基于時(shí)間及頻率掃描的瀝青高低溫性能試驗(yàn)研究

林江濤， 梁 皓, 樊 亮

(山東省交通科學(xué)研究院 山東省道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250031)

目前，中國(guó)評(píng)價(jià)瀝青高低溫性能的主要常規(guī)指標(biāo)為軟化點(diǎn)、延度等.常規(guī)試驗(yàn)方法測(cè)試軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)具有操作簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用等特點(diǎn)，在中國(guó)公路建設(shè)中發(fā)揮著巨大作用，但是無(wú)法有效同步評(píng)價(jià)瀝青材料高低溫性能.國(guó)內(nèi)有研究表明，利用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，使用效果良好[1-3]；國(guó)外學(xué)者也利用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青和瀝青類填縫材料的低溫性能[4-5].Tg可以通過動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)方法獲得，而AASHTO MP19中評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的車轍因子(G*/sinδ)也是通過動(dòng)態(tài)剪切方法測(cè)定.因此，通過動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)同時(shí)獲取瀝青G*/sinδ及Tg，實(shí)現(xiàn)瀝青高低溫性能的同步測(cè)定成為可能.

本文采用不同種類瀝青，進(jìn)行不同溫度下動(dòng)態(tài)剪切時(shí)間掃描和頻率掃描，對(duì)于通過動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)同時(shí)獲取瀝青的G*/sinδ及Tg的試驗(yàn)過程及方法進(jìn)行了研究；同時(shí)，對(duì)測(cè)定的Tg表征瀝青混合料低溫性能的適用性進(jìn)行了分析.

1 原材料與試驗(yàn)方法

普通瀝青選用中石化燃料油公司的30#，50#，70#及90#石油瀝青；改性瀝青選用SBS改性瀝青、高模量瀝青、DSS改性瀝青及MAC改性瀝青.需要注意的是，由于試驗(yàn)階段不同，測(cè)試所選用的瀝青種類有所區(qū)別.主要試驗(yàn)安排如下：

(1)常規(guī)性能指標(biāo)測(cè)定 主要為瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度等常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)果見表1.

表1 瀝青性能的常規(guī)檢測(cè)結(jié)果Table 1 Performance indexes of asphalt

(2)車轍因子測(cè)試 按照AASHTO MP19規(guī)定方法測(cè)定瀝青G*/sinδ.

(3)溫度、時(shí)間及頻率掃描試驗(yàn) 在30～90℃范圍內(nèi)選取5個(gè)試驗(yàn)溫度，每個(gè)試驗(yàn)溫度下以時(shí)間掃描、頻率掃描試驗(yàn)作為1個(gè)循環(huán)單元，每個(gè)試驗(yàn)溫度平衡時(shí)間為1min，時(shí)間掃描、頻率掃描試驗(yàn)平衡時(shí)間設(shè)置為10s;采用平行板轉(zhuǎn)子25mm，樣品厚度1mm.第1步時(shí)間掃描測(cè)試：控制應(yīng)變12%，測(cè)試頻率為10rad/s，掃描時(shí)間為10s；第2步頻率掃描測(cè)試：控制應(yīng)變5%，測(cè)試頻率范圍0.1～10Hz.通過該試驗(yàn)，按照時(shí)間溫度等效原理進(jìn)行曲線平移，可獲得各個(gè)溫度移位因子，同時(shí)獲取60℃瀝青模量和相位角主曲線.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 時(shí)間掃描結(jié)果及分析

表2為瀝青時(shí)間掃描過程結(jié)果及曲線擬合方程，表3為預(yù)測(cè)的G*/sinδ與實(shí)測(cè)G*/sinδ，圖1(a)為瀝青時(shí)間掃描過程回歸分析曲線，圖1(b)為預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差.試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同瀝青、不同溫度下預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差差異較大且無(wú)規(guī)律性.由于瀝青基材料的復(fù)雜性、試驗(yàn)過程及平行樣品間的差異，誤差的存在是不可避免的，但總體結(jié)果表明，通過回歸方式計(jì)算的G*/sinδ與按照AASHTO MP 19方法測(cè)定的G*/sinδ基本相同，除DSS瀝青64℃下測(cè)點(diǎn)誤差相對(duì)較大外，其他瀝青測(cè)點(diǎn)均滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于原樣瀝青G*/sinδ測(cè)定重復(fù)性允許誤差小于6.4%的要求[6].以70#石油瀝青為例，其58，64，70℃時(shí)G*/sinδ的誤差率分別為0.09%，2.47%，1.51%.誤差較小的原因主要為：首先，時(shí)間掃描試驗(yàn)的設(shè)置條件與PG標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)加載條件一致；其次，時(shí)間掃描試驗(yàn)前設(shè)置的平衡時(shí)間，使前置試驗(yàn)中形成的應(yīng)力得到充分松弛，極大降低了Boltzmann線性疊加過程所造成的影響.

表2 時(shí)間掃描過程及曲線擬合方程Table 2 Time scanning process and curve fitting equation

表3 預(yù)測(cè)的G*/sinδ與實(shí)測(cè)G*/sinδTable 3 Predicted G*/sinδ and measured G*/sinδ

圖1 瀝青時(shí)間掃描試驗(yàn)分析Fig.1 Regression analysis of asphalt time sweep test

2.2 頻率掃描結(jié)果及分析

2.2.1時(shí)間溫度等效WLF方程

瀝青作為一種典型的黏彈性物質(zhì)，其力學(xué)行為符合時(shí)間溫度等效原理.目前，時(shí)間溫度等效的方程有很多，常用的主要有WLF方程、Arrhenius方程等，其中，瀝青材料在黏彈性范圍內(nèi)適用于WLF方程.WLF方程是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)半理論的公式，適用于時(shí)間溫度等效原理?yè)Q算法則的WLF公式為：

(1)

式(1)適用的溫度范圍為Tg～(Tg+100)℃，C1，C2為材料參數(shù)，其值會(huì)隨著材料不同而有所變化[7].C1，C2分別存在一個(gè)以Tg為基準(zhǔn)溫度的普適常數(shù)，其值分別為17.44，51.6，它們是眾多材料參數(shù)的一個(gè)均值.因此，下文進(jìn)行Tg擬合計(jì)算時(shí)，為減少參數(shù)初值賦值不同對(duì)擬合穩(wěn)定性造成的不良影響，需要先將C1，C2參數(shù)初值進(jìn)行統(tǒng)一，即將C1，C2分別賦予眾多材料參數(shù)的均值17.44和51.6.假設(shè)T1，T2試驗(yàn)溫度相對(duì)于基準(zhǔn)溫度Tg的移位因子分別為lgαT1，lgαT2，T1相對(duì)于基準(zhǔn)溫度T2的移位因子為lgαT′=lgαT2-lgαT1，通過WLF公式的推導(dǎo)計(jì)算可以得到方程:

(2)

2.2.2玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg計(jì)算

利用AR-2000ex型流變儀TTS的模塊功能，進(jìn)行頻率掃描復(fù)數(shù)剪切模量曲線的水平平移，得到各個(gè)溫度的移位因子，然后利用計(jì)算軟件Origin8.0根據(jù)式(2)編制自定義函數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算.

式(2)是一個(gè)三元函數(shù)，作為一個(gè)非線性方程其解有無(wú)數(shù)個(gè).在本文有限樣本數(shù)據(jù)情況下，Tg擬合結(jié)果必然受參數(shù)初始賦值的影響較大.已有文獻(xiàn)資料按照WLF公式及類似于式(2)的推導(dǎo)公式來(lái)計(jì)算Tg，但是其擬合參數(shù)設(shè)置較為模糊，或者計(jì)算過程涉及大量人工計(jì)算，從而導(dǎo)致相關(guān)試驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性和平行性不好.

本文Tg的具體擬合過程如下：首先，C1，C2及Tg分別被賦予17.44，51.6及任意合理初始值，并將它們分別設(shè)為固定值、固定值和自由值，并進(jìn)行收斂計(jì)算，計(jì)算出初始玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg′；然后將C1，C2及Tg′作為自由初始值進(jìn)行擬合，直至收斂計(jì)算完成.試驗(yàn)結(jié)果見表4，5及圖2，3.

表4 瀝青的溫度移位因子lg αT數(shù)據(jù)Table 4 lg αT data of different asphalt mortars

表5 不同參考溫度擬合的TgTable 5 Tg data of different asphalt mortars

圖2 不同溫度下瀝青玻璃化轉(zhuǎn)變溫度擬合曲線Fig.2 Fitting curves of glass transition temperature of asphalt under different temperatures

圖3 60℃瀝青動(dòng)態(tài)剪切頻率掃描主曲線Fig.3 Asphalt dynamic shear frequency scanning master curve at 60℃

由表5可見:(1)普通瀝青在各個(gè)參考溫度下擬合的Tg數(shù)據(jù)穩(wěn)定，相對(duì)偏差小.以圖2(a)所示70#瀝青為例，各個(gè)參考溫度下其Tg值分別為-10.83，-10.87，-10.84，-10.96℃，相關(guān)系數(shù)R2都為0.9999，標(biāo)準(zhǔn)偏差SD為0.082；(2)改性瀝青間差異性大，部分種類瀝青不同溫度間擬合結(jié)果變異性大.例如，高模量瀝青每個(gè)參考溫度的擬合相關(guān)性都較高，見圖2(b)，但其數(shù)據(jù)平行性較差，擬合結(jié)果分別為0.27，0.93，-4.57，-3.96℃，即擬合結(jié)果不穩(wěn)定，DSS瀝青甚至不能得到穩(wěn)定的Tg.

圖3顯示，高模量瀝青、DSS瀝青的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為與普通瀝青、常見SBS改性瀝青明顯不同：(1)高模量瀝青和DSS瀝青的相位角相似，即隨著剪切頻率的升高其相位角先減小后增大；(2)SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青的相位角相似，即隨著剪切頻率的升高其相位角先增大然后出現(xiàn)平臺(tái)區(qū).通常認(rèn)為，均相瀝青材料在極低頻或極高頻情況下，由于分子鏈段能夠跟上應(yīng)力反應(yīng)或完全跟不上應(yīng)力反應(yīng)，其力學(xué)損耗會(huì)比較低，即隨著剪切頻率靠近極低頻區(qū)及極高剪切頻率區(qū)，其相位角都是在降低的.高模量瀝青、DSS瀝青明顯異于均相瀝青.

WLF方程是適用于黏彈性材料時(shí)間溫度等效原理的方程，符合該方程的材料必須是均相的，受力具有各向同向性.普通石油瀝青都是由飽和分、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)及芳香分等組分構(gòu)成，雖然分子量大小不同，但是在熱力學(xué)上是完全相容的體系，因此Tg只有一個(gè)；MAC改性瀝青是一種以石油瀝青為基質(zhì)瀝青的鹽類化學(xué)改性瀝青，在熱力學(xué)上也是相容體系，其Tg同樣只有1個(gè)；對(duì)于低摻量的SBS改性瀝青或橡膠瀝青，由于它們的改性劑摻量小，改性劑與基質(zhì)瀝青相容性較好，可以將其看成簡(jiǎn)單的交替共混物，因此也只有1個(gè)Tg；但高模量改性瀝青及DSS瀝青與上述瀝青有所不同，這兩種瀝青中含有兩種以上的改性劑，改性劑摻量高，生產(chǎn)工藝、力學(xué)性能更為復(fù)雜，不再是一種簡(jiǎn)單意義上的瀝青共混物，其內(nèi)部構(gòu)成是不均相存在的，如高模量改性瀝青是一種三相體系的改性瀝青，其組成由石油瀝青、聚合物改性劑及部分無(wú)機(jī)礦物組成.綜上所述，利用WLF方程推導(dǎo)公式及其擬合參數(shù)可以得到穩(wěn)定、可靠的普通石油瀝青及簡(jiǎn)單改性瀝青的Tg值，但對(duì)于具有復(fù)雜相態(tài)結(jié)構(gòu)的聚合物改性瀝青則存在一定的局限性.

2.2.3玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證擬合的Tg值表征混合料低溫性能的有效性，本文進(jìn)行低溫小梁試驗(yàn).級(jí)配采用AC-20，瀝青采用50#，70#，90#及SBS改性瀝青，瀝青含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))統(tǒng)一為4.3%.采用UTM-100型萬(wàn)能材料試驗(yàn)儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)低彎曲梁小梁試件加載，加載溫度-10℃.試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

由圖4可見，擬合計(jì)算的Tg值，10℃延度指標(biāo)與瀝青混合料破壞應(yīng)變的相關(guān)性R2分別0.9513，0.6514，即采用Tg值來(lái)表征混合料低溫性能更加有效.Tg是一個(gè)動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的轉(zhuǎn)變溫度，是分子鏈段停止運(yùn)動(dòng)的分界溫度，其本質(zhì)是力學(xué)松弛行為.由于瀝青混合料的低溫性能80%是由瀝青性能所決定的[8]，其低溫開裂的根本原因是混合料的松弛性能下降，彎拉應(yīng)力不能得到迅速釋放，應(yīng)力隨著加載應(yīng)力的持續(xù)不斷積聚，最終超過極限而出現(xiàn)開裂.如果瀝青膠結(jié)料具有更低的Tg，即在更低溫度下仍能具有良好的松弛特性，這將有利于溫度應(yīng)力的松弛，使混合料不發(fā)生開裂行為.因此從材料松弛特性及Tg所代表的意義表明，瀝青Tg值可以有效表征混合料低溫使用性能.

圖4 小梁試件破壞應(yīng)變與Tg、延度相關(guān)性分析Fig.4 Analysis of correlation between failure strain with ductility and Tg value of asphalt mixture beam

3 結(jié)論

(1)普通石油瀝青時(shí)間掃描過程回歸計(jì)算G*/sinδ與實(shí)測(cè)G*/sinδ誤差小，能滿足現(xiàn)行公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范對(duì)于重復(fù)性試驗(yàn)允許誤差的要求.

(2)基于WLF方程推導(dǎo)公式擬合計(jì)算瀝青的Tg值，普通石油瀝青的擬合效果好；具有復(fù)雜相態(tài)結(jié)構(gòu)的聚合物改性瀝青Tg值擬合計(jì)算效果不佳，不同參考溫度的擬合程度雖高，但數(shù)據(jù)平行性不好，數(shù)據(jù)變異性大.Tg值與混合料低溫破壞應(yīng)變相關(guān)程度高.

(3)應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試方法及擬合方法，可以測(cè)定普通石油瀝青及簡(jiǎn)單相態(tài)結(jié)構(gòu)的改性瀝青的高溫性能、高溫感溫性能及低溫性能；相對(duì)傳統(tǒng)的瀝青高低溫性能檢測(cè)方法，其在樣品制作、數(shù)據(jù)采集及所耗時(shí)間等方面要更加簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確，而且大大降低了試驗(yàn)時(shí)間，簡(jiǎn)化瀝青高低溫性能測(cè)定過程.

(4)由于本文所用瀝青樣品及混合料試驗(yàn)樣本的有限性、局限性，這種方法的推廣應(yīng)用還需要大量的瀝青及混合料試驗(yàn)樣本作進(jìn)一步研究和理論分析.

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