，，

(1.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2.長(zhǎng)安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061)

1 前 言

瀝青路面在使用過(guò)程中的水損害是目前普遍存在的問(wèn)題，尤其是在潮濕多雨地區(qū)。水損害既受降雨量、交通量、交通組成等外部因素的影響，也是混合料空隙率、空隙連通狀態(tài)、集料的酸堿性、表面紋理、棱角性以及瀝青層厚度、瀝青粘度、四組分比例等材料內(nèi)部因素共同作用的結(jié)果。從破壞界面分析，水損害是由瀝青—集料間粘結(jié)力(adhesion)和瀝青自身粘聚力(cohesion)的降低共同導(dǎo)致的混合料性能的衰變，剝落集料的表面瀝青裹覆狀態(tài)如圖1所示。

圖1 瀝青混合料中的粘結(jié)力破壞與粘聚力破壞Fig.1 Cohesion and adhesion loss in asphalt concrete

目前對(duì)瀝青粘聚力的評(píng)價(jià)主要有測(cè)力延度法、表面能法、拉伸法以及原子力顯微鏡法等。測(cè)力延度法是在對(duì)瀝青進(jìn)行延度試驗(yàn)的同時(shí)，記錄施加在試樣上的拉力，繪制延度—拉力關(guān)系曲線，使用拉伸強(qiáng)度、拉伸柔度、屈服應(yīng)變能、粘韌性面積等參數(shù)表征瀝青的粘聚性；任玉娜采用5℃測(cè)力延度法研究了SBS、PE改性瀝青和橡膠瀝青的粘聚力[1]。表面能法是通過(guò)測(cè)試瀝青的接觸角或表面張力，計(jì)算自由能并分析其內(nèi)聚力；韓森、黃文通、Guangji Xu等采用此法研究了基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的內(nèi)聚力[2-4]。拉伸試驗(yàn)是Wisconsin-Madison 大學(xué)與Paarphysica USA聯(lián)合開發(fā)的瀝青粘聚力測(cè)試方法，測(cè)試時(shí)將瀝青粘附在兩個(gè)圓形的集料中間，下面集料固定，對(duì)上面的集料施加向上的拉力，記錄拉伸過(guò)程中的力，繪制力—時(shí)間關(guān)系曲線，計(jì)算曲面面積與所用時(shí)間的比值，得到瀝青的粘聚性因子；Francesco Canestrari等人利用此法分析了四種基質(zhì)瀝青、兩種改性瀝青的粘聚力以及瀝青與集料的粘結(jié)力，認(rèn)為此方法適合在干燥狀態(tài)下評(píng)價(jià)瀝青的粘聚力[5]。原子力顯微鏡法則是推算被測(cè)樣品原子間的相互作用力及瀝青的膠體力，利用這一原理Rafiqul A. Tarefder等人使用原子力顯微鏡分析了SB、SBS改性瀝青的粘聚力[6]。張祥等針對(duì)溫度、拉伸速率和瀝青粘聚性的研究發(fā)現(xiàn)，溫度較低時(shí)，瀝青與集料間的破壞以粘結(jié)性破壞為主，而溫度較高時(shí)則以粘聚性破壞為主[7]。DSR因其操作簡(jiǎn)便、試驗(yàn)精度高已廣泛應(yīng)用于瀝青車轍因子、相位角、蠕變—恢復(fù)等性能的測(cè)試[8-9]，但采用DSR進(jìn)行瀝青粘聚性測(cè)試的研究則較少。本文借鑒拉伸試驗(yàn)方法，選用DSR測(cè)試60℃時(shí)SBS改性瀝青、TPS高粘瀝青、橡膠瀝青、SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的粘聚性以及短期老化對(duì)瀝青粘聚性的影響。

2 試驗(yàn)方法與材料

2.1 粘聚力測(cè)試方法說(shuō)明

采用DSR軸向拉伸測(cè)試瀝青粘聚力的原理如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，將一個(gè)直徑25mm的平板試驗(yàn)?zāi)＞甙惭b在具有溫控作用的底座上，其上放置瀝青試樣，另一直徑25mm的試驗(yàn)?zāi)＞甙惭b在控制軸承上，調(diào)節(jié)上下模具間距為1000μm，刮去模具周圍多余瀝青，升溫至60℃并穩(wěn)定后，以1μm/s的速率向上拉伸1000μm，繪制拉伸應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線。

圖2 粘聚性測(cè)試原理圖Fig.2 Principle of cohesion test

2.2 粘聚性評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖3 粘聚力測(cè)試應(yīng)力-位移關(guān)系圖Fig.3 σ-ε curve of cohesion test

以縱坐標(biāo)為拉伸應(yīng)力、橫坐標(biāo)為相對(duì)位移繪制σ-ε曲線，如圖3所示。圖中σmax是粘聚力最大值即瀝青的拉伸強(qiáng)度；ε0是粘聚力達(dá)到最大值時(shí)的相對(duì)位移，稱之為失效位移；定義在粘聚力達(dá)到最大值后，位移增加10%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為殘余應(yīng)力值σr；(σmax-σr)/σmax定義為強(qiáng)度損失率S，用于判斷瀝青粘聚力的損傷情況，計(jì)算S的公式如式(1)所示；假設(shè)瀝青材料在小范圍軸向拉伸過(guò)程中動(dòng)能不變，拉力對(duì)瀝青所做外力功W可表示為式(2)，其中A0為試驗(yàn)盤與瀝青接觸面積，A0=490mm2。

(1)

(2)

典型的描述粘聚力—位移的曲線有雙線性、指數(shù)、梯形等。本文對(duì)圖3中的σ-ε曲線進(jìn)行分段指數(shù)擬合，其中σ<σmax時(shí)進(jìn)行Mnmolecular擬合，σ>σmax時(shí)進(jìn)行Expdec1擬合，方程如式(3)所示。

(3)

2.3 改性瀝青制備

為了研究不同類型改性瀝青的粘聚性，采用SK90號(hào)基質(zhì)瀝青制備不同類型SBS改性瀝青(岳化791、獨(dú)山子1301、燕山4303)、TPS高粘瀝青、橡膠粉/SBS(岳化791)復(fù)合改性瀝青以及橡膠瀝青。其中SBS改性瀝青制備工藝為：基質(zhì)瀝青加熱至180℃，添加4.5%SBS改性劑、1%增溶劑以及1‰穩(wěn)定劑，使用Fluck剪切乳化機(jī)以4500r/min的速率剪切40min，再160℃靜置發(fā)育2h；TPS高粘瀝青制備工藝為：基質(zhì)瀝青加熱至180℃，添加12%TPS改性劑，快速攪拌10min，再以4500r/min的剪切速率剪切30min；橡膠瀝青制備工藝為：基質(zhì)瀝青加熱至190℃，添加20%橡膠粉、1%增溶劑，高速攪拌60min；橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青制備工藝為：基質(zhì)瀝青加熱至180℃，添加4%SBS改性劑、12%橡膠粉，高速剪切40min，160℃發(fā)育2h。本文對(duì)老化前、后的改性瀝青分別進(jìn)行粘聚性分析，老化采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)。瀝青老化前、后技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 不同瀝青技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Table 1 Basic technique indexes of asphalts

3 改性瀝青粘聚性測(cè)試結(jié)果分析

3.1 老化前改性瀝青粘聚性分析

圖4 不同改性瀝青的σ-ε關(guān)系曲線Fig.4 σ-ε curves of different asphalts

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)老化前的SBS改性瀝青、TPS高粘瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠瀝青進(jìn)行60℃直接拉伸試驗(yàn)，繪制σ-ε曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，不同改性瀝青σ-ε關(guān)系曲線形狀相似，即在開始拉伸后不久便迅速達(dá)到應(yīng)力峰值，之后隨變形的增加，拉伸應(yīng)力以指數(shù)形式衰減。但不同改性瀝青拉伸應(yīng)力最大值σmax、失效位移ε0、殘余應(yīng)力σr、強(qiáng)度損失率S、拉力功W以及擬合方程參數(shù)值存在顯著的差異，如表2所示。

表2中對(duì)σmax、ε0的分析結(jié)果表明，老化前TPS高粘瀝青拉伸強(qiáng)度最大，60℃拉伸應(yīng)力最大值達(dá)8597Pa；其次為SBS改性瀝青，其中791改性瀝青>4303改性瀝青>1301改性瀝青，但三者之間差異不明顯；橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的拉伸強(qiáng)度與SBS改性瀝青相當(dāng)；橡膠瀝青的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其它類型改性瀝青，甚至不足TPS高粘瀝青的1/5。失效位移ε0表征了各種瀝青材料在達(dá)到最大應(yīng)力值時(shí)承受的變形，其中791改性瀝青、1301改性瀝青、TPS改性瀝青的失效位移分別為160μm、120μm、100μm，對(duì)應(yīng)改性瀝青的應(yīng)變?yōu)?.6%、1.2%和1%，而4303改性瀝青、CR/SBS復(fù)合改性瀝青以及橡膠瀝青在應(yīng)變不足1%時(shí)即產(chǎn)生失效位移。在達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度后，強(qiáng)度損失率S可用來(lái)判斷材料粘聚力的衰減程度，其中橡膠瀝青短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)度衰減最為嚴(yán)重，其次是TPS高粘瀝青、791和4303改性瀝青、而1301改性瀝青、CR/SBS復(fù)合改性瀝青短時(shí)間的強(qiáng)度衰減最小。

表2 不同改性瀝青的粘聚性參數(shù)Table 2 Cohesion indexes of different asphalts

根據(jù)熱力學(xué)能量守恒定律，能量轉(zhuǎn)化是物體物理過(guò)程的本質(zhì)特性，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，瀝青材料處于高位能量失穩(wěn)狀態(tài)，隨著拉伸的繼續(xù)，應(yīng)力值發(fā)生跌落，此過(guò)程是能量轉(zhuǎn)化的典型突變。在瀝青材料的拉伸過(guò)程中，拉力功不斷增加，當(dāng)位移從0拉伸1000μm時(shí)，TPS高粘瀝青所需拉力功達(dá)1.999×10-3J，791和1301改性瀝青分別需要1.719×10-3J和1.701×10-3J，4303改性瀝青、CR/SBS復(fù)合改性瀝青則需要1.346×10-3J和1.452×10-3J，而橡膠瀝青拉伸至1000μm只需做功0.233×10-3J，遠(yuǎn)小于其它類型改性瀝青。

除橡膠瀝青外，其余改性瀝青在達(dá)到σmax前σ-ε曲線均符合函數(shù)σ=A1[1-e-k(x-xc)](相關(guān)系數(shù)R>0.99)，其中，系數(shù)A1代表曲線的增長(zhǎng)速率，xc代表曲線對(duì)σ=A1(1-e-kx)在x軸的偏移量，k則表示x的變化對(duì)y的影響程度。分析表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，TPS高粘瀝青在拉伸過(guò)程中粘聚力增長(zhǎng)最為迅速，粘聚力對(duì)位移的變化也較敏感；791改性瀝青與TPS高粘瀝青類似，在到達(dá)ε0前，拉伸應(yīng)力增長(zhǎng)迅速，但拉伸位移的變化對(duì)拉伸應(yīng)力的影響較小；CR/SBS改性瀝青A1值與SBS改性瀝青相似，但k值是其余改性瀝青的3倍以上，可見橡膠粉的加入使得瀝青拉伸應(yīng)力對(duì)位移的敏感性增加。

改性瀝青拉伸應(yīng)力達(dá)到峰值以后，應(yīng)力隨著位移的增加呈指數(shù)趨勢(shì)下降，如式(3)所示，方程中σf表示粘聚力σ的最小值，A2為曲線下降速率，t則與x對(duì)σ的影響程度相關(guān)，t值越大，x對(duì)σ的影響越顯著。分析以上幾種改性瀝青的失效位移ε0與σ-ε曲線特征系數(shù)發(fā)現(xiàn)，除橡膠瀝青外，其余五種改性瀝青的粘聚力最小值σf相差不大，TPS高粘瀝青和791改性瀝青的A2值遠(yuǎn)大于其余改性瀝青，從t值來(lái)看這兩種改性瀝青的拉伸應(yīng)力對(duì)位移的變化最敏感，這一方面是由于這兩種瀝青具有較高的粘聚力峰值，另一方面也說(shuō)明了791和TPS改性劑在瀝青中形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在達(dá)到σmax之后的拉伸過(guò)程中變形較快；1301改性瀝青A2僅為7503、σf為867，可見其在達(dá)到σmax后，拉伸應(yīng)力值下降較緩慢，應(yīng)力對(duì)位移的變化不敏感，殘留應(yīng)力值也最大，說(shuō)明1301改性瀝青的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較好的變形協(xié)調(diào)能力。橡膠瀝青σ-ε擬合方程中，σf僅35pa、A2值遠(yuǎn)小于其余改性瀝青，t值也最小，說(shuō)明橡膠粉的添加對(duì)瀝青粘聚性的改善效果有限。

3.2 老化對(duì)改性瀝青粘聚性的影響

對(duì)RTFOT老化后的改性瀝青進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，繪制σ-ε曲線，如圖5所示。

圖5 老化后不同改性瀝青的σ-ε關(guān)系曲線Fig.5 σ-ε curves of different asphalts after RTFOT

對(duì)照?qǐng)D4和圖5，可以看出，盡管改性瀝青老化后σ-ε曲線走勢(shì)與老化前基本相似，但在老化后各種瀝青的粘聚性差異更加明顯?，F(xiàn)對(duì)不同瀝青最大拉伸應(yīng)力σmax、失效位移ε0、殘余應(yīng)力σr、拉力功W以及擬合方程特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表2和表3可以看出，老化后改性瀝青粘聚性各指標(biāo)均發(fā)生了較大變化，選用老化前、老化后拉伸強(qiáng)度σmax、失效位移ε0、外力功W、Mnmolecular方程參數(shù)A1、Expdec1方程參數(shù)A2分析老化對(duì)不同改性瀝青粘聚性的影響，如圖6～圖10所示。

表3 老化后改性瀝青的粘聚性特征參數(shù)Table 3 Cohesion indexes of different asphalts after RTFOT

圖6 改性瀝青老化前后的σmax變化Fig.6 σmax of different asphalts before and after RTFOT

圖7 改性瀝青老化前后失效位移ε0的變化Fig.7 ε0 of different asphalts before and after RTFOT

圖8 改性瀝青老化前后拉力功W的變化Fig.8 W of different asphalts before and after RTFOT

圖9 改性瀝青老化前后參數(shù)A1的變化Fig.9 A1 of different asphalts before and after RTFOT

圖10 改性瀝青老化前后參數(shù)A2變化Fig.10 A2 of different asphalts before and after RTFOT

對(duì)比圖6中改性瀝青老化前后最大拉伸應(yīng)力的變化，發(fā)現(xiàn)除1301改性瀝青外，其余改性瀝青均呈現(xiàn)老化后最大拉伸應(yīng)力減小的趨勢(shì)，其中以TPS和791減小的幅度最大，不足老化前的50%。這一方面是由于瀝青在老化過(guò)程中發(fā)生膠質(zhì)向?yàn)r青質(zhì)、芳香分向膠質(zhì)的遷移，導(dǎo)致改性瀝青中可承受拉伸變形的有效成分減少；另一方面則是改性劑中聚丁二烯鏈段的斷裂，使改性瀝青的拉伸強(qiáng)度減小。而1301改性瀝青在老化后最大拉伸應(yīng)力反而升高，說(shuō)明1301改性劑在老化過(guò)程中繼續(xù)發(fā)育因而其具有良好的抗老化性能。

圖7中對(duì)老化前、后失效位移ε0的分析結(jié)果表明，除791、1301外，其余改性瀝青老化后的拉伸失效位移差異較小，其中4303、TPS為100μm，CR/SBS、CR瀝青為120μm，而1301改性瀝青失效位移則達(dá)到了240μm。與老化前相比，除TPS高粘瀝青失效位移保持不變外，其余各瀝青失效位移均有不同程度的增加，說(shuō)明老化降低了拉伸強(qiáng)度，但使瀝青在高溫時(shí)的拉伸變形能力增加，瀝青混合料發(fā)生粘聚性破壞前能承受更多變形。

分析圖8可以看出，老化后各種改性瀝青的拉力功存在顯著的差異，其中以橡膠瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的拉力功最小，60℃拉伸1000μm的拉力功分別僅為0.153×10-3J和0.315×10-3J；三種SBS改性瀝青中，1301改性瀝青拉力功則達(dá)1.846×10-3J，而791改性瀝青僅0.539×10-3J。在經(jīng)歷了短期老化后，1301改性瀝青的拉力功比老化前增長(zhǎng)8%左右，4303拉力功也在老化后有微小的增長(zhǎng)，而791、TPS、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青拉力功在老化后分別降低了69%、58%、59%，橡膠瀝青老化后拉力功也降低了約30%，可見老化使得改性瀝青中的聚合物鏈段發(fā)生斷裂、縮合或者進(jìn)一步的溶脹，溶脹和縮合的結(jié)果使其發(fā)生變形需要更多的外力做功，而鏈段的斷裂則使其更容易發(fā)生高溫變形。

由圖9可知，老化后改性瀝青Mnmolecular方程參數(shù)A1由低到高分別為橡膠瀝青、TPS高粘瀝青、791、橡膠粉/SBS復(fù)合、4303以及1301改性瀝青，其中1301改性瀝青A1值為7790，分別為791、4303、TPS、橡膠粉/SBS、橡膠瀝青的2.1倍、1.3倍、3.2倍、1.8倍和11倍。在經(jīng)歷老化過(guò)程后，只有1301改性瀝青A1出現(xiàn)增長(zhǎng)，其余改性瀝青的A1值均有不同程度的降低，其中以TPS高粘瀝青、791改性瀝青的降幅最大，分別降低了50%和62%。

由圖10可知，改性瀝青老化后指數(shù)方程Expdec1參數(shù)A2即拉伸應(yīng)力隨位移的降低速率差距進(jìn)一步增大，其中以1301改性瀝青A2值最大，分別是橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青、791改性瀝青、4303改性瀝青、TPS高粘瀝青和橡膠瀝青的1.7倍、1.9倍、4.1倍、5.3倍和26.1倍。老化后791、1301以及改性瀝青的A2值出現(xiàn)增長(zhǎng)，其余改性瀝青A2值降低，說(shuō)明老化后瀝青達(dá)到σmax后，隨著拉伸變形的增加1301、791、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的拉伸應(yīng)力迅速降低，而其余幾種改性瀝青的降低速率與老化前相比變小。

4 結(jié) 論

1.對(duì)791、1301、4303三種SBS改性瀝青、TPS高粘瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青以及橡膠瀝青在老化前的粘聚性分析結(jié)果表明，TPS高粘瀝青、791改性瀝青的σmax、W等粘聚性指標(biāo)最優(yōu)，但其在達(dá)到拉伸應(yīng)力最大值后，應(yīng)力對(duì)拉伸位移比較敏感；4303、1301、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的粘聚性各項(xiàng)指標(biāo)相近；橡膠瀝青的粘聚性最差。

2.老化后瀝青的粘聚性發(fā)生了很大的變化，其中TPS高粘瀝青、791、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的粘聚性各項(xiàng)性能指標(biāo)均大幅下降；而1301改性瀝青在老化后粘聚性優(yōu)于老化前；老化過(guò)程對(duì)4303改性瀝青及橡膠瀝青粘聚性的影響不顯著，可見在評(píng)價(jià)瀝青粘聚性時(shí)應(yīng)綜合分析其老化前、后的性能。

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