曾 嶸，王曦東，陳歡芳，黃思閩，盧彭真

(1.嘉興市秀洲區(qū)公路與運(yùn)輸管理服務(wù)中心 嘉興市 314000； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 杭州市 310014)

0 引言

無縫伸縮縫作為一種新型的橋梁伸縮縫，由于其良好的整體性、施工便捷性和行車舒適性受到了越來越多的關(guān)注[1-2]。為滿足伸縮變形方面的要求，無縫伸縮縫填縫料的瀝青膠結(jié)料用量比普通瀝青混合料要大很多，因此無縫伸縮縫的性能與使用的瀝青膠結(jié)料密切相關(guān)，尤其在高溫下，瀝青膠結(jié)料的穩(wěn)定性和抗變形能力更為重要。也因此，瀝青膠結(jié)料是橋梁無縫伸縮縫性能發(fā)揮的主體。其中，瀝青膠結(jié)料具有明顯的流變性能，在加熱過程中從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變，發(fā)生形變和流動，屬于粘彈性材料。因此，為表征瀝青膠結(jié)料的流變特性，采用恒定頻率或恒定溫度下的相位角頻率和復(fù)合剪切模量G*來進(jìn)行分析。另外，為保證和延長橋梁無縫伸縮縫裝置的壽命周期，保證其填縫料有較好的使用性能，瀝青膠結(jié)料在低溫條件下模量不能過大，并且在高溫條件下又應(yīng)具有一定的模量，溫度敏感性要低，只有這樣才能保證橋梁無縫伸縮縫裝置正常使用。

目前，關(guān)于改性瀝青Matrix502和Colas這兩種專門用于無縫伸縮縫的瀝青膠結(jié)料流變性能的系統(tǒng)研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。同時(shí)，國內(nèi)關(guān)于橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的性能無明確的技術(shù)指標(biāo)。利用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對Matrix502和Colas兩種無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，以研究兩種材料的流變特性。

1 試驗(yàn)及其方法

材料選擇：選用美國科來福公司生產(chǎn)的無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料Matrix502和韓國的無縫伸縮縫膠結(jié)料Colas。DSR：環(huán)境室、加載設(shè)備、平行金屬板、數(shù)據(jù)控制和采集系統(tǒng)五部分組成試驗(yàn)系統(tǒng)。加載設(shè)備向試件施加10rad/s±0.1rad/s頻率的正弦振蕩荷載。金屬板直徑分別為25mm±0.05mm與8.00mm±0.05mm。數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)能夠記錄溫度頻率、扭矩和偏角。

主要采用DSR對Matrix502和Colas兩種瀝青膠結(jié)料進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件根據(jù)溫度范圍確定，-10～30℃定義為低溫區(qū)，使用8mm的轉(zhuǎn)子，試件厚度為2mm，應(yīng)變水平為0.1%，頻率為10rad/s；30℃以上定義為高溫區(qū)，使用25mm的轉(zhuǎn)子，試件厚度1mm，應(yīng)變水平為0.5%，頻率為10rad/s。

2 溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

瀝青膠結(jié)料對于溫度和時(shí)間有很強(qiáng)的依賴性，在不同的溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)分析，瀝青膠結(jié)料的力學(xué)流變性能會有很大差異，從而會對橋梁無縫伸縮縫裝置造成重大影響。因此，橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料若想提升其使用性能，在低溫時(shí)其模量不能過大，同時(shí)在高溫時(shí)應(yīng)具有一定模量，并且其應(yīng)具有較低的溫度敏感性。原因在于，瀝青膠結(jié)料在低溫環(huán)境時(shí)，其流動性會變小直至硬化，而硬化由于外部荷載和環(huán)境因素從而產(chǎn)生開裂破壞；在高溫環(huán)境下，瀝青膠結(jié)料會發(fā)生軟化現(xiàn)象，其流動性會變大，而這就會導(dǎo)致車轍、擁包和流動變形等一系列病害。

目前，瀝青等級指數(shù)、粘溫指數(shù)、針入度-粘度指數(shù)、針入度指數(shù)等是常用的瀝青溫度敏感性能評價(jià)指標(biāo)。目前我國采用針入度方法進(jìn)行評價(jià)，但在ASTM美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會和SHRP美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃中，是根據(jù)不同的瀝青用途、在不同的溫度下，對瀝青膠結(jié)料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)、壓力老化試驗(yàn)、DSR、彎曲梁流變試驗(yàn)BBR及直接拉伸試驗(yàn)，從而評價(jià)瀝青膠結(jié)料的溫度敏感程度。沈金安[3]等人利用粘溫指數(shù)VTS等方法評價(jià)瀝青溫度敏感性的合理性，利用針入度實(shí)驗(yàn)測出瀝青的粘度，在開式溫標(biāo)下進(jìn)行VTS擬合。主要研究瀝青膠結(jié)料在-10℃至60℃的流變性能，采用DSR對Colas和Matrix502兩種瀝青膠結(jié)料進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)。表1為溫度掃描試驗(yàn)參數(shù)。

表1 溫度掃描試驗(yàn)參數(shù)

2.1 復(fù)合剪切模量分析

瀝青膠結(jié)料Matrix502和Colas兩者復(fù)合剪切模量G*隨溫度上升的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，在-10℃至60℃溫度范圍內(nèi)，兩種瀝青膠結(jié)料的G*都隨著溫度的升高而降低。在低溫區(qū)-10℃左右，Colas的復(fù)合剪切模量較高；在溫度達(dá)到60℃后，Matrix502和Colas兩種瀝青膠結(jié)料的G*為一個(gè)數(shù)量級。所以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)綜合來看，Matrix502的G*下降趨勢較小，其溫度敏感性更小，具有較好的應(yīng)力松弛能力。

圖1 改性瀝青溫度掃描結(jié)果-復(fù)合剪切模量

2.2 相位角分析

在相同高溫條件、荷載作用下，相位角越大，表明瀝青膠結(jié)料的黏性成分越多，即變形不可恢復(fù)的瀝青含量越高。圖2給出了Matrix502和Colas兩種瀝青膠結(jié)料相位角隨溫度上升的變化曲線。從圖2可知，相位角隨溫度上升表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。Colas的相位角在-10℃至60℃的溫度范圍內(nèi)保持在26°到51°之間，而Matrix502在-10℃至60℃的溫度范圍內(nèi)相位角介于23°～53°。因此，在-10℃至30℃的溫度范圍內(nèi)，Colas的相位角較大，從而Matrix502的應(yīng)力松弛能力更好。

圖2 改性瀝青溫度掃描結(jié)果-相位角

3 老化后溫度掃描試驗(yàn)

橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料由于具有明顯的流變特性，其施工加熱溫度相對較高，一般要求達(dá)到170～180℃[4-6]。因此，橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料短期老化后的性能也具有研究的意義[7-10]。采用薄膜烘箱老化的方式，將材料放置于烘箱中以180℃的溫度保溫1h。

3.1 改性瀝青Matrix502

Matrix502瀝青膠結(jié)料老化前后的溫度掃描結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，老化后G*和相位角都有一定程度的變化。在低溫區(qū)，老化前后模量變化較大，相位角有顯著升高，增幅在10°～15°；在30℃以上的溫度范圍內(nèi)老化前后復(fù)合剪切模量隨溫度升高漸漸趨于一致；在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，老化后的相位角基本保持不變。綜合來看，改性瀝青Matrix502短期老化之后高溫穩(wěn)定性能略有損失。

圖3 改性瀝青Matrix502老化前后溫度掃描結(jié)果

3.2 改性瀝青Colas

Colas膠結(jié)料老化前后的溫度掃描結(jié)果如圖4所示。其試驗(yàn)結(jié)果表明，老化后G*和相位角都有一定程度的變化。在-10℃至60℃的溫度范圍內(nèi)，老化前后復(fù)合剪切模量變化趨勢基本一致，且變化不大；在低溫區(qū)，相位角變化趨勢不明顯，在30℃以上的溫度范圍內(nèi)老化前后的相位角隨溫度升高相差變大，且老化后的相位角有顯著提高，增幅在4°～10°?？傮w來說，改性瀝青Colas短期老化之后高溫穩(wěn)定性能基本沒有損失。

圖4 改性瀝青Colas老化前后溫度掃描結(jié)果

綜上，在短期老化后，Colas瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性能基本沒有損失，而Matrix502瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性能略有損失。

4 結(jié)論

研究了橋梁無縫伸縮縫常用的瀝青膠結(jié)料Matrix502和Colas的流變性能，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果表明，Matrix502的G*下降趨勢更小、-10～30℃范圍內(nèi)相位角也較小，可以得出，Matrix502的應(yīng)力松弛能力更好；

(2)對兩種瀝青膠結(jié)料老化后進(jìn)行溫度掃描，結(jié)果表明改性瀝青Colas的高溫穩(wěn)定性能基本沒有損失，Matrix502的高溫穩(wěn)定性能略有損失；

(3)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩種瀝青的應(yīng)力松弛能力和抵抗高溫變形的能力都比較突出，其分析結(jié)果可供國內(nèi)相關(guān)研究人員參考。