高粘度改性瀝青的制備與性能研究

金塬上

遼寧省交通科學研究院有限責任公司 遼寧沈陽 1 1 0 0 0 0

1 高粘度改性瀝青相關論述

排水瀝青路面是指壓實后空隙率在18%-25%，能夠在瀝青混凝土內部形成排水通道的路面結構，具有排水、防滑、降噪等使用優點，在當今城市內澇嚴重、國家大力發展“海綿城市”的大背景下具有重要推廣價值。由于排水瀝青路面特殊的大空隙結構，因此需要高粘度的改性瀝青提供優異的膠結作用，進一步實現其路面使用功能。本文以基質瀝青和SBS改性瀝青為基體膠結料，采用自主研發的高粘度改性劑（TPS-1）和國外某對比產品（TPS-2）為改性劑分別制備高粘度改性瀝青。用流變儀通過剪切速率掃描、溫度掃描、頻率掃描和應變掃描等實驗，考察改性瀝青的粘彈性等流變參數變化，探究了高粘度改性瀝青的高低溫性能，為高粘度改性瀝青的選擇和應用提供參考。

2 實驗

2.1 試驗材料

瀝青：分別為韓國SK70#基質瀝青和中石化泰州石化SBS改性瀝青。自制高粘度瀝青改性劑（TPS-1）：由彈性體加以增粘、增容、增塑等組分，通過雙螺桿擠出機共混造粒加工制備而成；對比高粘度瀝青改性劑（TPS-2）：日本某公司產品。

2.2 改性瀝青制備方法

將70#基質瀝青加入盛樣器中并保持溫度在180℃，分別加入瀝青質量12%的2種不同高粘度改性劑。采用剪切機以4500r/min高速剪切0.5h，并放入180℃烘箱中發育0.5h，完成后立即澆模進行相關實驗；用SBS改性瀝青制備高粘度改性瀝青的方法與以上制備方法相同，只是2種改性劑摻量均為瀝青質量的10%。4種改性瀝青分別命名為：12%TPS-1、12%TPS-2、10%TPS-1（SBS）、10%TPS-1（SBS）。

2.3 流變試驗

方法采用AntonPaarMCR102流變儀對4種改性瀝青分別進行穩態流變試驗和動態流變試驗。

（1）穩態試驗：采用PP25轉子，剪切速率掃描范圍為10-4-102s-1，溫度為60℃。

（2）動態試驗：①溫度掃描分別采用PP08（-30-30℃）和PP25（25-80℃）轉子，應變分別為0.1%和1%，升溫速率為1℃/min，頻率為10Hz；②頻率掃描采用PP25轉子，應變為1%，角頻率為1-100rad/s，溫度為60℃；③應變掃描采用PP25轉子，應變為1%-50%，頻率為10Hz，溫度為60℃[1]。

3 結果與分析

3.1 剪切速率對改性瀝青粘度的影響

高粘度瀝青的60℃粘度是一個很重要的指標參數，對排水瀝青路面大空隙結構的粘結性、抗飛散能力等路用能力至關重要。目前高粘度瀝青粘度測試方法有動力粘度、布氏粘度等，但是動力粘度測試存在剪切速率不確定的問題，而布氏粘度60℃測量方法繁瑣且粘度值采用間接外推的方法得到，以上2種粘度測試方法均會影響測試結果的準確性。零剪切粘度采用流變儀進行剪切速率掃描測試，定義粘度平臺區域為零剪切粘度，測試結果具有簡單快速、準確性較高、合理性強的特點。

在低剪切速率下改性瀝青粘度基本不變，之后隨剪切速率增大粘度逐漸降低，符合改性瀝青粘度的剪切變稀特性。其中在10-3-10-2s-1剪切范圍內，粘度基本為平臺區，將此范圍粘度平均值定義為零剪切粘度。通過數據可以計算出12%TPS-1樣品的零剪切粘度為51406Pa·s，遠大于國外對比樣12%TPS-2的23894Pa·s。同等摻量下，自主研發高粘度改性劑制備的改性瀝青零剪切粘度為國外某對比樣品的2倍多。用SBS改性瀝青替換基質瀝青對高粘度改性劑改性后，10%TPS-1（SBS）樣品的零剪切粘度為93288Pa·s，仍遠大于10%TPS-2（SBS）的53375Pa·s[2]。此外，以TPS-1樣品為例，可以發現用SBS改性瀝青替換基質瀝青制備高粘度改性瀝青，在降低改性劑摻量的前提下，零剪切粘度從51406Pa·s大幅度增加至93288Pa·s。

3.2 溫度對改性瀝青高低溫性能的影響

瀝青是一種溫度敏感材料，使用性能受環境高低溫影響較大，因此研究溫度對改性瀝青性能的影響很有必要。圖2為在低溫條件下，4種改性瀝青的溫度掃描曲線。

圖1 不同改性瀝青的低溫掃描曲線

其中，通過耗能模量G″曲線的轉折點可以得到改性瀝青的玻璃化轉變溫度（Tg）。Tg是表征瀝青膠體從玻璃態到高彈態轉變的溫度，一般Tg越低，改性瀝青低溫性能越好。

從圖1可以得出，12%TPS-1樣品的Tg為-21.5℃，低于12%TPS-2樣品的-17.0℃，說明12%TPS-1樣品的低溫性能較好。

同理，用SBS改性瀝青制備改性瀝青10%TPS-1（SBS）樣品（Tg為-22.7℃）的低溫性能仍好于10%TPS-2（SBS）（Tg為-19.0℃）。此外對于同一種改性劑，用SBS改性瀝青替換基質瀝青后，Tg降低，低溫性能有相應的提高。

圖2和圖3分別為基質瀝青和SBS瀝青制備的高粘度改性瀝青在高溫范圍內的溫度掃描曲線。

圖2 基質瀝青制備的高粘度改性瀝青高溫掃描曲線

圖3 SBS瀝青制備的高粘度改性瀝青高溫掃描曲線

由圖2、圖3可見：

（1）隨溫度升高，4種改性瀝青的車轍因子均逐漸減小，符合改性瀝青高溫軟化的特性。對于12%TPS-1和12%TPS-2樣品，可以發現在測試溫度范圍內，12%TPS-1的車轍因子大于12%TPS-2，說明自主研發高粘度瀝青改性劑制備的改性瀝青高溫性能較優。對于10%TPS-1（SBS）和10%TPS-2（SBS）樣品，同樣可以得出10%TPS-1（SBS）的車轍因子大于10%TPS-2（SBS），但兩者相差不大。

（2）TPS-1樣品制備的改性瀝青的相位角均小于TPS-2樣品。而相位角反映瀝青材料的粘彈性比例，相位角越小，材料彈性占比越強，在高溫條件下更不容易變形，與TPS-1抗車轍能力較強相符。

以TPS-1樣品為例，由SBS改性瀝青替換基質瀝青制備高粘度改性瀝青后可以發現，在40-70℃范圍內，12%TPS-1樣品的車轍因子大于10%TPS-1（SBS），可能是在此溫度范圍內改性劑摻量發揮主導作用；在70-80℃范圍內12%TPS-1樣品的車轍因子小于10%TPS-1（SBS）樣品，可能是因為12%TPS-1樣品在高溫條件下受溫度影響相對更大，抗車轍性能沒有10%TPS-1（SBS）樣品穩定[3]。

4 結語

通過剪切速率掃描實驗，可以發現同等摻量條件下自主研發的高粘度改性劑在粘度方面有明顯優勢；通過SBS改性瀝青替換基質瀝青制備改性瀝青，在保證零剪切粘度的前提下可以降低改性劑摻量，從而達到節省成本的目的。在高溫掃描范圍內TPS-1改性劑的車轍因子均大于TPS-2，因而自主研發產品抗車轍能力較強。此外，可以根據路面實際環境溫度選擇是否用SBS改性瀝青替換基質瀝青制備改性瀝青；當路面溫度大于70℃時，用SBS改性瀝青制備的高粘度改性瀝青其抗車轍性能更好。