短期老化对聚合物改性沥青流变性能的影响

第４０卷，第２期　２　０　１　５年４月　公　路　工　程　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．２　

Ａｐｒ．，２　０　１　５　

短期老化对聚合物改性沥青流变性能的影响　王　岚，弓宁宁，邢永明　（内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特０１００５１）　

［摘　要】针对内蒙古地区改性沥青应用特点，为研究短期老化作用对两种聚合物改性沥青：橡胶粉改性沥青　（ＣＲ）、ＳＢＳ改性沥青流变性的影响，利用动态剪切流变仪（ＤＳＲ）分别对两种沥青原样及经旋转薄膜烘箱老化（ＲＴ—　ＦＯＴ）后的沥青试样进行动态剪切试验和重复蠕变恢复试验，通过对流变参数复合模量Ｇ‘、相位角６、以及动力粘　度卵的分析，研究了两种聚合物改性沥青的流变学特性；并利用扫描电子显微镜对各沥青试样的微观结构形态进　行观察，从微观角度揭示了不同沥青性能存在差异的原因。结果表明：短期老化作用使沥青变得硬脆，且可以提高　改性沥青的高温抗变形能力和变形恢复能力；短期老化作用对ＳＢＳ改性沥青的影响较对ＣＲ改性沥青大；短期老　化使沥青的抵抗流体流动的能力增强。　［关键词】聚合物改性沥青；流变学性能；微观结构；动力粘度；重复蠕变　【中图分类号］Ｕ　４１４．１　【文献标识码】Ａ　【文章编号］１６７４—０６１０（２０１５）０２—０００９—０６　

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ａｇｉｎｇ　ｏｎ　Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　Ａｓｐｈａｌｔ　ＷＡＮＧ　Ｌａｎ，ＧＯＮＧ　Ｎｉｎｇｎｉｎｇ，ＸＩＮＧ　Ｙｏｎｇｍｉｎｇ’　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｈｅｈｏｔ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　０１００５１，Ｃｈｉｎａ）　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒｈｅｏｌｏｇｉｅａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ（ｃｒｕｍｂ　ｒｕｂｂｅｒ（ＣＲ）　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ａｎｄ　ＳＢＳ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ）ｄｕｅ　ｔｏ　ｓｈｏｒｔ・ｔｅｒｍ　ａｇｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ，Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｈｅａｒ　ｒｈｅｏｍｅｔｅｒ　（ＤＳＲ）ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｈｅａｒ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｒｅｐｅａｔｅｄ　ｃｒｅｅｐ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｔｅｓｔ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｍａｔｒｉｘ　ａｓ－　ｐｈａｌｔ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｏｖｅｎ　ａｇｉｎｇ（ＲＴＦＯＴ）ａｓｐｈａｌｔ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｈｅｏｌｏｇｉ－　ｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｏｄｕｌｕｓ　Ｇ　，ｐｈａｓｅ　ａｎｇｌｅ（　，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ｏｆ　ｎ，ｔｈｅ　ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ；Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃ－　ｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ｔＯ　ｏｂｓｅｒｖｅ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｓａｍｐｌｅ　ｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｂｅ—　ｔｗｅｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｖｉｅｗ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ：Ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ａｇｉｎｇ　ｍａｄｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｈａｒｄ　ａｎｄ　ｂｒｉｔｔｌｅ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅ—　ｍｅｎｔ　ｒｅｓｔｏｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ；Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ａｇｉｎｇ　ｏｆ　ＳＢＳ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ｉｓ　ｂｉｇｇｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ＣＲ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ；Ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｔｈａｔ　ｂｅａｒｅｄ　ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ａｇｉｎｇ　ｃａｎ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏ　ｆｌｕｉｄ　ｆｌｏｗ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ；ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ；ｒｅｐｅａｔｅｄ　ｃｒｅｅｐ　

Ｏ　引言　改性沥青作为基质沥青在沥青路面使用过程中　

的替代物，能够起到改善路面使用性能（如抗疲劳　

开裂，降低高温变形以及增强延度等）作用　卜引。在　路面施工过程中由于温度过高会使沥青在热和氧的　

［收稿日期】２０１４一ｌ】一２６　［基金项目］国家自然科学基金项目（１１１６２０１２）；国家自然科学基金项目（１１４６２０１８）；内蒙古自然科学基金项目（２０１４ＭＳ０５０５）；内蒙古自　治区研究生科研创新资助项目（￥２０１４１０１２８１　１）　【作者简介】王岚（１９６６一），女，北京人，教授，博士，博士生导师，院长，从事道路工程材料研究。　１０　公路工程　４０卷　作用下产生短期老化，而短期老化对沥青路面使用　性能和寿命有较大影响。目前内蒙古地区沥青路面　中使用最为广泛的改性沥青为ＣＲ改性沥青与ＳＢＳ　改性沥青，因而论文针对２种沥青进行短期老化作　用的影响研究具有较大意义　。　短期老化主要表现为对沥青流变性能的影响。　近年来，已有许多学者对沥青流变性能受短期老化　影响做了研究。Ｆａｎｇ等通过对经旋转薄膜老化后　的胶粉改性沥青流变性研究，得出短期老化使沥青　的抗裂性能降低，软化点有所提高的结论　；Ｇｕｂｌｅｒ　与Ａｎｄｅｒｓｏｎ研究了填料对沥青的老化性能影响，研　究发现复数模量Ｇ　和相位角６会随着温度高低和　时间的变化而变化　；陈华鑫通过对ＣＲ改性沥青　和ＳＢＳ改性沥青进行常规试验和ＤＳＲ，发现常规试　验难以区分出改性沥青老化后的性能差异，ＤＳＲ则　可以准确描述老化作用对改性沥青性能的影响　；　Ｄｉａｂ在Ｇｕｂｌｅｒ与陈华鑫研究基础上利用ＤＳＲ试验　研究了加入填充物一纳米级氢氧化钙材料后沥青在　老化前后的流变学性能的变化，结果表明加入填充　物的沥青具有更好的抗老化性能［９　３；Ｄｏｎｇｒｅ提出采　用低剪切速率下的动力粘度　作为高温评价参数，　由于该试验可以使用现有ＳＨＲＰ试验设备和软件的　基础上通过短时间的频率扫描就可以得到，所以这　个指标也得到了广泛关注¨…。不难发现，以上学者　都是通过常规试验方法对沥青性能进行研究，但要　想探究短期老化对沥青影响的机理，需从微观尺度　观察沥青老化前后的形态变化，而常规的宏观试验　不能满足此要求…　，扫描电子显微镜（ＳＥＭ）给我们　提供了一种从微观角度进行分析的途径¨　。余　剑英通过ＳＥＭ从微观结构对ＡＰＰ与ＳＢＳ两种改性　沥青进行研究，发现ＡＰＰ改性沥青形成均相结构，　ＳＢＳ形成非均相结构，改性沥青的物理性能与微观　结构密切相关　１７］；Ｘｉａｎｇ也通过ＳＥＭ从微观角度对　基质沥青与ＣＲ改性沥青的结构进行对比，发现ＣＲ　改性沥青中改性剂的网状结构对沥青改性后弹性性　能的提高起重要作用¨　。　多数学者是单纯由宏观试验或微观试验对沥青　性能进行分析，而研究表明物质的宏观破坏与微观　结构有着密切的联系¨　，因此本文将微观与宏观相　结合，从现象和本质两方面同时对老化作用的影响　进行了分析，主要通过微观试验一ＳＥＭ与宏观试验　一ＤＳＲ、重复蠕变恢复试验相结合，对短期老化前后　的ＣＲ改性沥青和ＳＢＳ改性沥青的流变学性能进行　分析。　１试验材料与方案　１．１试验材料　橡胶粉改性沥青是在９０　基质沥青中掺人２０％　的３０目胶粉颗粒经湿法加工制成，ＳＢＳ改性沥青是　在９Ｏ　基质沥青中掺人４％的ＳＢＳ改性剂经湿法加　工制成。其中，各种沥青的技术指标如表１所示。　表１沥青的技术指标　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　技术指标　９Ｏ　基质沥青　针入度（２５℃，１００　ｇ，５　ｓ）／０．１　ｍｍ　软化点／℃　延度／ｅｒａ　闪点／℃　９Ｏ　５ｌ　１５０／（１５　）　２９Ｏ　ＳＢＳ改性沥青　ＣＲ改性沥青　６２　７０　３８．５／（５℃）　２６９　６０　７３．９　３２．５／（５℃）　２７７　１．２试验方案　为了研究短期老化作用对ＣＲ改性沥青流变性　能的影响，首先通过旋转薄膜烘箱试验（ＲＴＦＯＴ）对　改性沥青进行短期老化，然后采用日本紫台Ｈｉｔａｃｈｉ　Ｓ－３，１００ＮＩＩ型扫描电子显微镜（ＳＥＭ）分别对老化　前后的ＣＲ改性沥青和ＳＢＳ改性沥青的微观结构进　行观测，最后采用奥地利Ａｎｔｏｎ　Ｐａａｒ公司生产的　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ＭＣＲ　１０１型动态剪切流变仪对老化前后的　ＣＲ改性沥青和ＳＢＳ改性沥青进行动态剪切流变试　验（ＤＳＲ），选用直径为２０　ｍｍ的底盘，沥青试样厚　度为１．５　ｍｍ，控制应力目标值为１２０　Ｐａ进行试验，　先以１０　ｒａｄ／ｓ的荷载作为扫描频率，对老化前后的　ＣＲ改性沥青进行２０℃一８０　ｃ【＝温度扫描，测定沥青　的复数剪切模量Ｇ‘和相位角６。对改性沥青采用　加载１　ｓ，卸载９　Ｓ的模式，进行１００次循环的重复蠕　变恢复试验，为了将两种改性沥青老化前后的蠕变　恢复能力进行更详细的对比，将恢复阶段的初始应　变即卸载瞬时应变用　，表示，恢复阶段末未能恢复　的残余变形用占。表示，则　／　ｆ表示永久变形占总　变形的比例，用来评价改性沥青的变形恢复能力。　／８　ｚ越小，沥青的变形恢复能力越大。从而对改性　沥青的流变性能进行评价。　

２　结果分析　２．１沥青微观结构分析　图１为短期老化前后ＣＲ改性沥青与ＳＢＳ改性　沥青扫描电子显微镜微观结构图像。对比图１中