基于動態(tài)頻率掃描的SBS改性瀝青老化性能分析

張利冬，范亮平

（中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052）

基于動態(tài)頻率掃描的SBS改性瀝青老化性能分析

張利冬，范亮平

（中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052）

為了研究SBS改性瀝青的老化特性，應(yīng)用動態(tài)頻率掃描試驗，對不同老化程度下SBS摻量分別為0%、3%、6%的改性瀝青進(jìn)行了多個溫度條件下的頻率掃描，通過對主曲線的分析，并引入玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度來評價改性瀝青與基質(zhì)瀝青老化前后的性能特點(diǎn)，最后利用CA模型擬合主曲線。研究表明：改性劑的加入改善了基質(zhì)瀝青的高、低溫性能，同時減緩老化速率；老化使瀝青低溫抗裂性能大幅下降，但高溫溫度性能卻有一定提高；玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度和CA模型對于評價瀝青結(jié)合料性能均有較好的適用性。

道路工程；改性瀝青；老化；動態(tài)頻率掃描

0　引言

近年來改性瀝青在各個等級的公路建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而隨著時間的推移，由于受到行車荷載、環(huán)境、人為等因素的影響，改性瀝青混合料依然存在老化的問題，路面性能隨著劣化。目前國內(nèi)普遍使用針入度、軟化點(diǎn)等常規(guī)傳統(tǒng)方法評價改性瀝青的老化特征。Superpave瀝青結(jié)合料規(guī)范雖然從流變學(xué)的角度區(qū)分瀝青的各種性能，但是許多試驗對改性瀝青并不能很好的適用，同時對改性瀝青經(jīng)過室內(nèi)短期老化和長期老化后粘彈性力學(xué)行為的改變認(rèn)識明顯不足[1-2]。

瀝青材料是一種典型的粘彈性材料，可以通過動態(tài)粘彈測試方法準(zhǔn)確反映瀝青材料的穩(wěn)定性、粘彈性和熱敏感性。目前最常用的動態(tài)粘彈測試方法是借助動態(tài)剪切流變儀（DSR），在指定的溫度和頻率下施加正弦應(yīng)力，由此測得瀝青處于不同條件下的復(fù)數(shù)模量(G*)和相位角（δ），以此評價瀝青在不同溫度和頻率下粘彈性特征。這種方法可以有效模擬路面動載作用下的變形特征，從而表征瀝青性能。

本研究通過70#基質(zhì)瀝青、低改性劑摻量（SBS改性劑摻量3%）、高改性劑摻量（SBS改性劑摻量6%）三種瀝青分別通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化（RTFOT）,PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h制備18種瀝青。運(yùn)用動態(tài)剪切流變儀在處于線粘彈性范圍內(nèi)的18種瀝青進(jìn)行較寬溫度和頻率范圍的動態(tài)頻率掃描試驗。根據(jù)時溫等效原理，運(yùn)用WLF公式繪制各種瀝青的主曲線，并使用CA模型擬合出主曲線方程，由此分析改性瀝青經(jīng)過室內(nèi)短期老化和長期老化的流變性能，并據(jù)此討論改性瀝青的老化規(guī)律和老化機(jī)理。

1　材料制備與試驗方案

本研究通過70#基質(zhì)瀝青，加入指定摻量的SBS改性劑（3%和6%），使用實驗室專用的改性瀝青制作設(shè)備－高速剪切攪拌儀在170℃±5℃溫度范圍內(nèi)，以3 000～6 000 r/min的剪切速率剪切1 h，由此制備低、高改性劑摻量的改性瀝青[3]。

考慮到從路面回收的瀝青其性能變異性較差，同時老化程度不易掌握，本文采用室內(nèi)模擬瀝青老化的方法。研究表明瀝青的PAV老化可以有效的模擬瀝青路面實際的長期使用中的老化，且兩者存在較好的對應(yīng)關(guān)系，PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h分別對應(yīng)于實際道路路面齡期2 a、4 a、6 a和8 a[4]。而20世紀(jì)90年代美國SHRP成果中提出，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化可以用來模擬在瀝青混合料生產(chǎn)和施工期間的老化。所以本文將上述制備的兩種瀝青和基質(zhì)瀝青分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化，PAV老化5 h、16 h、24 h、50 h，共制備18種瀝青，見圖1。

本文采用美國TA公司生產(chǎn)的Advanced Rheometer-2000高級流變儀測試改性瀝青的動態(tài)粘彈力學(xué)性能。試樣的制備方法是將1 g左右的瀝青放在直徑為25 mm的平板家具下的平板上，調(diào)節(jié)上平板至1 000 μm，用熱刀將平板周圍壓出的試樣刮去后，恒溫15 min。動態(tài)頻率掃描的溫度范圍為30℃～80℃，頻率范圍是0.01～100 Hz，試驗由應(yīng)變控制。

圖1　PAV老化時間和道路齡期關(guān)系

2　試驗結(jié)果與討論

2.1主曲線的確定

通過頻率掃描試驗，可以得到各個溫度下瀝青在較寬頻率范圍內(nèi)的復(fù)數(shù)模量值G*,圖2為改性劑摻量為3%的改性瀝青經(jīng)過16 h PAV老化進(jìn)行頻率掃描的結(jié)果。

圖2　摻量3%改性劑的瀝青PAV16 h后頻率掃描圖

從圖2中可見，隨著荷載頻率的增加或試驗溫度的降低，瀝青的復(fù)數(shù)模量增加。但在相同荷載頻率和試驗溫度的條件下，瀝青復(fù)數(shù)模量的改變受老化時間和改性劑摻加量共同影響。為了進(jìn)一步深入分析評價改性瀝青老化后的性能變化規(guī)律，需要確定其主曲線，以此將試驗結(jié)果拓延到更加廣泛的頻率（溫度）范圍。

主曲線的繪制通常運(yùn)用時間-溫度等效原理，利用關(guān)于位移因子的WLF公式。WLF方程：

式中：Tg為材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；T為材料溫度；αT為溫度T時的水平移位因子；C1、C2為經(jīng)驗常數(shù)，隨參考溫度而變[5]。

位移因子lgαT的獲得：以某一參考溫度的曲線文參考曲線，可用最小二乘法及L-M法得最優(yōu)平移距離lgαT，該法的計算過程可以有Origin軟件非線性擬合實現(xiàn)。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的獲得：由于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的測定比較復(fù)雜，一般不通過試驗測定瀝青的Tg。而可以通過式（1），在測定的溫度條件中選定任意兩個溫度T0和T1來推導(dǎo)Tg。

可采用Origin軟件進(jìn)行最小二乘非線性擬合。

通過上述計算，并進(jìn)行水平位移疊加，可以得到參考溫度下寬頻率范圍內(nèi)主曲線，圖3～圖5為在40℃下三種瀝青進(jìn)行不同程度老化后的頻率與復(fù)數(shù)模量的關(guān)系曲線。

圖3　不同老化程度基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線

圖4　不同老化程度3%改性劑摻量瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線

圖5　不同老化程度6%改性劑摻量瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線

由圖3～圖5可見：

（1）隨著改性劑摻加量的增加，復(fù)數(shù)模量增大，但是增大的幅度隨著摻加量的增加而減少，說明改性劑的加入提高了基質(zhì)瀝青的高溫性能，同時使老化速率減小。

（2）基質(zhì)瀝青和3%SBS改性劑摻量的瀝青，他們主曲線的復(fù)數(shù)模量隨著老化時間的增加而增加。而6%改性劑摻量的瀝青，其短期老化（旋轉(zhuǎn)薄膜老化）的復(fù)數(shù)模量比長期老化（PAV5 h和16 h）的復(fù)數(shù)模量大。主要原因是高改性劑摻量的瀝青在短期老化后，基質(zhì)瀝青中的小分子成分減小，同時聚合物與基質(zhì)瀝青的溶脹更充分，導(dǎo)致分子間約束加強(qiáng)，使得改性瀝青復(fù)數(shù)模量值大幅增加。而隨著老化的深入，改性劑出現(xiàn)裂解，使復(fù)數(shù)模量又有一定的下降；對于低改性劑摻量的改性瀝青，基質(zhì)瀝青的老化是改性瀝青的老化的主導(dǎo)因素，所以它和基質(zhì)瀝青表現(xiàn)為相同的復(fù)數(shù)模量隨著老化時間增大而增大的現(xiàn)象[6]。

（3）三種瀝青短期老化后的復(fù)數(shù)模量明顯增加，隨著老化程度的深入，復(fù)數(shù)模量的增加速率變緩。其主要原因是改性瀝青的老化從根本上說是基質(zhì)瀝青的老化和改性劑聚合物的分解，基質(zhì)瀝青的老化使得復(fù)數(shù)模量的增加，而改性劑聚合物的分解又使復(fù)數(shù)模量降低，改性瀝青最終表現(xiàn)出的復(fù)數(shù)模量是這兩個因素共同作用產(chǎn)生的效果。相對于基質(zhì)瀝青，改性劑表現(xiàn)出相對的穩(wěn)定性，所以在短期老化過程中主要表現(xiàn)的是基質(zhì)瀝青的老化，而隨著老化程度的加深改性劑聚合物的裂解程度加大，從而表現(xiàn)為復(fù)數(shù)模量增加速率下降。

（4）比較不同老化程度的幾種瀝青，隨著老化時間的增加，基質(zhì)瀝青、3%和6%摻量的改性瀝青的主曲線更為接近，說明改性瀝青老化后期同基質(zhì)瀝青類似。

2.2玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg分析

物體由玻璃態(tài)向高彈態(tài)過度的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，一般以Tg表示。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度具有明確的物理意義，它表征高分子材料鏈段運(yùn)動得以開始或凍結(jié)的溫度。按照自由體積理論的解釋，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下物體所含有的自由體積達(dá)到一臨界值，低于此值，不足以是鏈段再運(yùn)動[7]。

對于路用瀝青，其服務(wù)溫度橫跨玻璃態(tài)至粘流態(tài)。在低溫條件下，希望其具有一定的變形能力，以此松弛部分因溫度下降產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，從而提高瀝青路面的低溫抗裂性。從這個角度講，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg就能很好的表征瀝青的低溫性能。Tg越小，表示瀝青在更低的溫度下就從變形能力較差的玻璃態(tài)過渡到變形能力較好的高彈態(tài)，使瀝青在較低溫度下有更好的抗變形能力，從而減少低溫開裂。所以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg能夠區(qū)分不同瀝青低溫性能的好壞，評價瀝青的低溫性能，見圖6。

圖6　不同老化程度三種瀝青玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度

從圖6可以看出：

隨著改性劑的增加，瀝青的Tg變小，說明改性劑的加入改善了瀝青的低溫抗裂性。

（1）隨著老化程度的深入，瀝青的Tg變大，但增幅逐漸減小，說明老化使瀝青的低溫性能降低，但隨著老化的推移低溫抗裂性趨向穩(wěn)定。

（2）相同老化程度的三種瀝青，低改性劑摻量和高改性劑摻量的Tg比較接近，說明SBS改性劑的摻加可以明顯提高基質(zhì)瀝青的低溫性能，但過多的增加SBS摻量改善效果不顯著，并不經(jīng)濟(jì)。

（3）未老化的三種瀝青，其Tg值分別為-3.0℃、-4.7℃和-6.1℃，而老化50 h后，三者Tg值分別為2.1℃、1.0℃、0.5℃，三種瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨著老化的深入逐漸靠近，這說明對于改性瀝青的低溫抗裂性，基質(zhì)瀝青的影響因素大于改性劑的影響。

2.3主曲線CA模型分析

經(jīng)典的粘彈力學(xué)通過粘壺和彈簧描述瀝青及瀝青混合料的粘彈力學(xué)特性，可以形象的表述其力學(xué)行為的變化。如瀝青在動態(tài)剪切作用下建立起的復(fù)合模量和相位角的模型是CA模型，可以較好地擬合主曲線數(shù)據(jù)[8]。

玻璃態(tài)復(fù)合模量是高頻（f→∞）或者低溫條件下材料的復(fù)合模量。瀝青在高溫或低頻部分主曲線逐漸變緩，并趨近水平線，此時瀝青處于玻璃態(tài)，該處的復(fù)數(shù)模量即為玻璃態(tài)復(fù)合模量，它描述了瀝青在低溫時抗變形的能力。交叉頻率fc是流變區(qū)與彈性極限區(qū)的分界頻率，fc越大反映瀝青的低溫性能越好。經(jīng)過擬合得到CA模型的幾個參數(shù)見表1。

表1　CA模型主要參數(shù)表

由表1可以看出，各種瀝青的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，擬合度較好，說明CA模型對于不同老化程度的改性瀝青與基質(zhì)瀝青都有較好的適用性。

3　結(jié)　論

（1）改性劑的加入后，聚合物與基質(zhì)瀝青形成一種更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使瀝青的高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性有了一定的提高。

（2）瀝青老化使瀝青的低溫性能變差，但高溫性能卻得以增強(qiáng)，而對于相同老化程度的基質(zhì)瀝青與改性瀝青，改性瀝青與其相應(yīng)的原樣瀝青性能更為接近，改性劑的加入延緩了瀝青的老化速率。

（3）使用玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg評價不同老化程度和不同改性劑摻加量的瀝青與CA模型擬合得到的結(jié)論一致，說明玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg對于評價瀝青低溫性能有較好的適用性。

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杭州灣將再建兩條跨海鐵路大橋 直接連接上海寧波

一座杭州灣跨海大橋，拉近了寧波與上海的距離，構(gòu)筑了一條海上高速公路大通道，但寧波市民一直期盼能在杭州灣上架起一條不經(jīng)杭州樞紐直接連接上海的高鐵通道。這樣的夢想很快就能實現(xiàn)了?！笆濉逼陂g，杭州灣上將再建兩條跨海鐵路，一條是滬甬跨海鐵路，一條是滬甬城際鐵路，其中滬甬跨海鐵路有望在“十三五”期間開工建設(shè)。

滬甬跨海鐵路目前已進(jìn)入方案研究階段，兩套備選方案首次對外發(fā)布。建成以后，杭州灣上將架起一座350 km級的高速鐵路，建成以后寧波到上海坐高鐵最快只要51 min。

U414

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1009-7716（2016）02-0172-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.048

2015-10-29

張利冬（1989-），男，浙江嵊州人，助理工程師，從事道路設(shè)計工作。