改性沥青及其流变学性能研究

■魏 颖

（福建路达工程建设有限公司，福州 350001）

1 前言

改性沥青的研究，目前国内外使用较多、成效较好的是各种聚合物改性剂，其他种类的改性沥青实际应用不多。本文使用一些固体废弃物代替新料对沥青进行改性，既可以提高沥青的路用性能，又可以实现固废再利用，减少环境污染。不同的改性剂可以从不同的方面提高沥青的性能，SBS之类的传统改性剂，一吨需要2万多元，而废胶粉一吨约3000元左右，大大降低了成本，且资源循环利用。矿物填充料中加入脱硫灰和碳酸钙，起到填充补强的作用。本文主要研究讨论废胶粉/脱硫灰/碳酸钙复合改性沥青，通过改性前后沥青性能的变化来探讨其在应用上的前景[1]。

2 试验准备

2.1 主要原材料

原材方面主要采用70号道路沥青、废胶粉（30目）；脱硫灰 （龙净环保有限公司提供的由该公司脱硫设备形成的干法脱硫灰，100目）；碳酸钙（100目）。

2.2 主要设备及仪器

仪器方面主要采用上海昌吉YD-2806H型全自动沥青软化点试验器；上海昌吉SYD-2801F型低温针入度试验器；上海昌吉SYD-4508F型沥青延伸度试验器；上海FLUKO产高速剪切机；及美国TA公司AR-2000型旋转流变仪。

2.3 改性沥青制备

本文选取质量分数12%～20%的废胶粉（以下废胶粉简称JF）加入量为一个系列，测其三大指标，结果如表1所示。本文分别采用脱硫灰/碳酸钙改性沥青（以下脱硫灰简称T，碳酸钙简称C）掺量10%、20%、30%的配方，测其三大指标，结果如表2、表3、表4所示。制备时，在基质沥青中分别加入不同的改性剂，在高速剪切机6500r/min下搅拌1h制得样品。

3 试验结果与分析

3.1 改性沥青工程参数

从表1可以看出，废胶粉的加入明显提高了基质沥青的软化点，降低了针入度。软化点的提高即提高了沥青的耐热性，而且也优化了沥青的高温性能；针入度降低，即黏度增大，温感性变好。在废胶粉添加量为16%时，软化点达到一个高值，较果较佳。

表1 废胶粉改性沥青三大指标测试数据

表2 脱硫灰/碳酸钙改性沥青掺量10%三大指标测试数据

表3 脱硫灰/碳酸钙改性沥青掺量20%三大指标测试数据

表4 脱硫灰/碳酸钙改性沥青掺量30%三大指标测试数据

从表2、表3、表4可以看出，脱硫灰/碳酸钙的加入使得沥青的软化点明显提高，针入度增大，即沥青变得更软。且随着添加量的增加，软化点的增加值也越大。

上述研究表明：废胶粉改性沥青大大增加了沥青的弹性，但是导致沥青过硬，而脱硫灰/碳酸钙的加入则会使得沥青具备较好延度，但弹性不足。于是本文将废胶粉和脱硫灰/碳酸钙混合对沥青进行复合改性，并测其三大指标，结果如表5所示。

表5 废胶粉/脱硫灰/碳酸钙改性复合改性沥青三大指标

选取废胶粉的最佳添加量16%，来探讨脱硫灰/碳酸钙的最佳添加量。从表5可以看出，当添加12%碳酸钙、18%脱硫灰和16%废胶粉时，软化点提高最多，可以认为效果最好。

3.2 改性沥青流变学性能

将改性沥青样品裁成适宜大小，在AR2000旋转流变仪上进行测试。平行板夹具直径为25mm，夹具间距离为1mm，测试温度为65℃。频率扫描是在应变为1%下进行，频率扫描范围为0.1rad/s～100rad/s。温度扫描是在应变为1%下进行，温度扫描范围35～85℃。

3.2.1 温度扫描

复数剪切模量是指材料在受到重复剪切变形过程中所受到的总阻力大小的量度，通常由弹性部分（G′）和黏性部分（G″）组成，如图1所示。弹性部分代表的是材料在每次荷载循环过程中所储存的能量，黏性部分代表了材料在每次荷载循环过程中损耗的能量。材料中弹性部分与黏性部分的区分是由相位角的差异来表示，复数剪切模量是材料弹性部分与黏性部分的比值[2]。

图2给出了JFT/CJF/T/C改性沥青车辙因子的测试结果。

图1 复数剪切模量组成

图2 改性沥青车辙因子的影响（35℃～85℃）

图2表示的是温度区间时（35℃～85℃）改性剂对沥青车辙因子G*/sinδ的影响。从图中可以看出，掺加改性剂之后，改性沥青的车辙因子比基质沥青明显增大，且改性沥青的车辙因子随着改性剂的掺量增加而增大。SHRP沥青胶结料规范中规定用车辙因子G*/sinδ来表示沥青的抗车辙能力，在最高路面设计温度下，G*/sinδ越大就越好。临界温度值越高，说明这种沥青胶结料抵抗高温流动变形的能力就越强。因此，使用上述三种改性剂的改性沥青比基质沥青具备具备更优的抗高温车辙能力[3]。

3.2.2 频率扫描

图3给出了JFT/CJF/T/C改性沥青频率扫描下损耗模量随着频率的变化趋势。

图3 频率对于改性沥青损耗模量的影响

沥青掺入改性剂后，对其在不同荷载作用频率下的流变特性产生影响。图3表示的是65℃时频率对不同掺量改性剂改性沥青损耗模量的影响。从图中可以看出，改性沥青的损耗模量随着频率的增大而增加。损耗模量越低，沥青所具备的抗疲劳性能的最低温度就降低，则疲劳性能越好[4]。当碳酸钙添加量16%、脱硫灰添加量14%废胶粉添加量16%的复合改性沥青表现出较好的抗疲劳性能。

相位角是用来衡量材料可恢复变形量和不可恢复变形量相对关系的一个指标。对弹性固体来说相位角一般为0°，黏性流体的相位角一般为90°。沥青这样的黏弹性材料，它兼具弹性固体和黏性流体的性质，相位角一般在0°～90°之间，它的复数剪切模量和相位角的大小主要是随着温度和荷载频率的变化。在高温下，沥青会呈现出黏性流体的性质，其相位角趋于90°；在低温下，沥青会呈现出弹性固体的性质，其相位角趋于0°[5]。

图4 频率对于改性沥青相位角的影响

图4表示的是JFT/CJF/T/C改性沥青相位角随着频率的变化趋势，从图中可以看出，三个系列的改性沥青的相位角随着剪切频率的增长呈现减小的趋势。基质沥青的相位角是最接近90°的，表明基质沥青主要表现出黏性流体性质，而JF和JF/T/C沥青的相位角较基质沥青明显减小，废胶粉的加入使得沥青弹性显著增大。脱硫灰/碳酸钙改性沥青相位角较基质沥青有些许增大，这是由于脱硫灰/碳酸钙都是很细的无机粒子，会使基质沥青变软，黏性成分增加[6]。

4 结论

本文以废胶粉、脱硫灰、碳酸钙等作为沥青改性剂，制得JFT/CJF/T/C改性沥青并进行了流变学性能测试，得到了以下结论：

（1）将废胶粉/脱硫灰/碳酸钙复合对沥青进行改性，一方面可以增大沥青的强度，一方面又可以使沥青的黏度不至于下降的太厉害，实验证明当添加16%废胶粉18%脱硫灰12%碳酸钙时，软化点提高的最多，可以认为效果最好。

（2）JFT/CJF/T/C的改性沥青车辙因子随着温度的升高而减小。这表明这三种的改性沥青不仅强度增大，抗形变能力也增大了。

（3）与基质沥青相似，JFT/CJF/T/C改性沥青的改性沥青的损耗模量都随着荷载频率的增大而增大，相位角随着荷载频率的增大呈现减小的趋势，弹性成分增大。

[1]许爱华，郭朝阳，卢伟.废胎胶粉橡胶沥青改性机理研究[J].交通科技，2010，03：87-89.

[2]黄卫东，吕伟民.沥青及沥青混合料流变性质与动稳定度的关系[J].同济大学学报，2000，28（4）：501-504.

[3]曾赘，郭淑华.零剪切粘度与沥青高温性能的关系[J].石油沥青.2003，17（增刊）．

[4]李秀君，景彦平，原健安.沥青延度与流变特性关系研究分析（二）[J].石油沥青，2002，16.

[5]陈华鑫，王秉纲.SBS改性沥青的动态力学性能[J].华南理工大学学报（自然科学版）.2007，35（7）：37-40.

[6]刘闻，吴健，李长海.低标号硬质沥青动态剪切流变试验分析研究[J].中外公路，2007，27（4）：257-259.