瀝青結(jié)合料高溫流變性能研究

王 銳

（新疆北朋土木工程檢測咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830016）

引言

瀝青作為一種粘彈性材料，具有其典型的流變性能[1]。當(dāng)前，國內(nèi)主要以針入度以及軟化點(diǎn)等指標(biāo)對(duì)瀝青基本性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但瀝青的這些指標(biāo)僅包括其小部分的流變性能，實(shí)際使用瀝青路面時(shí)無法通過這些指標(biāo)對(duì)瀝青發(fā)揮的作用進(jìn)行全面的描述。隨著流變學(xué)開始引入瀝青領(lǐng)域，對(duì)瀝青材料采用流變測試技術(shù)進(jìn)行流變性的研究，對(duì)探討瀝青結(jié)合料的使用性能具有較大的發(fā)展前景。

1 工程概況

G580線和田至康西瓦公路項(xiàng)目起點(diǎn)與S210阿和沙漠公路相接，路線經(jīng)和田市、和田縣、烏魯瓦提水庫、托滿、龐納子水庫、普夏、康西瓦，終點(diǎn)位于G219國道K437+000附近，設(shè)計(jì)路線全長251.947 km，按二、三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。沿線包括沙漠區(qū)、平原微丘區(qū)及山嶺重丘區(qū)，所處地區(qū)具有較大的氣溫變化，存在多種病害影響其通行能力。其中一工區(qū)線路長12.1 km，按一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，于2019年7月開始進(jìn)行瀝青面層鋪裝施工。為對(duì)瀝青的高溫流變性能開展試驗(yàn)，選取5種不同的瀝青類型：SBS、SBR改性瀝青、橡膠瀝青、90#基質(zhì)瀝青、極寒瀝青開展試驗(yàn)。采用的儀器為DHR-1型動(dòng)態(tài)剪切流變儀。

制備試驗(yàn)樣品流程：（1）將瀝青樣品放入烘箱進(jìn)行加熱處理，加熱至樣品處于流動(dòng)狀態(tài)。以135℃、170℃分別加熱基質(zhì)和改性瀝青；（2）為保障瀝青的均勻性以及避免瀝青出現(xiàn)離析現(xiàn)象，在加熱時(shí)對(duì)其進(jìn)行持續(xù)攪拌；（3）在硅膠模具中將流動(dòng)瀝青倒入約為其2/3體積即可；（4）待試驗(yàn)樣品冷卻后，即可用于試驗(yàn)。

2 瀝青高溫流變性能試驗(yàn)研究

2.1 應(yīng)變掃描試驗(yàn)

瀝青線性粘彈范圍可通過應(yīng)變掃描試驗(yàn)確定。該種試驗(yàn)方法通過施加恒定頻率及恒定溫度下只有幅值不斷變化的正弦剪切應(yīng)變于試驗(yàn)樣品中，以研究其在各種情況下的力學(xué)性能情況[2-4]。研究瀝青線粘彈性范圍的方法有多種，選取試驗(yàn)方法為瀝青的復(fù)數(shù)模量在不斷增加的應(yīng)變作用下，降低值比其自身10%的最大復(fù)數(shù)模量小的話，就認(rèn)定其位于線彈性范圍。試驗(yàn)結(jié)果見圖2～圖6。

圖2 90#基質(zhì)瀝青隨著應(yīng)變變化瀝青復(fù)數(shù)模量及相位角變化

圖 3 SBR改性瀝青復(fù)數(shù)模量與相位角隨應(yīng)變變化情況

圖4 SBS改性瀝青復(fù)數(shù)模量與相位角隨應(yīng)變變化情況

圖5 橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量與相位角隨應(yīng)變變化情況

圖6 極寒瀝青復(fù)數(shù)模量與相位角隨應(yīng)變變化情況

從試驗(yàn)結(jié)果可知，5種瀝青材料在相同的應(yīng)變變化時(shí)的復(fù)數(shù)模量具有一致變化趨勢。復(fù)數(shù)剪切模量在低應(yīng)變區(qū)域的波動(dòng)較為緩慢。瀝青隨著不斷上升的應(yīng)變值均表現(xiàn)出復(fù)數(shù)模量不斷減少，但其復(fù)數(shù)剪切模量在應(yīng)變值超過某一值時(shí)表現(xiàn)出不斷上升的趨勢，此時(shí)表明瀝青開始進(jìn)入非線性粘彈區(qū)。隨著溫度的上升，同種瀝青的線性粘彈區(qū)有所增加。試驗(yàn)所得5種瀝青的線性粘彈區(qū)間見表1。在瀝青高溫流變性試驗(yàn)中，對(duì)于5種瀝青的應(yīng)變?cè)囼?yàn)值均按照應(yīng)變范圍進(jìn)行確定，以使其在線性粘彈范圍中。

表1 5種瀝青在不同溫度條件下的線性粘彈性范圍

2.2 溫度掃描試驗(yàn)

瀝青路面的使用壽命直接受到其混合料感溫性能的影響。瀝青路面在運(yùn)營期間，長期受到溫度以及荷載的作用，而其高溫流變性能直接關(guān)系到瀝青路面的抗車轍性能[5-6]。為研究溫度與瀝青高溫流變性之間的關(guān)系，對(duì)其開展溫度掃描試驗(yàn)，結(jié)果見圖7。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，5種瀝青老化前后在溫度不斷上升的情況下表現(xiàn)出不斷降低的復(fù)數(shù)模量，表明隨著溫度的增加，瀝青的抗變形性能不斷減弱。其中具有最大的復(fù)數(shù)模量變化的是90#基質(zhì)瀝青，其在44℃時(shí)具有16 321 Pa的復(fù)數(shù)模量，但當(dāng)溫度上升到80℃，其復(fù)數(shù)模量降低至339 Pa，表明對(duì)于基質(zhì)瀝青具有更大的溫度敏感性。隨著溫度上升，4種改性瀝青在溫度上升時(shí)的復(fù)數(shù)模量均在迅速降低后趨于穩(wěn)定，其中具有最大復(fù)數(shù)模量的改性瀝青為橡膠瀝青，最小為極寒瀝青，SBS比SBR改性瀝青復(fù)數(shù)模量大。從樣品角度分析可知，在相同溫度變化范圍內(nèi)，未老化的瀝青比起老化的瀝青具有更小的復(fù)數(shù)模量最大值，表明瀝青復(fù)數(shù)模量對(duì)短期老化具有較大影響。

圖7 隨著溫度變化5種瀝青復(fù)數(shù)模量變化曲線

5種瀝青在溫度上升時(shí)的相位角表現(xiàn)出不斷上升趨勢，表明在該種情況下瀝青具有不斷增加的粘性成分，以及不斷降低的彈性成分，瀝青材料在高溫情況下更趨向于粘性體。對(duì)比5種試驗(yàn)瀝青老化前與老化后的相位角可知，其在老化前具有更大的相位角，表明改性瀝青在該溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的粘彈性。

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度掃描，得到5種瀝青在老化前后的車轍因子G*/ sinδ，結(jié)果見圖8。

圖8 溫度變化時(shí)五種瀝青老化前后車轍因子變化

從試驗(yàn)結(jié)果可知，5種瀝青在溫度升高情況下的車轍因子表現(xiàn)出不斷降低趨勢，其中具有最大降低幅度是90#基質(zhì)瀝青，表明在抗車轍性能中改性瀝青更加穩(wěn)定。當(dāng)溫度較高時(shí)，SBS改性瀝青的車轍因子最大，最小的是90#基質(zhì)瀝青，其中橡膠瀝青的車轍因子比SBR改性瀝青的大，SBR改性瀝青的車轍因子比極寒瀝青大。在溫度較高時(shí)對(duì)瀝青樣品采取RTFOT處理，所得結(jié)果為極寒瀝青具有最大的車轍因子，最小的車轍因子為90#基質(zhì)瀝青，其中橡膠瀝青的車轍因子大于SBS改性瀝青的車轍因子、大于SBR改性瀝青的車轍因子，表明短期老化可使改性瀝青的高溫抗變形能力有所提高。

為了對(duì)溫度影響下瀝青車轍因子的變化進(jìn)行定量分析，采取軟件結(jié)合回歸方程G*/sinδ=AeBT（式中：試驗(yàn)溫度用T表示，瀝青材料相關(guān)特性用A、B表示）的方法擬合溫度與車轍因子的變化曲線，結(jié)果見表2。在擬合結(jié)果中，按回歸方程所得的相關(guān)系數(shù)均大于0.990 0，表明采用回歸方程可對(duì)溫度與車轍因子之間的關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確描述。

表2 溫度變化與車轍因子擬合參數(shù)

3 結(jié)語

（1）當(dāng)溫度升高時(shí)瀝青的復(fù)數(shù)模量表現(xiàn)出下降趨勢，其中降低幅度最大的為90#基質(zhì)瀝青，降低幅度最小的是極寒瀝青；（2）當(dāng)溫度上升時(shí)5種瀝青相位角均表現(xiàn)出增大趨勢，其中在溫度變化情況相同時(shí)，90#基質(zhì)瀝青的相位角提升，最大幅度較改性瀝青大；（3）在改性瀝青相位角變化幅度中，橡膠瀝青最小。從車轍因子角度出發(fā)，在溫度較高時(shí)，5種瀝青中SBS改性瀝青具有最大的車轍因子，90#基質(zhì)瀝青具有最小的車轍因子；（4）經(jīng)過RTFOT處理之后，瀝青樣品的車轍因子在高溫條件下，表現(xiàn)為90#基質(zhì)瀝青車轍因子最小，極寒瀝青車轍因子最大；（5）比較5種瀝青車轍因子在老化前后大小可知，瀝青短期老化可提高其高溫抗變形能力。并且回歸方程G*/sinδ=AeBT可對(duì)溫度與車轍因子之間的關(guān)系進(jìn)行較好描述。