聚合物改性沥青流变学研究

聚合物改性沥青流变学研究
发表时间：2018-06-11T17:29:04.533Z 来源：《基层建设》2018年第11期作者：毕飞
[导读] 摘要：在沥青作为道路建设材料的发展过程中，科研工作者对沥青改性剂的种类和掺量做了非常多的研究和报道，文章基于动态剪切流变仪DSR，围绕着聚合物改性沥青，针对其流变性能，通过对于动态剪切流变试验，重复蠕变恢复试验以及零剪切粘度等试验的研究，结果表明：橡胶类改性沥青、热塑性橡胶类改性沥青、树脂类改性沥青及复合改性沥青的流变学性质有相似之处，均会随着温度的升高，抗车辙能力减弱；随着改性剂的用量增加，抗车
山东建筑大学山东济南 250000
摘要：在沥青作为道路建设材料的发展过程中，科研工作者对沥青改性剂的种类和掺量做了非常多的研究和报道，文章基于动态剪切流变仪DSR，围绕着聚合物改性沥青，针对其流变性能，通过对于动态剪切流变试验，重复蠕变恢复试验以及零剪切粘度等试验的研究，结果表明：橡胶类改性沥青、热塑性橡胶类改性沥青、树脂类改性沥青及复合改性沥青的流变学性质有相似之处，均会随着温度的升高，抗车辙能力减弱；随着改性剂的用量增加，抗车辙能力增强。

但是针对不同种类的聚合物改性沥青，其中的具体指标的变化又不会完全一致，因此需要根据当地气候条件，路面状况选择合适的改性沥青进行施工。

并且设想通过优化改性材料和加工工艺来制作低相位角δ的聚合物改性沥青，展望了对于研究低滚阻沥青的应用前景。

关键词：聚合物改性沥青；流变学；车辙因子；相位角
前言
由于近年道路交通流量的迅猛增长, 行车荷载的大大增加以及交通渠化等因素的综合影响[1]，现代交通对沥青路面的高温抗车辙能力的要求进一步加强 , 而采用高质量的改性沥青材料成为提高沥青路面质量的主要技术措施之一。

所谓改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善制成的沥青结合料。

随着改性剂的加入，使沥青在高温条件下不易发生车辙现象，在低温条件下不会硬化导致路面开裂，提高了沥青的流变性能，因此通过研究改性沥青的流变特性，可以进一步的了解其改性机理，从而能够更好的适应路面环境。

1.聚合物改性沥青流变学
1.1 重复蠕变与恢复试验
重复蠕变与恢复试验的原理为通过加载 1s 的蠕变试验，卸载进行 9s 的变形恢复，完成一次蠕变恢复过程，不断重复进行 100 次蠕变恢复过程的循环[2]。

该方法较好的模拟了路面在行车荷载作用下的变形发展过程，比较全面的考虑了沥青材料的高温变形能力，克服了动态剪切流变仪的缺陷[3]。

在相同的应力条件下SBS改性沥青，胶粉改性沥青以及复合胶粉改性沥青的蠕变柔量和应变随时间逐渐增加；在不相同的应力条件时，相同那个温度下，SBS改性沥青的蠕变柔量比大于胶粉改性沥青以及复合胶粉改性沥青，并且随时时间的推移，蠕变柔量比存在着些许变化波动，说明温度的变化对于SBS改性沥青具有较大影响。

由于胶粉改性沥青的蠕变柔量比相对于其他两种改性沥青是最小的，并且在不同应力条件的变化最小，说明胶粉沥青具有较好的温度稳定性[2]。

研究SBS,RET(反应型三元共聚物)，PPA（多聚磷酸）三种改性沥青得到，SBS改性沥青的蠕变变形恢复能力大于RET和PPA改性沥青；相对于PPA改性沥青，RET改性沥青的抗车辙能力与SBS不相上下[4]。

重复蠕变与恢复试验研究表明：在不同温度下，应力对于沥青材料的蠕变柔量和应变的变化具有较大影响，并且普通基质沥青和改性沥青表现出的流变学特性并不相同，因此用重复蠕变与恢复试验来评价沥青的高温流变性能时，应该根据当地的气候特点和交通荷载的实际情况来选择合适的温度和应力水平[5]。

周庆华[6]通过分析对于10种沥青的车辙因子和蠕变柔量得到：对于动态剪切流变试验来说，重复蠕变与恢复试验能够弥补其不足，通过累计的应变和软便进度的粘性成分指标能更加准确的描述沥青的抗车辙能力。

1.2 零剪切粘度
零剪切粘度ZSV是欧洲国家评价沥青高温性能的常用指标，是沥青材料本身固有的性质，一般用60℃时的零剪切粘度来表征改性沥青的高温性能。

沥青材料在路面温度下多属于假塑性非牛顿流体，通常对于非牛顿流体和假塑性流体来说，在剪切速率接近于零时流体处于第一牛顿流区域中其粘度值接近于常数，并达到最大值，这一粘度称之为零剪切粘度[7]。

通过比较SBS改性沥青，橡胶改性沥青，橡胶粉复合改性沥青，MAC改性沥青以及基质沥青得到，在相同的应力条件下，SBS改性沥青的ZSV最大，其次是橡胶改性沥青，胶粉复合改性沥青与MAC改性沥青差不多，最小的是基质沥青。

由此可以得到，SBS改性沥青的流变性能较其他几种改性沥青较为优秀，抗车辙能力最强[5]。

虽然ZSV的测定方法较多，如在低剪切速率下进行的动力粘度测量、DSR上的频率扫描以及蠕变弹性测试等，但这些方法都较复杂，常规指标如软化点、粘度等于其有相关性，且操作简单，所以现在对于ZSV的应用较少，还需要对对其表征指标进行更高层次的研究[9; 10]。

2 各种聚合物改性沥青流变学差异
综上所述，聚合物改性沥青其流变学的性质有较为相似的趋势，其抗车辙能力都会随着温度的升高而逐渐降低；随着改性剂掺量的增加而逐渐加强，但相比之下，仍有些许差异。

李秀君[11]通过研究沥青流变学特性得到，对于同一种沥青，由于使用不同种类的改性剂，表现出的动态剪切流变性质也不同。

相位角δ受改性剂种类影响较小，但是G指标（包括复数模量G*、损失模量G'、储存模量G″和车辙因子G*/sinδ）对于其的影响较大。

单纯SBR改性沥青，其弹性分量、粘性分量和抗车辙因子都较低，且温度越低，这种现象越明显，这与SBR自身较大的柔软性以及SBR改性工艺有较大关系[11]。

SBR和PE复合改性沥青在40℃时弹性分量G'和抗车辙因子G*/sinδ都较高，但当温度升至82℃时，这两个指标明显降低，且降低幅度大于其它一些改性沥青[11]。

采用SBS改性的两种沥青均表现出较高的高温稳定性，它们的G指标远远大于相应的基质沥青和SBR改性沥青，这是因为SBS对沥青中的饱和分、蜡分等轻组分有较强的吸收能力，使自由沥青重组分含量相对增加，所以弹性分量大大提高[12]。

此外由于SBS的聚苯乙烯成分在80℃之前还没有软化，SBS仍具有硫化胶的性能,表现出较高的弹性。

同时,由于聚苯乙烯之间嵌段的是柔软的聚丁二烯，这使得沥青经
SBS改性后的柔软性也相应增加，粘性成分提高。

由此可以得出，在施工过程中，当需要使用改性沥青来达到一定要求时，一定要根据当地的地理情况，气候条件来有的放矢的选择适当的改性剂，使其与基质沥青产生更适宜的改性效果。

3 结语
近十年来，聚合物改性沥青流变学的研究已取得重要进展，借助动态剪切流变仪等设备，可以充分了解到改性沥青的流变指标，虽然涉及范围较广，但仍处在不断的发展过程中。

大量文献表明，通过加入各种添加剂可以降低改性沥青的相位角，提高其抗车辙能力，但是这些改性沥青的相位角都比较大在60-90°之间，储存模量与损失模量的比值较大，说明动态生热较高，根据能来守恒定律，行驶车辆的能耗较高。

如果优化改性材料和加工工艺，使改性沥青保持较高的复数模量，并使相位角下降20-30%至40-50°，指标满足现行规范技术要求，研制低滚阻改性沥青，将大幅解决现在的节能环保问题，减少汽车燃油消耗和尾气排放，对延长道路使用寿命具有十分重要的现实意义。

参考文献：
[1]潘礼清. 胶粉改性沥青高温流变性能研究[D]. 内蒙古工业大学, 2013.。