沥青的技术性能及黏性研究
沥青的技术性能及黏性研究
郭付杰
社旗县公路管理局，河南 南阳 473300
摘要：沥青自身的技术性能影响着混合料的路用性能，进而影响着沥青路面的使用质量。本文对70#基质沥青、SBS 改性沥青、Evotherm 温拌沥青和 Sasobit温拌沥青进行试验，主要是三大技术指标、布氏黏度和 DSR 试验。为今后沥青的技术性能测试提供了依据。
关键词：沥青；技术性能；黏性
沥青自身的技术性能非常重要，由于普通的道路石油沥青铺筑的路面不能满足一些地区路用性能的要求，容易出现诸如高温车辙、低温开裂、水损害等病害，近年来，越来越多的工作人员通过开发新的材料，来提升沥青的技术性能。
1 沥青的三大技术指标
本文选用了两种热拌沥青和两种温拌沥青，分别是70#基质沥青，SBS改性沥青、Evotherm 温拌沥青和Sasobit温拌沥青。
首先对两种热拌沥青的技术指标进行检测，检测结果如表1和表2所示。
表1 70#基质沥青的技术指标
|
指标 |
单位 |
实测值 |
规范要求 |
试验方法 |
|
25℃针入度 |
0.1mm |
70.6 |
60-80 |
T0604-2011 |
|
10℃延度 |
cm |
45.9 |
≥40 |
T0605-2011 |
|
软化点 |
℃ |
48 |
≥46 |
T0606-2011 |
|
密度 |
g·cm-3 |
1.029 |
T0603-2011 |
表2 SBS改性沥青的技术指标
|
指标 |
单位 |
实测值 |
规范要求 |
试验方法 |
|
25℃针入度 |
0.1mm |
74.2 |
60-80 |
T0604-2011 |
|
5℃延度 |
cm |
38.7 |
≥30 |
T0605-2011 |
|
软化点 |
℃ |
79.1 |
≥55 |
T0606-2011 |
|
密度 |
g·cm-3 |
1.101 |
T0603-2011 |
显然，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。由于本文采用了两种温拌剂，因此对Evotherm 3G和Sasobit温拌剂做简单介绍。
（1）Evotherm 3G温拌剂
Evotherm 3G是一种表面活性剂型温拌剂，由美国Meadwestvaco公司研发。该温拌剂现已研发至第三代，在国际上应用较广泛，使用相对较成熟的第三代温拌剂，为了方便叙述，后文简称为Evotherm。其在常温下为褐色液体，添加至沥青中可降低混合料的施工温度20-30℃。
选用温拌剂掺量为0.7%，将70#基质沥青加热至140℃左右，并将剂量为0.7%的Evotherm温拌剂加入至沥青中，由于试验所用沥青用量较少，因此手动搅拌约30min左右，即可保证搅拌均匀，对Evotherm沥青进行检测，得到技术指标如表3。
表3 Evotherm温拌沥青的技术指标
|
指标 |
单位 |
实测值 |
规范要求 |
试验方法 |
|
25℃针入度 |
0.1mm |
70.4 |
T0604-2011 |
|
|
10℃延度 |
cm |
47 |
T0605-2011 |
|
|
软化点 |
℃ |
47.9 |
T0606-2011 |
|
|
密度 |
g·cm-3 |
1.028 |
T0603-2011 |
（2）Sasobit温拌剂
Sasobit是一种沥青降黏型温拌剂，由德国Sasol−Wax公司研发，常温下为白色固体小颗粒，其熔点为100℃，在120-150℃可以很好的溶解于沥青之中，能适用于所有的道路石油沥青，对沥青的高温性能有很大的提升，但对沥青的低温性能影响较小。
Sasobit推荐添加量为沥青质量的2%-4%，本文选用掺量为3%。添加时首先将基质沥青加热到150℃左右，将称好的Sasobit加入到沥青中（不能一次性加入，按比例分次加入）边添加边搅拌，搅拌约30~60min，完成制备。Sasobit 温拌沥青的技术指标如表4。
表4 Sasobit温拌沥青的技术指标
|
指标 |
单位 |
实测值 |
规范要求 |
试验方法 |
|
25℃针入度 |
0.1mm |
64.3 |
T0604-2011 |
|
|
10℃延度 |
cm |
36.2 |
T0605-2011 |
|
|
软化点 |
℃ |
55.6 |
T0606-2011 |
|
|
密度 |
g·cm-3 |
1.019 |
T0603-2011 |
由表3-4可知，4 种沥青的技术指标均满足规范要求，并且发现Evotherm 温拌剂不改变基质沥青的技术性能，而 Sasobit温拌剂对基质沥青的技术性能有较大改变，这是因为两种温拌剂的温拌机理不同。
2布氏黏度
黏性是沥青类材料非常重要的力学性质，黏度是评价沥青类材料黏性的技术指标，沥青的黏度越大，则沥青胶浆的黏度越大。沥青胶浆填充在集料中，将混合料各颗粒之间黏结为一个整体，增强了混合料对外界荷载和环境因素所造成破坏的抵抗能力。
2.1试验介绍
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），测试沥青黏度的方法主要分为毛细管法、旋转法以及其他方法（恩格拉、赛波特黏度试验等），旋转法的试验原理是测定转子在沥青样品中转动时受到的阻力所反映出来的扭矩。相比较而言，旋转法优于其他的方法，试验选用Brookfield NDJ−1D型布氏旋转黏度计，不同转子的黏度量程如表5。
表5不同转子在不同转速下的布氏黏度量程
|
转速/ (r·min-1) |
转子型号 |
|||
|
21# |
27# |
28# |
29# |
|
|
100 |
0.05-0.49 |
0.25-2.45 |
0.5-4.9 |
1-9.8 |
|
50 |
0.1-0.98 |
0.5-4.9 |
1-9.8 |
2-19.6 |
|
20 |
0.25-2.45 |
1.25-12.25 |
2.5-24.5 |
5-49 |
|
10 |
0.5-4.9 |
2.5-24.5 |
5-49 |
10-98 |
|
5 |
1-9.8 |
5-49 |
10-98 |
20-196 |
沥青的黏度对沥青胶浆、沥青砂浆及沥青混合料的黏性都有重要的影响，研究沥青的黏度具有及其重要的意义，规范中一般通过135℃-175℃的黏温曲线确定施工温度，因此本文选择试验温度125℃-165℃，值得注意的是由于SBS改性沥青中存在聚合物改性颗粒，使用21#转子测试时会出现较大的误差，因此对SBS改性沥青采用27#转子，其余三种沥青使用21#转子。
2.2试验结果分析
试验结果见表6。
表6 沥青的布氏黏度（Pa·s）
|
温度/℃ |
70#基质沥青 |
SBS改性沥青 |
Evotherm温拌沥青 |
Sasobit温拌沥青 |
|
125 |
0.660 |
I.984 |
0.659 |
0.507 |
|
135 |
0.498 |
1.373 |
0.499 |
0.349 |
|
145 |
0.301 |
0.869 |
0.303 |
0.257 |
|
155 |
0.181 |
0.635 |
0.189 |
0.175 |
|
165 |
0.137 |
0.434 |
0.138 |
0.120 |
将表6中的数据绘制如图1。
图1 4种沥青的黏温曲线图
由图1可以看出：（1）4 种沥青的黏度随温度的变化趋势一致，随着温度的上升黏度逐渐降低，温度从125℃上升到165℃，4种沥青的黏度分别降低了 76.2%、79.6%、75.7%、76.3%；（2）同一温度时，SBS沥青的黏度较大，Evotherm沥青与基质沥青的黏度几乎相同，Sasobit温拌沥青的黏度较小，充分说明表面活性剂型的Evotherm不改变沥青的黏度，而降黏型的Sasobit则会明显降低沥青的黏度。
4种沥青的黏温曲线符合半对数坐标下的线性关系，相关性良好，回归参数如表7。
表7 4种沥青的黏温曲线回归参数
|
沥青 |
截距bI |
斜率aI |
相关系数R2 |
|
70#基质 |
1.85 |
0.0162 |
0.9886 |
|
SBS改性 |
2.50 |
0.0176 |
0.9985 |
|
Evotherm温拌 |
1.85 |
0.0162 |
0.9876 |
|
Sasobit温拌 |
1.65 |
0.0155 |
0.9983 |
上表中，斜率a1代表沥青的温度敏感性，由表7中可以看出，Sasobit温拌沥青的温度敏感性较小，说明降黏型温拌剂在降低黏度的同时也降低了沥青的温度敏感性，而Evotherm温拌剂对沥青的黏度没有明显的影响。
3 动态剪切流变试验
3.1试验介绍
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），动态剪切模量测量值的范围为0.1-10MPa，相应的温度范围为5-85℃。试验选择三个温度58℃，64℃，70℃，应变选择标准的12%，频率选择10rad/s。试验采用美国Bohlin lnstruments生产的C−VOR200型动态剪切流变仪。
在做试验之前，首先要成型沥青胶浆的试样，将提前加热好的沥青胶浆注入橡胶试模中，基质沥青和温拌沥青的加热温度不高于135℃，试样的高度为1mm。试样做好后，在室温下冷却一两分钟，然后将试样放入直径为25mm的试验板上，并将试验板固定在试验仪器上，调整试验板之间的间距为1mm±0.05mm，并设置试验温度。最后输入相关的参数（温度、应力、应变、频率等）即可开始试验。
3.2试验结果分析
由于Sasobit 温拌沥青胶浆和 SBS改性沥青胶浆在低温下黏度较大，可能对仪器产生不利的影响，为了与之后沥青胶浆的试验结果进行对比，这里仅对70#基质沥青和Evotherm温拌沥青进行DSR试验。试验结果如表8所示。
表8 沥青的DSR试验结果
|
沥青 |
指标 |
单位 |
温度/℃ |
||
|
58 |
64 |
70 |
|||
|
70#基质 |
G* |
kPa |
6.696 |
3.334 |
1.250 |
|
δ |
° |
83.36 |
84.62 |
85.71 |
|
|
G*sinδ |
kPa |
6.651 |
3319 |
1.246 |
|
|
G*cosδ |
kPa |
0.774 |
0.313 |
0.094 |
|
|
G*/sinδ |
kPa |
6.741 |
3.349 |
1.254 |
|
|
Evotherm |
G* |
kPa |
8.065 |
4.169 |
1.676 |
|
δ |
° |
83.49 |
84.87 |
85.82 |
|
|
G*sinδ |
kPa |
8.012 |
4.152 |
1.672 |
|
|
G*cosδ |
kPa |
0.937 |
0.373 |
0.122 |
|
|
G*/sinδ |
kPa |
8.119 |
4.186 |
1.680 |
|
|
附注: G*为复数模量:δ为相位角: G*sinδ为黏性模量:G*conδ为弹性模量:G*/sinδ为抗车辙因子。 |
|||||
不同温度时，沥青的指标产生了明显的变化，本文主要分析相位角及抗车辙因子随温度的变化规律。
（1）温度与相位角
图2沥青的黏弹性比例
图2中，δ1和 δ2为70#基质沥青与Evotherm温拌沥青的相位角，结合表8可知随着温度的上升，沥青的弹性模量和黏性模量均增加，其相位角也增加，证明随着温度的上升，沥青的性质逐渐接近黏性流。从上图也可知，δ1和 δ2非常接近。
图3 相位角随温度的变化
由图3可知：相位角与温度呈正相关关系，同一温度时，Evotherm沥青的相位角均大于70#沥青，但相差无几，58℃时，Evotherm沥青的相位角仅比基质沥青的大了0.08%，可以认为Evotherm温拌剂并不改变沥青的黏弹性比例。随着温度的上升，70#基质沥青的相位角增加了2.0%、1.8%，Evotherm沥青则分别增加了1.6%、0.6%，即随温度的上升，相位角增加的趋势逐渐降低。
（2）温度与抗车辙因子
图4抗车辙因子随温度的变化
由图4可知：随着温度的上升，抗车辙因子逐渐降低，同一温度时，70#沥青的抗车辙因子小于Evotherm沥青，说明温拌剂的加入提升了沥青的高温性能。温度从低到高，Evotherm温拌沥青的抗车辙因子比基质沥青的分别高34.1%、24.9%、23.4%。显然，随着温度的上升，抗车辙因子增加的趋势逐渐降低。
4 结论
本文测试了沥青的三大技术指标，不同温度下的布氏黏度以及两种沥青的动态剪切黏弹性试验，得到以下结论：（1）由于温拌机理的不同，Evotherm温拌剂对基质沥青的技术性能没有改变，而Sasobit温拌剂则明显改变了沥青的技术性能。（2）不同沥青的布氏黏度有很大的区别，SBS 改性沥青的布氏黏度最大，Evotherm温拌剂对沥青的布氏黏度没有影响，而Sasobit温拌剂降低了沥青的布氏黏度。（3）Evotherm温拌沥青的相位角与基质沥青的相位角并无二致，说明Evotherm温拌剂不改变沥青的黏弹性比例，但Evotherm温拌沥青的抗车辙因子大于基质沥青，说明Evotherm温拌剂提升了沥青的高温性能。
参考文献
[1]黄登斌.沥青粉砂浆的黏性及对混合料拌和性能的影响[D].长安大学,2019.