基于流變性能試驗(yàn)的瀝青高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

弓文政

(湖南岳常高速公路開(kāi)發(fā)有限公司)

高溫穩(wěn)定性，也稱為高溫抗車(chē)轍性能，即抵抗高溫條件下流動(dòng)荷載反復(fù)作用產(chǎn)生瀝青混合料變形的能力。我國(guó)大部分地區(qū)夏季的最高氣溫一般能達(dá)到35～40 ℃以上，而瀝青路面的最高溫度會(huì)比最高氣溫高25 ℃，再加上高溫氣候持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，將可能使得瀝青路面在使用過(guò)程中迅速變形破壞。而瀝青作為一種典型的粘彈性材料，在這種高溫條件下其材料的高溫穩(wěn)定性對(duì)瀝青路面的基本使用性能起著決定性的作用。SHRP 的研究結(jié)果顯示，瀝青對(duì)于高溫車(chē)轍的貢獻(xiàn)率達(dá)到29%。所以說(shuō)針對(duì)瀝青的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究對(duì)于瀝青路面的使用是很有必要的。國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范采用軟化點(diǎn)和60 ℃粘度作為評(píng)價(jià)瀝青高溫使用條件下的性能指標(biāo)。而superpave 瀝青結(jié)合料規(guī)范則從流變學(xué)的角度對(duì)瀝青的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過(guò)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)定復(fù)數(shù)剪切模量G* 和相位角δ 及車(chē)轍因子G* /sinδ 來(lái)評(píng)價(jià)其高溫條件下的抗車(chē)轍性能。但是許多針對(duì)瀝青的抗車(chē)轍性能的研究，僅僅是將車(chē)轍因子作為唯一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有考慮到不同溫度、不同行車(chē)荷載甚至不同路面結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，在實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì)導(dǎo)致瀝青使用的局限性。所以針對(duì)這些影響因素進(jìn)行研究分析，通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)瀝青進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，綜合分析其高溫穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的三種瀝青分別為70#基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青以及高模量瀝青。具體相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

采用superpave 規(guī)定的瀝青膠結(jié)料規(guī)范為試驗(yàn)依據(jù)，使用TA 牌AR－1500ex 型號(hào)動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)三種不同瀝青進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)。通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)，從溫度水平、頻率水平及應(yīng)變水平三個(gè)方面進(jìn)行性能研究，并分析數(shù)據(jù)及分別對(duì)其高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度掃描

瀝青作為一種粘彈性材料，其材料性能具有很大的溫度依賴性。SHRP 規(guī)范中通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青進(jìn)行溫度掃描(52～83 ℃)，分析其復(fù)數(shù)剪切模量G* 、相位角δ 以及車(chē)轍因子G* /sinδ 在不同溫度條件下的變化情況。

圖1 各種瀝青的G* 和δ 與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系圖

由圖1 可知，三種瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G* 均隨著溫度增大而減小，均呈現(xiàn)一條下降的直線。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，瀝青的主要成分在高溫情況下逐漸呈現(xiàn)粘流態(tài)。復(fù)數(shù)剪切模量G* 是最大剪應(yīng)力與最大剪應(yīng)變的比值，該值越大，表面材料的彈性性能越好。在這種情況下，最大剪應(yīng)力減小，而最大剪應(yīng)變變大，這就直接導(dǎo)致了復(fù)數(shù)剪切模量G* 的減小。高模量瀝青的G* 曲線和SBS 改性瀝青的曲線較為接近，而基質(zhì)瀝青的曲線與它們兩者差別明顯。相關(guān)研究表明，曲線的斜率可以很好的反映出復(fù)數(shù)剪切模量G* 對(duì)溫度的敏感性。如圖1 所示，高模量瀝青和SBS 改性瀝青對(duì)溫度依賴性基本相同，均小于基質(zhì)瀝青。這表明，高模量瀝青和SBS 改性瀝青受溫度影響程度比基質(zhì)瀝青要小。針對(duì)相位角δ 而言，它反映的是復(fù)數(shù)剪切模量G* 中彈性成分和粘性成分的比例，δ 值越大則說(shuō)明粘性成分多而彈性成分少，而彈性成分是可恢復(fù)的，決定了抵抗車(chē)轍能力。由圖1可看出，隨著溫度逐漸升高，基質(zhì)瀝青的相位角δ 最大逐漸接近90°，δ 值接近90°則意味著瀝青中粘性成分過(guò)多，接近粘性狀態(tài)，此時(shí)的變形基本為永久變形，這就意味著基質(zhì)瀝青基本喪失了高溫下抵抗車(chē)轍的能力。SBS 改性瀝青的相位角δ 呈下降趨勢(shì)，數(shù)值介于基質(zhì)瀝青和高模量瀝青之間。而高模量瀝青的相位角δ 則最小，這表明高模量瀝青在高溫情況下所含彈性成分最多，可抵抗變形能力也是最好的。所以在評(píng)價(jià)高溫性能時(shí)，較大的G* 值與較小的δ 值是比較好的。

圖2 各種瀝青的G* /sinδ 與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系圖

G* /sinδ 值的大小直接反映了瀝青的抗車(chē)轍性能的好壞，G* /sinδ 值越大表示其抗車(chē)轍性能越好。由圖2 可發(fā)現(xiàn)，各種瀝青的G* /sinδ 與溫度有著良好的線性關(guān)系，隨著溫度的增加均減小。無(wú)論在何種溫度情況下，高模量瀝青的G* /sinδ 值最大，SBS 改性瀝青的次之。而基質(zhì)瀝青的G* /sinδ 值最小，且在82 ℃時(shí)接近為0 kPa，此時(shí)基本喪失抵抗車(chē)轍能力。參考它們曲線的斜率，與G* 曲線的斜率基本一致，說(shuō)明它們對(duì)溫度依賴性與之前分析是相同的。結(jié)合之前關(guān)于復(fù)數(shù)剪切模量G* 與相位角δ 的分析來(lái)看，高模量瀝青的抗車(chē)轍性能最好，SBS 改性瀝青次之，基質(zhì)瀝青最差。

2.2 頻率掃描

動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)中將角速度ω 設(shè)定為10 rad/s，這是因?yàn)閟uperpave 規(guī)范是將70 km/h 定位為標(biāo)準(zhǔn)速度進(jìn)行換算得來(lái)的。但是路面實(shí)際行車(chē)荷載是動(dòng)態(tài)的加載效應(yīng)，不同頻率狀態(tài)下所表現(xiàn)出來(lái)的性能也是不一樣的，所以只從單一頻率來(lái)分析材料性能是不夠的。選取在一個(gè)特定溫度(50 ℃)下，通過(guò)對(duì)瀝青進(jìn)行頻率掃描，檢測(cè)G* /sinδ 值的變化。頻率掃描范圍為1～100 rad/s。

圖3 50 ℃下各種瀝青的G* /sinδ 與頻率的半對(duì)數(shù)關(guān)系圖

由圖3 可知，在50 ℃條件下，隨著頻率的增加，三種瀝青的G* /sinδ 值均變大，并且均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。高模量瀝青的G* /sinδ 值最大，SBS 改性瀝青的模量次之，基質(zhì)瀝青的最小。高模量瀝青的G* /sinδ 值從1 rad/s 時(shí)的8 kPa 上升至100 rad/s 時(shí)的125 kPa;SBS 改性瀝青的G* /sinδ值則從3.9 kPa 上升至107 kPa;基質(zhì)瀝青的G* /sinδ 值則從1.3 kPa 上升至106 kPa。頻率越大，三者之間的差異就越小。頻率越低則意味著行車(chē)速度較慢，此時(shí)三種瀝青的G* /sinδ值均較低，這意味著抵抗車(chē)轍能力也越弱。停車(chē)場(chǎng)、陡坡道等地方的車(chē)轍痕跡就是很好的例子，這些地方的行車(chē)速度慢，變形較大，所以更容易出現(xiàn)車(chē)轍。而隨著頻率升高，行車(chē)速度加快，荷載與路面的接觸時(shí)間段，變形小，不容易產(chǎn)生車(chē)轍，此時(shí)它們的抗車(chē)轍性能也更好，直接在圖表上反映出來(lái)的就是G* /sinδ 的變大。三種瀝青在頻率逐漸增大時(shí)，G* /sinδ 值之間的差異越來(lái)越小。綜合分析，高模量瀝青在高溫、低頻階段所具備的抗車(chē)轍能力是最好的，而隨著頻率逐漸增大，三種瀝青的抗車(chē)轍能力逐漸趨于接近。

2.3 應(yīng)變掃描

應(yīng)變水平的選取與路面結(jié)構(gòu)有著很強(qiáng)的聯(lián)系，應(yīng)變值選取的較小則意味著路面結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，反之則較弱。而DSR 試驗(yàn)所選取的應(yīng)變水平值一般是固定的，這與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是不一致的，所以為了恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性，要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變掃描，以便分析其不同應(yīng)變條件下的高溫穩(wěn)定性。

圖4 50 ℃下各種瀝青的G* /sinδ 與應(yīng)變的關(guān)系圖

圖5 70 ℃下各種瀝青的G* /sinδ 與應(yīng)變的關(guān)系圖

由圖4 可知，在50 ℃條件下，高模量瀝青的車(chē)轍因子最大，SBS 改性瀝青次之，基質(zhì)瀝青最小。高模量瀝青的車(chē)轍因子基本不受到應(yīng)變的影響，基本呈現(xiàn)一條直線，這說(shuō)明高模量瀝青在承受較大的應(yīng)力時(shí)不會(huì)發(fā)生變形。而SBS 改性瀝青的車(chē)轍因子呈一個(gè)微弱的下降趨勢(shì)，由25.23 kPa 下降至23 kPa。減小程度最大的是基質(zhì)瀝青，下降了2.8 kPa。由圖5 可知，在70 ℃條件下，各種瀝青的車(chē)轍因子大小排序與50 ℃下一致，但是曲線形狀出現(xiàn)了明顯的不同?；|(zhì)瀝青的車(chē)轍因子很小，且其車(chē)轍因子曲線基本呈現(xiàn)一條直線。參考之前的溫度掃描分析，基質(zhì)瀝青的相位角δ 在70 ℃時(shí)已接近90°。這說(shuō)明基質(zhì)瀝青的主要成分已變?yōu)檎承猿煞?，基本喪失了抵抗?chē)轍的能力，失去了對(duì)應(yīng)變的依賴性。SBS改性瀝青在70 ℃時(shí)仍具備一定的抗車(chē)轍能力，但是與高模量瀝青相比存在明顯差距。高模量瀝青的車(chē)轍因子曲線雖然呈現(xiàn)一條下降的曲線，由5.4 kPa 下降到了3.5 kPa，但是在整個(gè)應(yīng)變掃描范圍內(nèi)都要比其他瀝青表現(xiàn)出更好的抗車(chē)轍性能。究其三者瀝青車(chē)轍因子下降的原因，溫度占有主導(dǎo)因素。溫度升高導(dǎo)致瀝青粘性成分的增多，相位角δ 增大，進(jìn)而導(dǎo)致變形更容易，這就會(huì)使得G* /sinδ 值的變小。綜合比較這三種瀝青來(lái)看，高模量瀝青無(wú)論是在50 ℃還是70 ℃情況下，其受應(yīng)變影響程度最小，即使在高溫情況下，在不同應(yīng)變條件下的抗車(chē)轍性能仍最佳。SBS 改性瀝青處于中間階段，高溫條件下沒(méi)有喪失抵抗車(chē)轍能力，與高模量瀝青相比差距明顯，但是仍優(yōu)于基質(zhì)瀝青?；|(zhì)瀝青在高溫情況下，基本喪失了對(duì)車(chē)轍的抵抗能力，此時(shí)受應(yīng)變的作用較小，這主要還是由溫度作用引起的。

3 結(jié) 論

通過(guò)從不同溫度、頻率以及應(yīng)變條件下的試驗(yàn)可以看出，在分析瀝青的高溫穩(wěn)定性時(shí)，不能簡(jiǎn)單的根據(jù)車(chē)轍因子大小進(jìn)行判斷，而是應(yīng)該綜合分析，根據(jù)實(shí)際所需情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。具體分析結(jié)論如下:

(1)在溫度逐漸升高的情況下，三種瀝青的G* 和G* /sinδ曲線均呈線性下降，高模量瀝青的G* 和G* /sinδ值最大，SBS 改性瀝青次之，基質(zhì)瀝青的最小。基質(zhì)瀝青的δ值逐漸增大接近90°，SBS 改性瀝青的δ 值逐漸減小，高模量瀝青的δ 則最小。且高模量瀝青和SBS 改性瀝青的溫度敏感性比基質(zhì)瀝青較小。在整個(gè)高溫范圍內(nèi)，高模量瀝青的抗車(chē)轍性能要好于SBS 改性瀝青和基質(zhì)瀝青。

(2)在50 ℃時(shí)，三種瀝青的G* /sinδ 值隨頻率的增加而增加，在低頻階段，高模量瀝青的G* /sinδ 最大，SBS 改性瀝青次之，基質(zhì)瀝青最小。隨著頻率逐漸往高頻發(fā)展，三者之間的差異減小。說(shuō)明在高溫、低頻范圍內(nèi)，高模量瀝青具有更好的抗車(chē)轍性能。

(3)50 ℃時(shí)，除基質(zhì)瀝青的G* /sinδ 值隨應(yīng)變的增大而降低，SBS 改性瀝青和高模量瀝青的G* /sinδ 基本沒(méi)有變化;70 ℃時(shí)，高模量瀝青的G* /sinδ 隨應(yīng)變?cè)黾映氏陆第厔?shì)，SBS 改性瀝青和基質(zhì)瀝青的G* /sinδ 基本無(wú)變化，但是高模量瀝青的G* /sinδ 始終要比其他兩種瀝青要高。說(shuō)明，高模量瀝青在高溫、重載時(shí)的抗車(chē)轍能力要優(yōu)于其余兩種瀝青。

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