基于動態(tài)剪切試驗的低滾阻改性瀝青粘彈性分析

劉小春，李 艷，高笑語，邱業(yè)績，郭 平

(1.中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710000； 2.西安公路研究院，陜西 西安 710065；3.西安斯派新材料科技有限公司，陜西 西安 710600)

0 引 言

車輛正常行駛于路面時，輪胎在路表面發(fā)生滾動，輪胎外緣中心對稱面與滾動方向一致，則與滾動方向相反的阻力稱為輪胎滾動阻力，滾動阻力由路面擠壓造成的輪胎變形，荷載作用下路面發(fā)生的變形以及輪胎-路面反向摩擦組成[1-4]。目前對于低滾阻路面的研究主要集中于橡膠輪胎領(lǐng)域。但是瀝青路面是應(yīng)用最為廣泛的道路路面，對于路面滾動阻力方面的研究近乎空白[5-7]。

本文在自主研發(fā)的一種低滾阻改性瀝青的基礎(chǔ)上，參照道路材料流變的理論和材料粘彈性試驗方法，對低滾阻改性瀝青、SBS改性瀝青之間的流變性能差異進行了對比分析。

1 低滾阻改性瀝青的研制

從輪胎角度考慮，低滾阻瀝青路面的主要作用是在基于車輛安全的前提下，對橡膠進行改性以降低橡膠輪胎的應(yīng)變滯后性，以降低輪胎-路面間的滾動阻力；因此，從瀝青角度考慮，低滾阻瀝青的主要作用是通過一定的方法對瀝青進行改性以實現(xiàn)降低路面變形及應(yīng)變滯后性，從而降低滾動阻力。而瀝青作為常用的道路材料具有一定的粘彈性特征，通過特定方式對瀝青進行改性，提高瀝青混合料模量以減小路面的彈性變形并降低其應(yīng)變滯后性，也可能是實現(xiàn)瀝青路面低滾阻性能的有效方式之一。

項目組根據(jù)不同產(chǎn)地天然瀝青的瀝青含量、瀝青四組份構(gòu)成、礦物質(zhì)成分等特點，選擇天然瀝青原料，采用獨有的加工手段減小了天然瀝青的粒徑，使得三氯乙烯不溶物顆粒的表面效應(yīng)突出，比表面積增大，表面活性增強，通過物理作用分散在瀝青中。同時通過化學(xué)穩(wěn)定作用，進一步保證瀝青的存儲穩(wěn)定性?；谏鲜龇椒ㄑ兄屏说蜐L阻改性瀝青。

2 低滾阻改性瀝青常規(guī)性能研究

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的試驗方法，對該低滾阻改性瀝青的針入度、延度、軟化點、密度以及老化性能等常規(guī)性能指標(biāo)進行了檢測。與制備的SBS改性瀝青的常規(guī)性能指標(biāo)試驗結(jié)果對比見表1。

由表1可知：

(1)由于低滾阻改性瀝青是由低針入度的硬質(zhì)瀝青經(jīng)改性加工制成，流動性較差，其針入度明顯低于SBS改性瀝青；此外，低滾阻改性瀝青的5 ℃延度和彈性恢復(fù)指標(biāo)較SBS改性瀝青有所降低，也是由于天然硬質(zhì)瀝青本身的特性所致。

(2)對比低滾阻改性瀝青和SBS改性瀝青老化后性能指標(biāo)可知，低滾阻改性瀝青的殘留針入度比和殘留延度均高于SBS改性瀝青，說明低滾阻改性瀝青抗老化性能優(yōu)良。

表1 低滾阻改性瀝青與SBS改性瀝青的性能指標(biāo)對比

(3)低滾阻改性瀝青的48 h離析試驗結(jié)果優(yōu)于SBS改性瀝青，說明低滾阻改性瀝青的存儲穩(wěn)定性較優(yōu)。這是由于低滾阻改性瀝青的主要成分為天然瀝青并且采用了特殊加工工藝。

3 粘彈性理論及試驗方法

3.1 粘彈性理論

粘彈性分析的主要方法是基于試驗特性的理論分析。試驗分析主要考察應(yīng)力應(yīng)變對加載速率的依賴性和對溫度的敏感性，粘彈性材料的力學(xué)行為與激勵時間t有關(guān)，所以其應(yīng)力和應(yīng)變是時間的函數(shù)。假設(shè)粘彈性體在外力作用下，任一時刻t的應(yīng)變ε(t)取決于直至該時刻的應(yīng)力σ(t)，則應(yīng)力和應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系可表示為：

動態(tài)粘彈性是指粘彈性物體受到振蕩荷載作用(一般為正弦波)所表現(xiàn)出的力學(xué)行為和特性，其力學(xué)性質(zhì)介于彈性固體和粘體流體之間。動態(tài)粘彈性分析的基本特點是小變形、線性特性、時間滯后(相位差)和復(fù)數(shù)方法等，其最重要的參量是復(fù)數(shù)模量和復(fù)數(shù)柔量，類似于虎克定律中彈性模量的定義，動態(tài)粘彈性分析通常把復(fù)應(yīng)力與復(fù)應(yīng)變的比值定義為復(fù)數(shù)模量，并記為R*(iω)。對粘彈性體施加ε(t)=ε0sinωt的振蕩激勵，應(yīng)力和應(yīng)變之間會產(chǎn)生時間滯后現(xiàn)象，存在相位角差δ。一般而言，粘彈性的滯后效應(yīng)通常表現(xiàn)為應(yīng)變對應(yīng)力在時間上的滯后，所以當(dāng)應(yīng)變滯后應(yīng)力的相位角差為δ時，即滯后了時間t=δ/ω。依據(jù)Maxwell模型的本構(gòu)方程計算可得復(fù)數(shù)模量為：

R1(ω)+iR2(ω)

(1)

復(fù)數(shù)模量R*(iω)的實部R1為動態(tài)彈性模量或儲能模量，反映了彈性能量的存儲和釋放，表征的是彈性性質(zhì)；虛部R2為粘性損失模量或散能模量，反映了粘性能量的損失和耗散，表征材料的粘性性質(zhì)；tanδ為損失正切或損失因子。彈性部分R1越大，彈性模量越大，材料約接近固體；粘性部分R2越大，粘性越小，材料越接近流體。在拉壓試驗中。復(fù)數(shù)模量表示為：E*(iω)=E1+E2；在剪切試驗中，復(fù)數(shù)模量表示為：G*(iω)=G1+G2。

3.2 動態(tài)剪切流變試驗

動態(tài)剪切流變儀試驗簡稱DSR試驗，可以測定瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ以表征瀝青材料的粘彈性質(zhì)。復(fù)數(shù)剪切模量G*=τmax/γmax，δ為施加的振蕩激勵與響應(yīng)之間的相位角差。試驗所施加的荷載為正弦荷載，其工作原理及應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。按照3.1節(jié)，復(fù)數(shù)剪切模量由兩部分組成：動態(tài)彈性模量或儲能模量G1及粘性損失模量或散能模量G2。在線性粘彈區(qū)間內(nèi)，G1越大，表明其彈性模量越大材料彈性性質(zhì)越強；G2表征的是瀝青在形變過程中由于粘性而損失的模量，G2越大，瀝青在應(yīng)力作用下粘性損耗越多。

圖1 動態(tài)剪切流變試驗原理及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 溫度敏感性試驗

4.1 應(yīng)力掃描

對低滾阻改性瀝青及SBS改性瀝青進行動態(tài)剪切流變試驗，試驗類型為應(yīng)力掃描試驗，振動應(yīng)力范圍為0.05～20 000 Pa，試驗溫度設(shè)定為60 ℃，角頻率為10 rad·s-1，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 2種瀝青的應(yīng)力掃描曲線

由圖2可知：

(1)在60 ℃試驗溫度下，隨應(yīng)力的不斷增加，2種瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*隨之衰減，但在0～1 000 Pa的振動應(yīng)力范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)迅速衰減，可近似認(rèn)為G*沒有隨應(yīng)力增加發(fā)生變化，因此線性粘彈性區(qū)間為0～1 000 Pa的振動應(yīng)力范圍。

(2)同一應(yīng)力水平下，低滾阻改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*明顯高于SBS改性瀝青。由3.1中的線性粘彈性理論可知，復(fù)數(shù)剪切模量G*由動態(tài)彈性模量(儲能模量)和粘性損失模量(散能模量)兩部分構(gòu)成，因此還需進一步對動態(tài)彈性模量(儲能模量)及粘性損失模量(散能模量)進行試驗研究，用以對比2種瀝青的粘彈性。

4.2 溫度掃描

圖3 2種瀝青的G1隨溫度變化曲線

采用動態(tài)剪切流變儀，對低滾阻改性瀝青和SBS改性瀝青進行溫度掃描試驗，溫度掃描范圍為58 ℃～75 ℃，升溫速率為1 ℃·min-1，頻率為10 rad·s-1。動態(tài)彈性模量(儲能模量)G1、粘性損失模量(散能模量)G2隨溫度的變化如圖3、4所示。對試驗結(jié)果進行線性擬合，結(jié)果見表2。

由圖3～4和表2可知：

(1)2種瀝青的動態(tài)彈性模量(儲能模量)G1、粘性損失模量(散能模量)G2均隨溫度的升高而降低，通過對曲線進行線性擬合結(jié)果進行分析可以看出，低滾阻改性瀝青的曲線斜率絕對值較小，說明低滾阻改性瀝青對于溫度的敏感性小于SBS改性瀝青，反映出低滾阻瀝青的高溫性能穩(wěn)定。

圖4 2種瀝青的G2隨溫度變化曲線

表2 線性擬合結(jié)果及相關(guān)性系數(shù)

(2)對比2種瀝青在同一溫度下的動態(tài)彈性模量(儲能模量)G1、粘性損失模量(散能模量)G2試驗結(jié)果可以看出：相較于SBS改性瀝青，低滾阻改性瀝青的G1較大，說明低滾阻瀝青在應(yīng)力作用下具有較高的動態(tài)彈性模量(儲能模量)因而路面彈性變形較小；低滾阻改性瀝青的粘性損失模量(散能模量)G2較小，說明低滾阻改性瀝青的粘性損失小，粘彈性轉(zhuǎn)變較快，應(yīng)變滯后性較小。

5 結(jié) 語

本文基于線性粘彈性理論，對低滾阻改性瀝青和SBS改性瀝青分別進行了應(yīng)力掃描和溫度掃描的動態(tài)剪切試驗。對比分析了低滾阻改性瀝青與SBS改性瀝青粘彈性差異。

(1)依據(jù)60 ℃試驗溫度下的應(yīng)力掃描結(jié)果確定2種瀝青的應(yīng)力均在線性粘彈性區(qū)間為0～1 000 Pa振動應(yīng)力范圍內(nèi)。

(2)在等應(yīng)力水平下，低滾阻改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*明顯高于SBS改性瀝青。

(3)通過溫度掃描試驗曲線擬合結(jié)果分析可知：低滾阻改性瀝青的溫度敏感性較小，高溫穩(wěn)定性能優(yōu)良。

(4)在等溫度水平下，低滾阻改性瀝青的G1較大、G2較小，說明低滾阻瀝青不僅具有較高的動態(tài)彈性模量使得路面彈性變形??；而且其粘性損失小，形變恢復(fù)快，可有效降低低滾阻瀝青路面的應(yīng)變滯后性。