徐 文 潘梅娟 张 恺 令狐圆圆 李 红

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (江西省交通科学研究院2) 南昌 330200)

0 引 言

热拌沥青混合料在拌和及摊铺过程中涉及到高温和烟雾排放，会产生挥发性有机物和温室气体[1-3].乳化沥青是通过机械剪切作用，将沥青微粒均匀分散在含有乳化剂和添加剂的水溶液中，形成水包油的稳定体系.乳化沥青黏度低，可用于常温施工，具有节能、方便施工、节约沥青和保护环境等优点[4-5].尤其是改性乳化沥青，其性能优于普通的乳化沥青[6]，被广泛应用于道路建设和养护，例如，稳定基层[7]、冷再生[8-9]、微表处[10-13]、黏结层[14].另外，除了典型的道路工程应用外，乳化沥青还可用于许多其他特定领域，如高速铁路，稳定弹药销毁废物和固化电镀泥.

乳化沥青中水分蒸发或者与集料混合后发生破乳，沥青微粒则逐渐在集料表面或集料之间聚结，并最终建立起路面性能，因此乳化沥青残留物的获取和性能测试，对其产品的开发和应用具有重要影响.虽然关于乳化沥青残留物的获取方法有很多种标准方法，例如，规范JTG E20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》中的直接加热法，《ASTM D7497-09》低温蒸发法，《ASTM D7403-09》减压蒸馏法，但是国内外学者并没有达到统一的共识，尤其是对于聚合物改性乳化沥青.过高的蒸发或者蒸馏温度和加热时长会使聚合物发生明显降解，这对残留物的性能测定产生误导.另外，传统的评价方法和指标并非基于性能，例如，软化点、针入度和延度等，很难深入理解乳化沥青的物理化学性质，进而制约了高性能乳化沥青的开发和冷拌混合料的发展和应用.

针对上述问题，文中选取两种常用的改性乳化沥青，SBS改性乳化沥青和SBR改性乳化沥青，分别采用直接加热法和低温蒸发法获取残留物.基于流变学原理，利用动态剪切流变仪(DSR)进行温度扫描和多重应力蠕变恢复(MSCR)试验，采用复数剪切模量、相位角、车辙因子、不可恢复蠕变柔量和恢复百分率等指标，对比分析在40～76 ℃试验温度区间内的高温变形恢复性能，从而得出不同获取方法对残留物流变性能的影响规律，为残留物的获取方法与高温性能评价提供新思路.

1 试验材料与方法

1.1 改性乳化沥青

采用湖北某公司出品的SBS改性乳化沥青和SBR改性乳化沥青，乳液的基本性能指标见表 1，表中蒸发残留物的性质均采用直接加热法测试完成.根据规范[15]采取直接加热法获取乳化沥青残留物，见图 1.在熔融态将残留物浇入DSR试模中，冷却后取出备用.根据《ASTM D7497-09》采取低温蒸发法获取乳化沥青沥青残留物[16-17]，见图 2.试验中采用自行制作的硅胶板，根据固含量与硅胶板面积计算浇筑的乳化沥青质量，然后依次放置在25和60 ℃烘箱中养生各24 h，最终获得厚度在2 mm左右的沥青薄膜，待其冷却后，通过小刀将薄膜切成边长为18 mm左右的方块，从而获得DSR试验试样.文中采用直接加热法和低温蒸发法获得的残留物分别用SBS-Z、SBS-D、SBR-Z和SBR-D来表示.

表1 改性乳化沥青性能检测结果

图1 直接加热法DSR试样制备

图2 低温蒸发法DSR试样制备

1.2 流变性能试验

采用动态剪切流变仪(DSR)来评估改性乳化沥青残留物的流变性能.试验选取直径为25 mm的转子，转子与下平行板间隙为1 mm.动态剪切流变仪采用英国某公司产品KINEXOS DSR.试验中通过温度扫描(46～76 ℃，温度梯度为6 ℃)在加载频率为10 rad/s(1.59 Hz)下获得残留物的复数模量G*和相位角δ.G*定义为最大应力与最大应变之比，表示材料的抗变形能力；δ为沥青的粘弹性状态，当δ为0°时，表示材料为纯弹性，而当δ为90°时，表示材料为纯黏性.通过计算获得车辙因子G*/sinδ，其数值越高，则沥青材料的抗车辙性能越好.

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温度扫描的测试模式为应变控制，而多重应力蠕变恢复(MSCR)试验的测试模式为应力控制.MSCR试验旨在评估在不同应力水平(0.1和3.2 kPa)下材料的弹性响应和抗车辙性能. 在测试过程中，残留物首先在0.1 kPa剪切应力下加载1 s后卸载恢复9 s，重复10个周期，紧接着在3.2 kPa剪切应力下重复上述步骤.整个试验共20个周期，耗时200 s.通过设备自动采集的应变数据计算得到两种应力下10个周期的平均不可恢复蠕变柔量Jnr0.1和Jnr3.2，以及平均恢复百分率R0.1和R3.2.各参数的计算方法如见式(1)～(4).不可恢复蠕变柔量反映沥青的抗永久变形能力，数值越小，沥青的高温性能越好.蠕变恢复率数值越大，残留物的弹性恢复性能越好.

(1)

(2)

(3)

(4)

图3为聚四氟乙烯圆环与常规软化点试样环叠加示意图.使用改进后的试模制备乳化沥青残留物后，对上部试样完成脱模，然后用加热铁铲迅速刮去高出部分的残留物，即可获得低温蒸发下软化点和弹性恢复试样.

在进行MSCR试验之前，未对乳化沥青残留物进行老化试验，因为本文的研究目的在于评价不同温度条件下获取残留物的性能差异，而老化程序会对试验结果产生干扰.另外，本文每次至少对三个试样进行了重复试验，以确保必要的精度和准确度.

2 试验结果与分析

2.1 常规性能试验结果

在传统大学普通化学教学的过程中，教师只是根据教材内容一味地传授学生知识，教学过程是枯燥的。学生也只能无意识情绪不加区分地全盘接受，学习过程是被动的。在这种状态下学习，学生是很难激发学习兴趣的，同时也不利于培养学生的发散思维。将多媒体应用在大学教学中，可以充分发挥多媒体的作用，既强化了教师与学生间的互动，又提高了学生的学习热情，还调动了学生的主观能动性。

图3 改进的软化点试样模具示意图

图4 蒸发残留物的软化点和弹性恢复

2.2 温度扫描试验结果

图5为改性乳化沥青残留物的复数模量、相位角和车辙因子随着温度变化的趋势图.由图5a)～b)可知，随着温度的升高，残留物的G*变小而δ缓慢增大，说明温度上升提高了残留物的流动性，使其由弹性体向粘弹性体转变.在图5a)中，比较两种改性乳化沥青残留物，低温蒸发法获得的残留物具有更高的G*，并且在直接加热法获得的两种残留物G*较为接近的情况下，低温蒸发后SBS改性乳化沥青残留物的G*具有更大的增幅.由此说明，本文采用的两种规范方法获得的改性乳化沥青残留物G*具有一定的差异，并且获取方法对SBS改性乳化沥青残留物G*影响更大.两种规范方法中主要的区别在于加热温度和加热时间，已有研究表明过高的加热温度和时间会造成乳化沥青中聚合物改性剂的降解.直接加热法试验条件为163 ℃加热蒸发2～3 h，而低温蒸发法试验条件为25和60 ℃下分别进行24 h烘箱固化，说明我国规范方法低估了改性乳化沥青残留物的高温性能，可能原因就是高温条件对聚合物的改性效果造成了不利影响.在图5b)中，SBS改性乳化沥青残留物的δ始终小于SBR改性乳化沥青的δ，说明SBS改性剂对提高乳化沥青残留物的弹性性能更显著.随着温度的升高，SBS改性乳化沥青残留物的相位角增长率相对来说更缓慢，说明SBR改性乳化沥青残留物的弹性损失受到温度影较大.另外，直接加热法使SBS改性乳化沥青残留物的相位角增大，对SBR改性乳化沥青残留物的相位角影响并不明显，这进一步说明高温条件下对SBS改性效果有更显著的不利影响.在图5c)中，随着温度的升高，残留物的G*/sinδ都呈现逐渐减小的趋势，并且直接加热法获得的残留物G*/sinδ均小于低温蒸发法.进一步计算得到SBS和SBR两种改性乳化沥青残留物G*/sinδ的损失百分率，直接加热法相对低温法分别减小了0.31%～0.44%和0.26%～0.27%，说明高温条件削弱了残留物的抗车辙性能，并且对SBS改性乳化沥青的影响更大.

图5 改性乳化沥青残留物的各项因素

2.3 MSCR试验结果

图4为采用直接加热法和低温蒸发法获取残留物的软化点和弹性恢复试验结果.由图 4可知：SBS改性乳化沥青残留物具有更高的软化点和弹性恢复率，说明其具有更优的高温性能和弹性性能.对比两种获取残留物的方法，低温蒸发法获取的残留物具有更高的软化点，对于SBS-D还具有大的弹性恢复率，但对SBR-D和SBR-Z的弹性恢复影响不大.这说明低温获取的残留物具有更好的高温性能和弹性恢复性能，可以初步判断，造成这种现象的原因为直接加热法较高的加热温度对聚合物改性剂造成了不利影响.

R参数对于评价沥青抗车辙能力非常重要，因为它代表了沥青的延迟弹性.残留物在每个循环剩余时间的9 s内R越高，表明弹性性能越好.图9为在0.1和3.2 kPa应力水平下残留物的R平均值，由图9可知SBS改性的乳化沥青残留物R值更大，说明其具有更优异的弹性性能，这与温度扫描中残留物δ表现出来的规律具有一致性.在低应力水平下，两种方法获取的残留物R在不同温度下并没有显著的差异.但是在高应力水平下，两种残留物的R值随着温度升高均呈现减小的趋势，尤其是SBS改性的乳化沥青残留物在64 ℃后减小速率显著增大，并且不同残留物获取方法对SBS改性的乳化沥青残留物弹性性能具有更大影响.同时也说明了在高应力水平下，温度的升高对R参数有负面影响.需要注意的是，在温度扫描中，SBR改性乳化沥青残留物的δ随着温度的增幅大于SBS改性的乳化沥青残留物，而R参数显示温度对SBS改性的残留物弹性性能具有更大的不利影响，造成这种现象的可能原因是温度扫描和MSCR试验的控制模式不同.

1.3.2 青少年信息贫困研究。刘亚[33]把青少年作为一个特殊群体来研究。他认为由于青少年对概念的定义或描述不准确，其信息需求表达能力不足，而导致检索能力不足；使用信息资源的能力并不理想，难以实现知识建构与创新；对网上的信息几乎不加质疑并引用，缺乏信息评价判断能力。需要将青少年信息行为作为新命题进行研究。王洁瑾[34]通过调查研究，构建信息贫困视野的青少年信息行为模型，指出青少年信息贫困多是因为信息获取障碍，表现在习惯使用省时省力方式检索，信息检索能力不高，信息处理能力不理想；存在信息吸收能力缺陷，表现在信息需求表达障碍、缺少信息判断能力以及知识结构不完善等。

图6 剪切应变变化(0.1 kPa)

图7 剪切应变变化(3.2 kPa)

Jnr作为沥青抗变形能力的指标，其值越小，表明抗车辙能力越强.图8为乳化沥青残留物分别在0.1和3.2 kPa应力水平下的Jnr值，由图8可知，无论是低应力水平还是高应力水平下，残留物的Jnr值都呈现增大的趋势，并且SBR改性乳化沥青残留物的Jnr值增大速率更显著.相对SBR来说，直接加热法和低温蒸发法获得的SBS改性乳化沥青残留物均具有较低的Jnr值.由图8可知，两种应力水平下，对于同一种改性剂改性的乳化沥青残留物，直接加热法获取的残留物具有更大的Jnr值.以上数据分析表明，SBS改性的乳化沥青残留物具有更高的抗变形能力，并且相对低温蒸发法，直接加热法对两种残留物的抗变形能力都有负面影响.

表 1为两种改性乳化沥青的基本性能指标，其中关于蒸发残留物的固含量、针入度、软化点、延度和弹性恢复的数据均采用直接加热法获取的试样进行测试.由于针入度试模较深，低温蒸发无法获取完全固化的残留物，因此无法进行常规的针入度试验.软化点试样环厚度为6.4 mm，弹性恢复试模厚度为10 mm，结合前期使用硅胶垫制备残留物的经验可知，低温蒸发法能够获取软化点和弹性恢复的试样.乳化沥青中水分蒸发完全后，残留物的高度会明显降低，因此在浇筑软化点和弹性恢复试模时，乳化沥青用量需要在高度方向上有富余.因此，本文对软化点试样环和弹性恢复试模进行了改进.采用两个相同的弹性恢复试模重叠使用进行乳化沥青浇筑，需要注意的是在试模相接触部分应涂抹隔离剂.对于软化点试样环，由于形状的不规则，不能采用叠加的方式增加环高度，因此采用聚四氟乙烯板材通过数控机床加工成与常规软化点试样环外径和内径一致的环状模具.

图8 在0.1和3.2 kPa应力水平下的Jnr值

郭文安：教材编写往往被人看成是对学科基础知识的编排与阐述，对有关科研成果的概括和整理，因而不受重视，甚至不被看作是一种科学研究。教材编写与科学研究确有所区别，前者主要是在已有科研成果基础上进行的。但是，二者亦有共同点，教材编写同样具有探索、研究、整合与创新的属性，实质上也是一种科学研究。因为一本好的教材应有广博、坚实、精深的专业知识。它不应限于概括与整理已有的科研成果，在学科理论的简明化、系统化和体系化上都应有新的突破、发展与提高。它应兼具专业性、基础性、学术性和前瞻性。它可使广大师生及读者受益匪浅，获得进一步探究的依据与动力。可以说，一本好教材其价值并不亚于一本好专著。

图9 在0.1和3.2 kPa应力水平下的R值

3 结 论

1) SBS改性乳化沥青残留物具有更高的软化点和弹性恢复率，说明其具有更优的高温性能和弹性性能.对比两种获取残留物的方法，低温蒸发法获取的残留物具有更高的软化点，对于SBS-D还具有大的弹性恢复率，但对SBR-D和SBR-Z的弹性恢复影响不大.

权重的确定方法，影响农业机械化水平指标权重具有代表性的方法主要有层次分析法、信息权重法(主成分分析法、因子分析法)、德尔菲法、层次分析法与德尔菲法的联合应用法等[5]；也有从机械替代劳动力前后，耗费人工量大小的角度来设置权重的研究文献[6]。本文认为目前畜牧业机械化统计数据的不可获得性导致无法科学运用层次分析法和信息权重法，因此三级指标权重的确定同样根据耗费人工量的大小而定。从机械替代劳动力的角度设定权重，在筛选出的5个指标中，根据各自用工量(见表1)占总这5个环节用工总量的比例来分配，详见表2。

2) 在温度扫描试验中，低温蒸发法获得的残留物具有更高的G*和G*/sinδ，并且SBS-D的δ更小，而两种获取方法对SBR-D和SBR-Z的δ影响不大.说明直接加热法降低了残留物的抗车辙性能，并且对SBS改性乳化沥青的影响更大.

3) 在MSCR试验中，通过分析剪切应变和恢复应变值、Jnr和R指标，结果表明低温蒸发法获取的残留物具有更高的抗剪切变形能力和弹性性能，并且在高应力水平下，对SBS改性乳化沥青残留物性能影响更大.

4) 两种获取残留物的方法具有不同的试验温度和加热时长，导致了残留物流变性能测试结果的差异.在后续工作中，将进一步研究不同温度、湿度和真空度条件下获取的残留物微观和老化方面的性能差异，为确定合适的残留物获取方法提供研究基础.