不同標(biāo)號(hào)瀝青動(dòng)態(tài)粘彈特性試驗(yàn)研究

丁彪 ，鄒曉龍 ，宋松 ，陳團(tuán)結(jié) ，雷宇

（1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710064；3.湖州市交通建設(shè)管理局，浙江 湖州 313000）

0 引言

瀝青作為粘彈性材料同時(shí)具有彈性和粘性的特征，這兩者之間的關(guān)系經(jīng)常被用來衡量其抗永久變形和疲勞開裂的能力。為了抗車轍，瀝青需要堅(jiān)硬有彈性，為了抗疲勞開裂，膠結(jié)料需要柔軟和有彈性。SHRP中則引入動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）來測試瀝青膠結(jié)料的粘彈特性。針對(duì)瀝青的動(dòng)態(tài)粘彈性特性，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，取得了大量有益的成果：如李曉民等[1]通過對(duì)粉煤灰、礦粉、消石灰、水泥4種礦物填料組成的瀝青膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)，得出相同膠粉比下消石灰對(duì)瀝青的高溫性能提高最顯著，其他依次為粉煤灰、水泥、礦粉，粉膠比的增加與復(fù)合模量、粘度的增加不成正比。付海英等[2]以旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)SBS、SBS-g-M共混改性瀝青的粘彈性動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，考察不同改性劑用量對(duì)改性瀝青高溫性能的影響。夏娟等[3]通過研究得出了橡膠瀝青具有良好的高溫性能，SBS改性瀝青具有良好的疲勞性能。詹小麗[4]的研究結(jié)果表明，瀝青與改性瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)明顯不同，瀝青可以近似看為均相聚合物，而改性瀝青在所測溫度和頻率范圍內(nèi)為多相聚合物。林江濤等[5]對(duì)不同品牌的成品SBS改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，以獲取SBS改性瀝青動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜，并對(duì)SBS改性瀝青動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析。Shenoy[6-7]通過研究認(rèn)為現(xiàn)有指標(biāo)對(duì)某些瀝青尤其是改性瀝青無法有效地分級(jí)，提出了新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。學(xué)者們通過研究得出了添加劑、改性劑可以有效改善瀝青動(dòng)態(tài)粘彈性指標(biāo)，而實(shí)際上基質(zhì)瀝青的動(dòng)態(tài)粘彈性特性與改性瀝青相比對(duì)頻率和溫度更為敏感，在工程應(yīng)用中，需要對(duì)基質(zhì)瀝青的特性有較為清楚的認(rèn)識(shí)之后才能對(duì)瀝青進(jìn)行改性。因此，本文主要通過試驗(yàn)研究了不同標(biāo)號(hào)的基質(zhì)瀝青在不同溫度和頻率掃描下動(dòng)態(tài)粘彈性參數(shù)的變化情況，研究結(jié)果可為不同溫度和軸載條件下瀝青的選型提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)為同一品牌下的50號(hào)、70號(hào)、90號(hào)，瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 不同標(biāo)號(hào)瀝青的主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 動(dòng)態(tài)剪切流變儀工作原理

在大多數(shù)路面承受交通的溫度下，瀝青的狀況既像一個(gè)彈性固體，又像一個(gè)粘性液體。在DSR中施加的應(yīng)力和產(chǎn)生的應(yīng)變之間的關(guān)系，量化了2種狀況，提供了為計(jì)算2個(gè)瀝青膠結(jié)料重要特性的必要參數(shù)——復(fù)數(shù)剪切模量（G，以下簡稱復(fù)模量）和相位角（δ）。G 是最大剪應(yīng)力（τmax）和最大剪應(yīng)變（γmax）的比率，施加的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的應(yīng)變時(shí)間滯后是相位角（δ）（見圖1）。對(duì)于完全的彈性材料，相位角δ是0，所有變形都是暫時(shí)的；對(duì)于粘性材料（如熱瀝青），相位角接近90°，所有的變形都是永久的。對(duì)于瀝青，G和δ值對(duì)溫度和荷載頻率的依賴性很大。因此，了解擬建路面施工項(xiàng)目地區(qū)的氣候，以及使用路面的交通相對(duì)速度非常重要[8]。

圖1 瀝青材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，γ=12%。當(dāng)進(jìn)行頻率掃描時(shí)，采用的頻率為1～25 Hz；當(dāng)進(jìn)行溫度掃描時(shí)，頻率為10 Hz，溫度分別為 46、52、58、64、70 ℃。

2 頻率掃描對(duì)瀝青性能的影響

2.1 相位角變化

相位角體現(xiàn)了瀝青的粘彈性比例的變化，相位角越大，表示瀝青粘性作用越大，圖2為在恒定溫度條件下，不同標(biāo)號(hào)瀝青的相位角隨頻率的變化曲線。

圖2 不同標(biāo)號(hào)瀝青的相位角隨頻率的變化曲線

由圖2可見，在恒定的溫度條件下，隨著頻率的增加，荷載作用的周期變短，彈性變形所用的時(shí)間越短，恢復(fù)得越快，使得相位角減小。在1～5 Hz范圍內(nèi)，相位角下降幅度較大；在6～25 Hz范圍內(nèi)，相位角下降的速率基本趨于穩(wěn)定，不同溫度條件下相位角下降的速率基本相同。標(biāo)號(hào)越高，瀝青越軟，相位角越大。

2.2 復(fù)模量G變化

不同標(biāo)號(hào)瀝青的復(fù)模量G隨頻率變化曲線見圖3。

圖3 不同標(biāo)號(hào)瀝青的復(fù)模量隨頻率的變化曲線

由圖3可見，當(dāng)溫度為46℃時(shí)，瀝青復(fù)模量隨著頻率的增大先變大后減小。當(dāng)溫度在52～70℃范圍內(nèi)時(shí)，瀝青的復(fù)模量隨著頻率的增加會(huì)逐漸增大，溫度越高，瀝青越軟，復(fù)模量越小。

一方面，對(duì)于粘彈性物質(zhì)，其變形分為彈性變形和永久變形，彈性變形可以恢復(fù)，而永久變形不可恢復(fù)，當(dāng)頻率增大時(shí)，作用的時(shí)間變短，變形減小，使得復(fù)模量變大；另一方面，隨著不斷的加卸載，瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，模量會(huì)有一定的損失，使得復(fù)模量變小。低溫時(shí)，復(fù)模量隨著頻率的增大先增大后減小就是這個(gè)原因造成的。

2.3 車轍因子G/sinδ的變化

從抗車轍的角度來講，較高的復(fù)模量G和較低的相位角δ是較理想的選擇，Superpave（高性能瀝青路面）設(shè)計(jì)方法中定義了高溫車轍因子G/sinδ，又叫高溫勁度，原樣的G/sinδ至少須1.0 kPa，在旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中老化后最小值為2.20 kPa，小于該值時(shí)膠結(jié)料會(huì)太軟，不能抵抗永久變形。3種不同標(biāo)號(hào)瀝青的車轍因子試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同標(biāo)號(hào)瀝青的車轍因子隨頻率的變化曲線

從圖4可以看出，當(dāng)溫度為46℃時(shí)，車轍因子隨著頻率的增加先增大后減小；當(dāng)溫度在52～70℃范圍內(nèi)時(shí)，車轍因子隨著頻率的增加而增大，溫度越低，車轍因子越大。瀝青標(biāo)號(hào)越低，車轍因子越大，抵抗變形的能力越強(qiáng)。由車轍因子的變化規(guī)律可以看出，瀝青在低溫高頻條件下抗車轍的能力減弱，而實(shí)際上加載的頻率與路面車輛的速度是對(duì)應(yīng)的，這也要求在路面設(shè)計(jì)時(shí)瀝青的選型要參考路面的溫度和設(shè)計(jì)的速度。

3 溫度掃描對(duì)瀝青性能的影響

3種不同標(biāo)號(hào)瀝青的溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 3種不同標(biāo)號(hào)瀝青的溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可見，當(dāng)頻率一定時(shí)，隨著溫度的升高，瀝青由粘彈性向粘性過渡，相位角逐漸變大，瀝青的標(biāo)號(hào)越低，增長的幅度越大；復(fù)模量G、車轍因子G/sinδ隨著溫度的升高而逐漸變小，當(dāng)溫度升高到70℃時(shí)，3種標(biāo)號(hào)瀝青的復(fù)模量G和車轍因子G/sinδ基本相同。

4 結(jié)論

借助于高溫流變儀研究了不同標(biāo)號(hào)瀝青在不同頻率及溫度條件下的相位角、復(fù)模量及車轍因子的變化情況，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)溫度一定時(shí)，頻率越高，瀝青的相位角越小，并且在1～5 Hz時(shí)，瀝青的相位角下降的幅度較大；在6～25 Hz時(shí)，瀝青的相位角變化下降幅度較小。

（2）頻率增大時(shí)，瀝青的變形減小，復(fù)模量變大；同時(shí)不斷的加卸載，瀝青內(nèi)部出現(xiàn)損傷，使得復(fù)模量下降。低溫時(shí)瀝青的復(fù)模量和車轍因子先增大后減?。桓邷貢r(shí)瀝青的復(fù)模量隨著頻率的增大而變大就是這種原因造成的。

（3）加載頻率相同時(shí)，隨溫度的升高，瀝青的G和G/sinδ有所下降，并且在46～52℃范圍內(nèi)，其下降幅度較大。