楊勝豐， 黃東青， 張 攀， 李 曙， 顏可珍

(1.廣州市中心區(qū)交通項(xiàng)目管理中心， 廣東 廣州 510030； 2.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 510010；3. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

車轍是瀝青路面最常見(jiàn)的一種破壞形式，特別是在南方高溫濕熱的氣候條件下車轍損害尤為常見(jiàn)[1]。車轍一般定義為荷載作用條件下瀝青路面材料變形的積累[2]。引起瀝青路面車轍的原因主要有材料質(zhì)量的缺陷，設(shè)計(jì)和施工方法的不足，瀝青膠結(jié)料的選擇不恰當(dāng)[2， 3]。

為了提高瀝青路面的抗車轍能力，通常采用改性瀝青鋪筑路面。常用的改性劑有聚合物改性劑(SBS、APAO、WTR、LDPE等)和天然瀝青(湖瀝青、巖瀝青等)[1， 3]兩大類，這些改性劑能夠降低瀝青的感溫性能，提高其抗車轍能力、抗疲勞性能等[4]。研究發(fā)現(xiàn)APAO改性瀝青具有較好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，且軟化點(diǎn)試驗(yàn)和PG分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果表明APAO改性劑能夠提高瀝青的高溫性能[5]。然而，以上研究一方面未考慮荷載的變化及重載車輛對(duì)聚合物改性瀝青的影響；另一方面，僅采用SHRP計(jì)劃所提出的車轍因子、疲勞因子等指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青的性能，未從黏彈力學(xué)方面系統(tǒng)地分析APAO改性瀝青的黏彈力學(xué)性質(zhì)。Morea等[2]發(fā)現(xiàn)，零剪切黏度(ZSV)能夠較好地描述瀝青高溫性能隨加載頻率變化的規(guī)律；Singh等[6]提出了線性/非線性黏彈性區(qū)間內(nèi)應(yīng)變幅度與復(fù)數(shù)模量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，這些方法可為APAO改性瀝青的黏彈力學(xué)性能評(píng)價(jià)提供參考。

本文利用流變學(xué)試驗(yàn)方法，采用PG分級(jí)試驗(yàn)、應(yīng)變掃描試驗(yàn)及頻率掃描試驗(yàn)，分析溫度、應(yīng)變及荷載變化對(duì)瀝青的性能影響，并結(jié)合Cross模型、Singh模型分析APAO改性瀝青黏彈參數(shù)(復(fù)數(shù)黏度、復(fù)數(shù)模量)的變化規(guī)律，以評(píng)價(jià)其高溫性能。

1 材料與方法

1.1 材料制備

本研究采用JL70和SK90兩種基質(zhì)瀝青，選擇APAO(2385型)作為改性劑，制備APAO改性瀝青。參考文獻(xiàn)[5]，以基質(zhì)瀝青質(zhì)量的4%為摻量，將APAO改性劑加熱摻入到165℃的瀝青中，用高速剪切儀以4000rad/s的速率攪拌30min，然后用攪拌機(jī)攪拌5min去除氣泡，最后制得APAO改性瀝青。

1.2 試驗(yàn)方法

本研究采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)分別對(duì)APAO改性瀝青及其原樣瀝青進(jìn)行PG分級(jí)試驗(yàn)、應(yīng)變掃描試驗(yàn)和頻率掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)所采用的轉(zhuǎn)子為25mm平行板，試驗(yàn)時(shí)板間間距為1mm，試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 瀝青試驗(yàn)條件試驗(yàn)方法加載應(yīng)變/%加載頻率(rad·s-1)試驗(yàn)溫度/℃PG分級(jí)試驗(yàn)121052,58,64,70應(yīng)變掃描試驗(yàn)0.01～1001010,60頻率掃描試驗(yàn)5,100.1～10060

1.3 評(píng)價(jià)模型

Singh等基于應(yīng)變掃描試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)三階段優(yōu)化得到了復(fù)數(shù)模量與應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(1)。

|G*|=G0×

(1)

式中：|G*|為復(fù)數(shù)模量，Pa；G0為線性黏彈性區(qū)間模量，為溫度和頻率的函數(shù)，Pa；γ為應(yīng)變的幅值， %。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，復(fù)數(shù)黏度|η*|與復(fù)數(shù)模量|G*|之間的關(guān)系如式(2)所示。

(2)

式中：ω為剪切速率,1/s。

目前，零剪切黏度(Zero Shear Viscosity，ZSV)計(jì)算模型主要為Cross模型[2， 7]，該模型描述了偽塑性非牛頓流體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,如式(3)所示。

(3)

式中：η為黏度，Pa·s；k和m是材料的特征常數(shù)；η0是第一牛頓區(qū)黏度，即ZSV，Pa·s；η∞是第二牛頓區(qū)黏度，Pa·s。

2 模型曲線構(gòu)造

本研究分別采用復(fù)數(shù)模量和黏度構(gòu)造Singh模型、Cross模型的目標(biāo)函數(shù)，其形式參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，通過(guò)最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)得到兩個(gè)模型的黏彈參數(shù)曲線，并利用擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)模型的擬合效果。

(4)

(5)

3 試驗(yàn)結(jié)果與模型分析

3.1 PG分級(jí)試驗(yàn)

通過(guò)PG分級(jí)試驗(yàn)后，2種原樣瀝青及其APAO改性瀝青的黏彈參數(shù)隨著溫度變化的規(guī)律如圖1所示。

從圖1可知，所有瀝青的相位角隨著溫度的增加逐漸增大，說(shuō)明溫度增加黏性隨之增大；復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子隨著溫度增加逐漸減小，且隨著溫度的升高，各瀝青之間的差異逐漸縮小。APAO添加劑加入基質(zhì)瀝青后，復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子均較原樣瀝青大，說(shuō)明高溫條件下APAO改性瀝青具有更好的抗變形能力。摻入APAO改性劑后，相位角較原樣瀝青減小，說(shuō)明APAO能夠提高瀝青的彈性比例，從而提高瀝青的高溫性能。相比原樣瀝青，APAO改性瀝青的抗車轍因子更高，這說(shuō)明APAO添加劑提高了瀝青的高溫性能。從上述復(fù)數(shù)剪切模量、相位角及車轍因子分析可知，APAO改性劑能夠提高瀝青高溫性質(zhì)。對(duì)比JL70和SK90瀝青可知，JL70瀝青的高溫性能更好；同樣，對(duì)比

(a) G*隨溫度變化曲線

(b) δ隨溫度變化曲線

(c) 車轍因子隨溫度變化曲線

SK90+APAO和JL70+APAO改性瀝青，后者具有更高的復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子、較低的相位角，這說(shuō)明APAO改性后瀝青的高溫性能取決于其原樣瀝青。

3.2 應(yīng)變掃描試驗(yàn)結(jié)果及模型分析

基于10℃和60℃的試驗(yàn)結(jié)果，采用式(1)計(jì)算不同應(yīng)變水平下的復(fù)數(shù)模量，通過(guò)式(4)得到模型的曲線，如圖2所示。

(a) T = 10 ℃

(b) T = 60 ℃

從圖2中可知，當(dāng)溫度為10℃時(shí)，在一定區(qū)間范圍內(nèi)，復(fù)數(shù)模量隨著應(yīng)變的增加而增大；當(dāng)超過(guò)一定范圍后，隨著應(yīng)變的增大，復(fù)數(shù)模量急劇減小，該范圍為非線性黏彈性范圍。當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，瀝青的復(fù)數(shù)模量不隨測(cè)試應(yīng)變的增加而增大，說(shuō)明此時(shí)無(wú)論基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，均處于線性黏彈范圍。對(duì)比兩個(gè)溫度下的線性黏彈性區(qū)間，溫度越高線性黏彈性區(qū)間范圍越大。

從圖2可知，當(dāng)測(cè)試溫度為10℃時(shí)，隨著加載應(yīng)變的增加,復(fù)數(shù)模量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而相位角呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)瀝青的抗變形能力減小，黏性部分增加。對(duì)于JL70瀝青，APAO改性劑摻入后，復(fù)數(shù)模量增大，而相位角減?。粚?duì)于SK90瀝青，APAO改性劑降低了瀝青的復(fù)數(shù)模量，減小了相位角，說(shuō)明此時(shí)APAO改性劑提高了SK90瀝青的疲勞性能。從Singh模型擬合結(jié)果來(lái)看，該模型既能較好地描述該溫度下線性區(qū)間內(nèi)復(fù)數(shù)模量隨應(yīng)變幅度的變化趨勢(shì)，又能描述復(fù)數(shù)模量在非線性區(qū)間的下降趨勢(shì)，且線性和非線性區(qū)間擬合優(yōu)度達(dá)到0.9以上，說(shuō)明該模型可以用于預(yù)測(cè)APAO改性瀝青的線性和非線性區(qū)間。

表2 Singh模型擬合參數(shù)(G0)與測(cè)試均值(Ga)瀝青測(cè)試溫度/℃G0/PaGa/Pa(G0+Ga)/2f1minJL70101.41×1071.33×1071.37×1070.77602.13×1032.12×1032.12×1030.42JL70+APAO101.68×1071.60×1071.64×1070.48604.18×1034.16×1034.17×1030.33SK90101.09×1071.04×1071.07×1070.18601.43×1031.42×1031.42×1030.46SK90+APAO103.91×1063.75×1063.83×1060.81603.34×1033.32×1033.33×1030.35

3.3 60 ℃零剪切黏度

圖3為APAO改性瀝青60 ℃下零剪切黏度(ZSV)的擬合曲線，從圖3可知，所有瀝青黏度隨著測(cè)試頻率的增大而減小，加入APAO改性劑后瀝青黏度在測(cè)試頻域內(nèi)斜率增大，說(shuō)明APAO改性劑的加入使得瀝青抗變形能力增強(qiáng)。從兩種基質(zhì)瀝青的ZSV擬合曲線可知，基質(zhì)瀝青的黏度變化較小，幾乎為水平直線，說(shuō)明此時(shí)瀝青表現(xiàn)出液體特征；兩種APAO改性瀝青高、低頻測(cè)試域內(nèi)出現(xiàn)了黏度的平臺(tái)特征，這說(shuō)明APAO瀝青表現(xiàn)出黏彈性固體特征。

( a ) SK90

( b ) JL70

Cross擬合參數(shù)見(jiàn)表3，從表3可知，R2均大于0.99，說(shuō)明Cross模型能夠較好地表征瀝青的黏彈特征，APAO改性瀝青的ZSV值均大于其原樣瀝青，說(shuō)明APAO改性劑提高了原樣瀝青的高溫性能。其中，ZSV(A)小于ZSV(B)，且ZSV(MA)小于ZSV(MB)，說(shuō)明APAO改性瀝青高溫性能取決于其原樣瀝青。不同瀝青之間的模型參數(shù)k相同，JL70改性前后瀝青m值相同，SK90瀝青改性前后m值存在一定的差異，所有瀝青共同點(diǎn)在于m值均小于1。

表3 Cross模型擬合參數(shù)瀝青種類編號(hào)η0η∞kmf2minR2SK90A1461110.010.725.94×10-20.995SK90+APAOMA4161020.010.361.64×10-11.000JL70B2221380.010.594.05×10-21.000JL70+APAOMB4451410.010.594.41×10-21.000

4 結(jié)論

本文將APAO改性劑分別摻入JL70和SK90瀝青中，制備了兩種APAO改性瀝青，采用PG分級(jí)試驗(yàn)、應(yīng)變掃描試驗(yàn)及60 ℃頻率掃描試驗(yàn)對(duì)APAO改性瀝青進(jìn)行高溫流變學(xué)試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模型分析，得到了如下主要結(jié)論：

1) 從高溫流變學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，APAO改性劑提高了瀝青的復(fù)數(shù)模量、車轍因子、零剪切黏度，降低了相位角，從而提升了瀝青的高溫性能。

2) 當(dāng)測(cè)試溫度為10 ℃時(shí)，Singh模型能夠較好地描述APAO改性瀝青及其原樣瀝青線性和非線性區(qū)間內(nèi)模量的變化規(guī)律；高溫條件下，Singh模型仍然與測(cè)試值吻合較好，能夠用于瀝青性能的表征，綜合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和Singh模型擬合結(jié)果，所提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)(G0+Ga)/2能夠較好地反映改性瀝青的高溫性能。

3) Cross模型能夠較好地描述APAO改性瀝青及其原樣瀝青的高溫性能，對(duì)比原樣瀝青，APAO改性瀝青Cross曲線高低頻均出現(xiàn)了較為明顯的平臺(tái)，能夠更為精確地描述瀝青的高溫性能。

4) 本文僅研究了APAO改性劑對(duì)兩種瀝青高溫性能的影響，APAO改性劑對(duì)更多基質(zhì)瀝青高低溫流變力學(xué)的影響有待進(jìn)一步深入探討。