DIBCH增塑劑改性瀝青高溫流變特性

傅珍，劉松然，林萌蕾，史柯，王鈺潔

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

改性瀝青的使用能夠有效提高瀝青路面性能[1-2]。增塑劑作為塑料橡膠制品的助劑，可以改善聚合物的柔韌性、拉伸性及抗沖擊性[3-5]。將增塑劑作為瀝青改性劑能夠明顯改善瀝青的低溫性能，但對高溫性能具有消極影響[6-9]。目前多數研究僅采用常規技術指標評價增塑劑改性瀝青的高溫性能，而對其高溫流變特性的研究極少。為全面掌握增塑劑對瀝青高溫性能的影響規律，并為增塑劑改性瀝青的進一步研究與應用提供參考，本文選用環己烷二甲酸二異丁酯(DIBCH增塑劑)作為改性劑，通過動態剪切流變實驗與多應力重復蠕變恢復實驗，綜合研究DIBCH增塑劑對瀝青高溫流變特性的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

環己烷二甲酸二異丁酯(DIBCH)，一級品,其主要技術指標見表1；A級SK90#瀝青，其主要技術指標見表2。

DHR-1型動態剪切流變儀。

表1 DIBCH增塑劑技術指標

表2 基質瀝青技術指標

1.2 改性瀝青的制備

將SK90#基質瀝青放入135 ℃的恒溫烘箱中，加熱至其呈流動狀態，加熱保溫時間約為1.5 h。隨后將500 g左右呈流動狀態的基質瀝青倒入實驗缸中，緩慢加入1.5%的DIBCH增塑劑，用玻璃棒攪拌1～2 min，使增塑劑與基質瀝青初步混合。利用高速剪切機，剪切溫度控制為130 ℃，剪切速率1 000 r/min， 持續剪切10 min，使增塑劑與基質瀝青充分混合，即可制得DIBCH改性瀝青。

1.3 性能測試

采用DHR-1型動態剪切流變儀，按照SHRP B-003及AASHTO TP5中的相關規定，對DIBCH改性瀝青及基質瀝青進行頻率掃描實驗、溫度掃描實驗及多應力重復蠕變恢復(MSCR)實驗。

1.3.1 頻率掃描實驗 分別通過30，40，50，60 ℃溫度條件下的頻率掃描，測出瀝青的復數剪切模量和相位角，再根據時溫等效原理構建主曲線，對瀝青的動態力學性能作進一步分析。頻率掃描范圍設定為0.1～100 rad/s，實驗采用應變控制模式，應變值控制為1.25%。

1.3.2 溫度掃描實驗 對原樣及旋轉薄膜烘箱老化實驗(RTFOT)后的瀝青試樣進行溫度掃描實驗，測定不同溫度條件下瀝青試樣的復數剪切模量和相位角，研究瀝青在不同溫度下的性能表現，并采用車轍因子與其臨界溫度，評價瀝青材料的抗車轍能力。實驗溫度范圍為30～60 ℃，加載頻率為10 rad/s，應變值控制為1.25%。

1.3.3 多應力重復蠕變恢復實驗 多應力重復蠕變恢復實驗可以反映瀝青材料在重復加載及卸載作用下的抗變形能力。實驗采用應力控制模式，應力水平0.1 kPa和3.2 kPa，實驗溫度選擇34，40，46，52，58 ℃，每個應力水平下加載1 s后卸載9 s為一個周期，共進行10個周期。采用不可恢復蠕變柔量和應變恢復率表征瀝青材料的重復蠕變特性。

2 結果與討論

2.1 頻率掃描實驗結果

2.1.1 主曲線的構建及分析 為研究瀝青在更廣的溫度和頻率范圍內的動態力學性能，根據時溫等效原理[10]，以30 ℃為參考溫度，按照不同摻量DIBCH改性瀝青在40，50，60 ℃下的移位因子，將頻率掃描實驗結果進行水平移位，得到復數剪切模量主曲線和相位角主曲線，見圖1、圖2。

圖1 30 ℃復數剪切模量主曲線

圖2 30 ℃相位角主曲線

由圖1可知，隨角頻率的增大，DIBCH改性瀝青復數模量的增長幅度略大于基質瀝青，且DIBCH摻量越大，復數模量增長幅度越大。在低頻區(高溫區)，DIBCH改性瀝青的復數模量小于基質瀝青，在高頻區(低溫區)，改性瀝青與基質瀝青的復數模量差值較小。說明DIBCH的摻入對瀝青的高溫性能有一定不利影響。

相位角反映瀝青材料在動態響應時彈性行為與黏性行為所占比例的關系[11]，其值越大，說明材料越接近于黏性體，在高溫條件下抗變形能力越差。

由圖2可知，在低頻區，DIBCH改性瀝青的相位角小于SK90#瀝青，說明DIBCH使瀝青中彈性成分比例提高，但該部分相位角數據離散性較大，參考價值不大。在高頻區，DIBCH改性瀝青的相位角大于SK90#瀝青，且隨DIBCH摻量的增加，相位角逐漸增大，說明DIBCH使瀝青中黏性成分含量增加。

2.1.2 相態結構分析 通過頻率掃描實驗，得到基質瀝青及不同摻量DIBCH改性瀝青的儲存模量(G′)和損失模量(G″)，進而對瀝青的相態結構進行分析。以基質瀝青和1.5% DIBCH改性瀝青為代表進行分析，不同溫度下其模量隨角頻率的變化規律見圖3。

(a)基質瀝青

由圖3可知，SK90#基質瀝青和DIBCH改性瀝青的G′和G″都隨角頻率的增大而增大，在同一實驗溫度下，G′均小于G″，且隨溫度的升高，G′與G″的差值逐漸增大。這是因為隨溫度的升高，瀝青結合料中黏性成分所占比例逐漸增大。當實驗溫度為60 ℃ 時，基質瀝青和DIBCH改性瀝青的儲存模量曲線斜率非常小，近乎于平臺區。說明在60 ℃時，瀝青的相結構發生變化，瀝青中黏性成分所占比例大幅提升，瀝青從黏彈性狀態轉變成黏流性狀態。

2.2 溫度掃描實驗結果

對原樣和RTFOT老化后的SK90#瀝青及不同摻量DIBCH改性瀝青分別進行溫度掃描實驗，結果見圖4、圖5。

(a)原樣瀝青

(a)原樣瀝青

由圖4可知，不同瀝青試樣的復數模量均隨溫度升高呈線性下降趨勢，各條曲線幾乎平行。DIBCH改性瀝青的復數模量在實驗溫度范圍內均小于SK90#瀝青，且隨著DIBCH摻量的增加，曲線依次下降但下降距離逐漸縮短。老化后，瀝青的復數模量隨溫度升高而下降的幅度減小，且不同瀝青試樣復數模量的差值較小，在較高溫度條件下模量基本重合。

由圖5可知，隨實驗溫度的升高，老化前后瀝青試樣的相位角均逐漸增大，即瀝青黏性成分的占比與實驗溫度呈正相關關系。老化后，SK90#瀝青和DIBCH改性瀝青的相位角均減小，說明瀝青老化后彈性性能增強。此外，SK90#瀝青在老化前后的相位角均小于DIBCH改性瀝青，說明SK90#瀝青的彈性性能較DIBCH改性瀝青更優異，即高溫抗車轍能力更好，DIBCH的摻入使瀝青的高溫穩定性略有降低。但隨溫度的升高，老化前后DIBCH改性瀝青黏性成分的增長幅度均小于SK90#瀝青。說明DIBCH的摻入對瀝青的溫度敏感性具有一定改善作用。

車轍因子(G*/sinδ)是評價瀝青高溫性能的指標，G*/sinδ越大，瀝青的抗車轍能力越強。圖6是SK90#瀝青和不同摻量DIBCH改性瀝青老化前后的車轍因子與溫度關系曲線圖。

(a)原樣瀝青

由圖6可知，老化前后瀝青車轍因子的對數與實驗溫度均呈線性負相關關系，即溫度越高，瀝青的抗車轍能力越差。老化前后SK90#瀝青的車轍因子均大于DIBCH改性瀝青，且隨DIBCH摻量的增加，車轍因子依次下降。說明DIBCH的摻入對瀝青的抗車轍能力具有負面影響。此外，RTFOT老化后，不同瀝青試樣的車轍因子均增大。

SHRP規范中規定，原樣瀝青的車轍因子不能低于1.0 kPa，短期老化后瀝青的車轍因子不能低于2.2 kPa。為對DIBCH改性瀝青的高溫性能做進一步分析，通過計算得到車轍因子處于臨界值時的溫度——臨界溫度(THS)，以表征瀝青的高溫抗車轍能力。THS越高，瀝青材料抗車轍能力越好[12]。臨界溫度的計算結果見表3。

表3 不同瀝青的臨界溫度

由表3可知，隨DIBCH摻量的增加，老化前后瀝青的臨界溫度均逐漸降低，但下降幅度逐漸減小。說明DIBCH摻量在1.5%～3.0%時，其摻入對瀝青高溫性能產生一定影響，但影響程度較小。老化前后SK90#瀝青與DIBCH改性瀝青的臨界溫度均在58～64 ℃范圍內，即其高溫等級均為PG58，說明適量DIBCH的摻入不會降低瀝青的高溫等級。老化后瀝青的臨界溫度較原樣瀝青有所降低，不同瀝青的臨界溫度降低值依次為2.07，1.04，0.79，0.08，0.06 ℃?？芍?，DIBCH摻入后，臨界溫度的降低值減小，說明瀝青的抗老化性能有較小提升。

2.3 多應力重復蠕變恢復實驗結果

由于采用SHRP規范中的車轍因子對改性瀝青高溫性能進行評價時，未能考慮其較高的彈性恢復能力，為對DIBCH改性瀝青的高溫性能進行更全面的分析，本研究采用了多應力重復蠕變恢復(MSCR)實驗，其能真實模擬重復加載和卸載的車輛荷載作用[13]。分別在0.1 kPa和3.2 kPa的應力水平下，對SK90#瀝青及不同摻量DIBCH改性瀝青進行實驗。以SK90#瀝青和3.0%DIBCH改性瀝青的實驗結果為例進行分析，結果見圖7、圖8。

(a)基質瀝青

(a)基質瀝青

由圖7、圖8可知，在兩種應力水平下，瀝青的應變值均隨溫度升高而增大，且溫度越高，應變值的增長速率越大。說明隨溫度的升高，瀝青的蠕變恢復能力逐漸降低。在相同的應力水平和溫度下，DIBCH改性瀝青的應變明顯大于SK90#瀝青的應變，且DIBCH摻量越大，基質瀝青與改性瀝青的應變差值越大。說明DIBCH增塑劑的摻入，會降低瀝青的高溫穩定性。

MSCR實驗采用不可恢復蠕變柔量(Jnr)和恢復率(R)作為評價瀝青抗變形能力的指標。在0.1 kPa 和3.2 kPa的應力水平下，SK90#瀝青和不同摻量DIBCH改性瀝青的實驗指標與溫度的關系見圖9、圖10。

(a)不可恢復蠕變柔量Jnr

(a)不可恢復蠕變柔量Jnr

由圖9(a)和圖10(a)可知，在同一應力水平下，SK90#瀝青和DIBCH改性瀝青的不可恢復蠕變柔量的對數與溫度均呈線性相關關系。隨DIBCH摻量的增加，擬合曲線逐漸上移，即不可恢復蠕變柔量逐漸增大，但曲線上移距離逐漸縮短，DIBCH摻量為2.5%和3.0%時的曲線非常接近。說明DIBCH的摻入使瀝青的高溫抗變形能力降低，但降低幅度隨DIBCH摻量的增加逐漸減小。

由圖9(b)和圖10(b)可知，在同一應力水平同一實驗溫度下，隨DIBCH摻量的增加，改性瀝青的恢復率逐漸減小。說明DIBCH在一定程度上降低了瀝青的蠕變恢復能力。在應力水平為3.2 kPa、溫度為60 ℃左右時，不同瀝青試樣的恢復率均接近于0，說明此時瀝青材料基本喪失蠕變恢復能力。

3 結論

通過動態剪切流變實驗及多應力重復蠕變恢復實驗，對4種不同摻量DIBCH改性瀝青及基質瀝青的高溫流變特性進行分析，主要得到如下結論：

(1)瀝青中黏性成分所占比例受溫度影響，溫度越高，黏性成分比例越大。在60 ℃溫度條件下，瀝青中黏性成分所占比例急劇增大，彈性成分所占比例急劇減小，瀝青從黏彈性狀態轉變為黏流性狀態，發生相結構的變化。而DIBCH增塑劑的摻入，能夠降低黏性成分隨溫度升高而增加的幅度，可以在一定程度上改善瀝青的溫度敏感性。

(2)DIBCH改性瀝青的低頻復數剪切模量稍小于SK90#瀝青，即DIBCH對瀝青的高溫性能略有影響；隨DIBCH摻量的增加，瀝青中黏性成分逐漸增多，瀝青的車轍因子逐漸減小，即DIBCH對瀝青的高溫抗車轍能力具有不利影響。然而，DIBCH的摻入不影響瀝青的PG等級，改性前后瀝青的高溫等級均為PG58。

(3)在同一應力水平和溫度條件下，DIBCH改性瀝青的應變大于SK90#瀝青，且隨DIBCH摻量的增加，瀝青的不可恢復蠕變柔量逐漸增大、恢復率逐漸減小，即與基質瀝青相比，DIBCH改性瀝青的高溫抗變形能力和蠕變恢復能力相對較弱。

(4)DIBCH增塑劑對瀝青高溫性能具有不利影響，但DIBCH摻量在3.0%以下時，其對瀝青高溫性能的影響較小。因此，在對DIBCH改性瀝青開展進一步研究與應用時，應注意控制DIBCH的摻量，在DIBCH對瀝青高溫性能不產生過大影響的前提下，充分發揮其對瀝青低溫性能的優良改善作用。