徐鴻飛 (棗莊學(xué)院城市與建筑工程學(xué)院,山東棗莊 277160)

基于動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)的瀝青高溫動(dòng)態(tài)流變參數(shù)研究

徐鴻飛 (棗莊學(xué)院城市與建筑工程學(xué)院,山東棗莊 277160)

普通瀝青與改性瀝青在高溫下有著明顯不同的流變性能。為了對(duì)高溫下普通瀝青與改性瀝青不同的粘彈性質(zhì)進(jìn)行更深入的研究,借助美國(guó)SHRP的動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱短期老化前后的6種瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)得到的不同高溫下的動(dòng)態(tài)流變參數(shù)彈性模量G′、粘性模量G″、復(fù)數(shù)剪切模量G*、瀝青的相位角δ、車(chē)轍因子G*/sinδ進(jìn)行分析比較,研究這些流變參數(shù)與溫度、老化的關(guān)系。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)公式δ=c ln T+d,選擇了有代表性的3種瀝青通過(guò)回歸計(jì)算得到了c值及相關(guān)性大小,建議以|c|代替c來(lái)表征δ對(duì)溫度T變化的敏感程度。

動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn);瀝青;高溫;彈性模量;粘性模量;復(fù)數(shù)剪切模量;相位角;車(chē)轍因子

20世紀(jì)80年代以來(lái),我國(guó)的公路事業(yè)飛速發(fā)展,開(kāi)創(chuàng)了以建設(shè)高速公路、一級(jí)公路為主的時(shí)代,且絕大多數(shù)為瀝青路面。隨著瀝青路面越來(lái)越廣泛的使用,各種路面問(wèn)題也頻頻出現(xiàn),如裂縫、車(chē)轍、擁包、水損害等。由于全球氣候影響,我國(guó)大部分地區(qū)夏季氣溫越來(lái)越高且持續(xù)時(shí)間久,使得由高溫引起的損壞形式顯得尤為突出。因此,如何提高瀝青路面的高溫性能成為了越來(lái)越多公路研究人員的研究方向。

瀝青作為特殊的粘彈性材料,有著較其他路面材料更為復(fù)雜的高溫流變性能,在路面抵抗高溫變形的過(guò)程中起著重要的作用[1]。因此各國(guó)學(xué)者專(zhuān)門(mén)針對(duì)瀝青的高溫流變性能展開(kāi)了大量的研究,取得了很多創(chuàng)新性的研究成果。但是隨著交通量的迅速增加,最初的普通瀝青已不能滿(mǎn)足道路交通的需求,隨后更多更好品種的改性瀝青代替了普通瀝青成為瀝青路面的新寵。改性瀝青在高溫下具有與普通瀝青完全不同的動(dòng)態(tài)流變性能,且不同改性瀝青也有著不同的流變性能,而我國(guó)常規(guī)研究瀝青高溫性能的試驗(yàn)方法大多為靜載模式或單溫度條件模式,如軟化點(diǎn)試驗(yàn)、粘度試驗(yàn)等,已不能用來(lái)較好的評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫流變性能[2]。美國(guó)SHRP提出的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)較好的彌補(bǔ)了這一遺憾,它用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)瀝青進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn),用流變學(xué)指標(biāo)衡量瀝青的粘彈性本質(zhì)[3]。為此,筆者借助美國(guó)SHRP的動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)短期老化前后的6種瀝青進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)得到的流變特性參數(shù)分析改性瀝青的動(dòng)態(tài)流變性能,并對(duì)判定參數(shù)性質(zhì)的系數(shù)進(jìn)行修正。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的6種瀝青包含2種普通瀝青和4種改性瀝青,分別為嘉德士70號(hào)瀝青、齊魯70號(hào)瀝青、MAC改性瀝青、橡膠粉改性瀝青、穩(wěn)定型橡膠改性瀝青以及應(yīng)力吸收SBS改性瀝青。

2 試驗(yàn)方法

動(dòng)態(tài)剪切流變儀在設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)角速度及不同的溫度水平下,對(duì)瀝青試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切,利用試驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)流變參數(shù)G′、G″、G*、δ和G*/sinδ評(píng)價(jià)瀝青的高溫流變性能。其中G*是瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量即勁度模量,包括彈性模量G′和粘性模量G″;G′和G″分別代表可恢復(fù)部分和不可恢復(fù)部分;δ是瀝青的相位角,代表應(yīng)力與應(yīng)變之間的時(shí)間滯后即粘彈性的成分比例,δ越大,瀝青粘性成分越大,反之則彈性成分越大。G*/sinδ是SHRP規(guī)范提出的車(chē)轍因子,G*/sinδ越大,瀝青材料抵抗高溫變形能力越好[4-5]。

試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn),試驗(yàn)方法按照美國(guó)AASHTO TP-93要求進(jìn)行;瀝青為原樣及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱短期老化(RTFOT)后試樣;?25mm平行板,板間距1mm;加載模式:應(yīng)變控制,原樣、RTFOT后試樣的控制應(yīng)變值分別為12%、10%;加載頻率:10rad/s;試驗(yàn)溫度:每6℃一個(gè)等級(jí)(58、64、70、76、82、88℃)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)得到6種瀝青RTFOT前后不同溫度水平下的G′、G″、G*、δ和G*/sinδ值。

3.1 彈性模量G′

由圖1和圖2可以看出, RTFOT前后普通瀝青與改性瀝青的彈性模量G′都隨試驗(yàn)溫度的升高而降低,與溫度之間呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系。58～70℃溫度區(qū)域內(nèi)G′的降低幅度比后面較高溫區(qū)域的降幅要大,溫度較高時(shí)G′數(shù)值較低,變化不明顯。這說(shuō)明隨著溫度的升高,瀝青所能表現(xiàn)的彈性性能逐漸減少,到達(dá)一定的高溫水平時(shí)彈性成分占據(jù)較少的比例。

圖1 原樣G′-T曲線(xiàn)

圖2 RTFOT后G′-T曲線(xiàn)

普通瀝青在最初的試驗(yàn)溫度58℃時(shí)G′值就很低,僅為0.3～0.4KPa,當(dāng)溫度達(dá)到64℃時(shí)G′值已接近于0。改性瀝青在58℃時(shí)G′值較普通瀝青要高出許多,雖然隨溫度升高G′不斷降低,但即使到88℃時(shí)G′仍然大于0。其中應(yīng)力吸收SBS改性瀝青與穩(wěn)定型橡膠改性瀝青88℃的G′值甚至能達(dá)到0.5～0.6KPa,這已經(jīng)高于普通瀝青58℃時(shí)的數(shù)值。通過(guò)以上分析說(shuō)明改性瀝青在高溫下能表現(xiàn)出大大優(yōu)于普通瀝青的彈性性能,即使是到達(dá)一定的高溫水平時(shí),改性瀝青仍然能存在少部分的彈性成分,這為改性瀝青具有較好的抵抗高溫變形能力的原因提供了一個(gè)有力的解釋。從圖1、2對(duì)比可以看出,RTFOT后各種瀝青G′值都有所增加,但整體呈現(xiàn)的規(guī)律與老化前較為一致。

3.2 粘性模量G″

黃曲霉毒素是由黃曲霉在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中發(fā)生的一種次生代謝產(chǎn)物。1960年蘇格蘭因食用發(fā)霉花生粉引起10萬(wàn)只火雞中毒死亡，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)確定是由黃曲霉毒素引起火雞中毒死亡。以后，德國(guó)、美國(guó)、非洲的科學(xué)家證明黃曲霉毒素能引起家禽、豬、魚(yú)和牛、羊等物發(fā)生中毒。我國(guó)貴州、江蘇、甘肅、四川等地也有家禽、豬、魚(yú)和牛、羊因飼喂含有黃曲霉毒素的飼料引起的中毒的報(bào)道。

由圖3和圖4可以看出, RTFOT前后普通瀝青與改性瀝青的粘性模量G″隨溫度的變化有著與G′相同的變化趨勢(shì),都隨溫度升高而降低,且與溫度間呈非線(xiàn)性關(guān)系。說(shuō)明隨著溫度升高,瀝青粘性模量的值也在減小,但是通過(guò)對(duì)比相同溫度點(diǎn)的數(shù)值大小可以發(fā)現(xiàn),在試驗(yàn)的同高溫水平下,粘性模量G″的數(shù)值要遠(yuǎn)大于彈性模量G′,也就是說(shuō),瀝青在高溫下,多偏向于粘性流動(dòng)狀態(tài),溫度越高狀態(tài)越明顯。

從圖3和圖4還可以看出,普通瀝青的G″各溫度點(diǎn)之間的降低水平基本一致,且到76℃時(shí)仍能有相對(duì)較小的粘性分量,這完全不同于G′在64℃就接近于0的狀態(tài)。這說(shuō)明普通瀝青在一定的高溫狀態(tài)下,已基本表現(xiàn)為粘性流動(dòng)狀態(tài),在溫度的變化過(guò)程中,彈性成分的變化最為敏感。也就是說(shuō)在某溫度點(diǎn)前,當(dāng)彈性成分仍存在時(shí),普通瀝青的溫感性主要由彈性成分決定,而在某溫度點(diǎn)后當(dāng)彈性成分已趨于0時(shí),普通瀝青的粘彈性質(zhì)已不再發(fā)生變化。

圖3 原樣G″-T曲線(xiàn)

圖4 RTFOT后G″-T曲線(xiàn)

3.3 復(fù)數(shù)剪切模量G*

復(fù)數(shù)剪切模量G*包含G′和G″,且在高溫下瀝青偏向于粘性流變性質(zhì),因此圖5、圖6表現(xiàn)出與圖3、圖4較一致的狀態(tài)。

3.4 瀝青的相位角δ

從圖7和圖8可以看出,原樣瀝青δ的變化趨勢(shì)不同,其中SBS和MAC瀝青的δ隨溫度升高減小,其流變性質(zhì)區(qū)別于其他瀝青;RTFOT后隨溫度升高δ增大,表明瀝青逐漸趨于粘性材料的特征。普通瀝青在初始溫度58℃時(shí)δ已近90°,故δ隨溫度增加發(fā)生的變化并不明顯。普通瀝青的δ遠(yuǎn)大于改性瀝青,說(shuō)明普通瀝青在較低溫度時(shí)即接近于粘性材料且高溫性能遠(yuǎn)低于改性瀝青。

圖5 原樣G*-T曲線(xiàn)

圖6 RTFOT后G*-T曲線(xiàn)

圖7 原樣δ-T曲線(xiàn)

圖8 RTFOT后δ-T曲線(xiàn)

3.5 車(chē)轍因子G*/sinδ

圖9 原樣G*/sinδ-T曲線(xiàn)

圖10 RTFOT后G*/sinδ-T曲線(xiàn)

3.6 經(jīng)驗(yàn)公式回歸系數(shù)c的修正

已知相位角δ與溫度T的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中,T為溫度;c、d為回歸系數(shù);相位角δ隨溫度變化的敏感程度可由系數(shù)c判定,c越大表示δ受溫度影響的變化程度越大,反之越小。圖11和圖12是RTFOT前后6種瀝青的δ-ln T關(guān)系圖,并選擇了有代表性的3種瀝青通過(guò)回歸計(jì)算得到了c值及相關(guān)性大小。由圖11可以看出,短期老化后,6種瀝青相關(guān)性很好,且按照c值的大小判定3種瀝青δ的溫感性由大到小依次為橡膠粉改性、齊魯70、應(yīng)力SBS改性瀝青,這與圖7表現(xiàn)的規(guī)律一致。

由圖12可以看出,短期老化前,瀝青相關(guān)性較差,齊魯70、橡膠粉改性、應(yīng)力SBS改性瀝青的c值分別為10.335、25.102、-10.732,按照c值排序,橡膠粉改性的δ溫感性最大,應(yīng)力SBS改性的最小且為負(fù)值,應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于齊魯70號(hào)瀝青。而從圖8可以看出,實(shí)際上應(yīng)力SBS改性與齊魯70號(hào)瀝青δ的敏感程度接近,因此在這里回歸系數(shù)c已不能用來(lái)判定δ的敏感程度。但通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)如果c取絕對(duì)值|c|,結(jié)果正好符合圖示規(guī)律。因此,在用回歸系數(shù)c判定δ的溫感性時(shí),要考慮到某些特殊改性瀝青的c值可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)值的情況,此時(shí)建議用|c|代替c來(lái)評(píng)價(jià)相位角隨溫度變化的敏感程度。

圖11 RTFOT后δ-ln T回歸

圖12 原樣δ-ln T回歸

5 結(jié)論

對(duì)6種瀝青試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn),從分析瀝青高溫流變性能的角度出發(fā),對(duì)試驗(yàn)得到的各流變參數(shù)充分分析,得到以下結(jié)論:

1)G′、G″、G*、δ和G*/sinδ都與溫度、老化密切相關(guān)。高溫條件下,普通瀝青的溫感性多由G′主導(dǎo),高于某溫度水平后呈粘性流動(dòng)趨勢(shì)。改性瀝青具有大大優(yōu)于普通瀝青的抵抗高溫變形的能力,但不同的改性瀝青之間亦存在較大的差距。G*/sinδ在評(píng)價(jià)RTFOT前后瀝青的高溫優(yōu)良性上能得到較為統(tǒng)一的結(jié)果,但可靠性有待驗(yàn)證。

2)利用δ-ln T經(jīng)驗(yàn)公式的回歸系數(shù)c評(píng)價(jià)δ的溫感性是不可靠的,筆者建議以|c|代替c評(píng)價(jià)其溫感性,則可以獲得較為符合試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)論。

3)筆者選用的6種瀝青雖然較為常用,但試驗(yàn)結(jié)論是否適用于其它種類(lèi)的瀝青則需進(jìn)一步研究確定。

[1]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]牛曉霞,牛玉琴,時(shí)占君.改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的探討[J].廣東公路交通,2002,73(2):14-17.

[3]吳耀東.采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)瀝青高溫性能[J].北方交通,2007(1):45-47.

[4]魏建明,侯巖峰,王國(guó)清.基于動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)的瀝青高溫性能研究[J].公路與汽運(yùn),2007(5):117-120.

[5]薛小剛,李寧利,陳華鑫,等.改性瀝青高溫指標(biāo)可靠性評(píng)價(jià)[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2004(1):6-8.

[編輯] 張濤

U414

A

1673-1409(2014)22-0084-04

2014-04-04

徐鴻飛(1986-),女,碩士,助教,現(xiàn)主要從事瀝青與瀝青混合料方面的研究工作。