相同；在60℃高溫條件下，瀝青種類(lèi)對(duì)瀝青膠漿的力學(xué)性能影響更顯著。

（3）不同溫度下瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車(chē)轍因子G*/sinδ 的影響因素分析結(jié)果表明：在中高溫條件下，瀝青種類(lèi)對(duì)膠漿流變學(xué)性能影響最為顯著。