丁彪 ，鄒曉龍 ，宋松 ，陳團結(jié) ，雷宇

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

0 引言

瀝青作為粘彈性材料同時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中則引入動態(tài)剪切流變儀（DSR）來測試瀝青膠結(jié)料的粘彈特性。針對瀝青的動態(tài)粘彈性特性，國內(nèi)外學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]通過對粉煤灰、礦粉、消石灰、水泥4種礦物填料組成的瀝青膠漿進行動態(tài)頻率掃描試驗和穩(wěn)態(tài)流動試驗，得出相同膠粉比下消石灰對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SBS、SBS-g-M共混改性瀝青的粘彈性動態(tài)力學性能進行研究，考察不同改性劑用量對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]對不同品牌的成品SBS改性瀝青進行動態(tài)剪切試驗，以獲取SBS改性瀝青動態(tài)力學溫度譜，并對SBS改性瀝青動態(tài)力學機理進行了分析。Shenoy[6-7]通過研究認為現(xiàn)有指標對某些瀝青尤其是改性瀝青無法有效地分級，提出了新的評價指標。學者們通過研究得出了添加劑、改性劑可以有效改善瀝青動態(tài)粘彈性指標，而實際上基質(zhì)瀝青的動態(tài)粘彈性特性與改性瀝青相比對頻率和溫度更為敏感，在工程應用中，需要對基質(zhì)瀝青的特性有較為清楚的認識之后才能對瀝青進行改性。因此，本文主要通過試驗研究了不同標號的基質(zhì)瀝青在不同溫度和頻率掃描下動態(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的參考依據(jù)。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

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

表1 不同標號瀝青的主要技術(shù)性能指標

1.2 動態(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彈性固體，又像一個粘性液體。在DSR中施加的應力和產(chǎn)生的應變之間的關(guān)系，量化了2種狀況，提供了為計算2個瀝青膠結(jié)料重要特性的必要參數(shù)——復數(shù)剪切模量（G，以下簡稱復模量）和相位角（δ）。G 是最大剪應力（τmax）和最大剪應變（γmax）的比率，施加的應力和由此產(chǎn)生的應變時間滯后是相位角（δ）（見圖1）。對于完全的彈性材料，相位角δ是0，所有變形都是暫時的；對于粘性材料（如熱瀝青），相位角接近90°，所有的變形都是永久的。對于瀝青，G和δ值對溫度和荷載頻率的依賴性很大。因此，了解擬建路面施工項目地區(qū)的氣候，以及使用路面的交通相對速度非常重要[8]。

圖1 瀝青材料的應力與應變關(guān)系

1.3 試驗方案

試驗采用應變控制模式，γ=12%。當進行頻率掃描時，采用的頻率為1～25 Hz；當進行溫度掃描時，頻率為10 Hz，溫度分別為 46、52、58、64、70 ℃。

2 頻率掃描對瀝青性能的影響

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，不同標號瀝青的相位角隨頻率的變化曲線。

圖2 不同標號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，彈性變形所用的時間越短，恢復得越快，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。標號越高，瀝青越軟，相位角越大。

2.2 復模量G變化

不同標號瀝青的復模量G隨頻率變化曲線見圖3。

圖3 不同標號瀝青的復模量隨頻率的變化曲線

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

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

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）設計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，小于該值時膠結(jié)料會太軟，不能抵抗永久變形。3種不同標號瀝青的車轍因子試驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同標號瀝青的車轍因子隨頻率的變化曲線

從圖4可以看出，當溫度為46℃時，車轍因子隨著頻率的增加先增大后減?。划敎囟仍?2～70℃范圍內(nèi)時，車轍因子隨著頻率的增加而增大，溫度越低，車轍因子越大。瀝青標號越低，車轍因子越大，抵抗變形的能力越強。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，而實際上加載的頻率與路面車輛的速度是對應的，這也要求在路面設計時瀝青的選型要參考路面的溫度和設計的速度。

3 溫度掃描對瀝青性能的影響

3種不同標號瀝青的溫度掃描試驗結(jié)果見圖5。

圖5 3種不同標號瀝青的溫度掃描試驗結(jié)果

由圖5可見，當頻率一定時，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，瀝青的標號越低，增長的幅度越大；復模量G、車轍因子G/sinδ隨著溫度的升高而逐漸變小，當溫度升高到70℃時，3種標號瀝青的復模量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號瀝青在不同頻率及溫度條件下的相位角、復模量及車轍因子的變化情況，得出以下結(jié)論：

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

（2）頻率增大時，瀝青的變形減小，復模量變大；同時不斷的加卸載，瀝青內(nèi)部出現(xiàn)損傷，使得復模量下降。低溫時瀝青的復模量和車轍因子先增大后減小；高溫時瀝青的復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，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。