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;車轍因子

20世紀(jì)80年代以來,我國的公路事業(yè)飛速發(fā)展,開創(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。隨著瀝青路面越來越廣泛的使用,各種路面問題也頻頻出現(xiàn),如裂縫、車轍、擁包、水損害等。由于全球氣候影響,我國大部分地區(qū)夏季氣溫越來越高且持續(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程中起著重要的作用[1]。因此各國學(xué)者專門針對(duì)瀝青的高溫流變性能展開了大量的研究,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,已不能用來較好的評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫流變性能[2]。美國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

圖2 RTFOT后G′-T曲線

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。通過以上分析說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10萬只火雞中毒死亡，并通過實(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、美國、非洲的科學(xué)家證明黃曲霉毒素能引起家禽、豬、魚和牛、羊等物發(fā)生中毒。我國貴州、江蘇、甘肅、四川等地也有家禽、豬、魚和牛、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,且與溫度間呈非線性關(guān)系。說明隨著溫度升高,瀝青粘性模量的值也在減小,但是通過對(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,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),在溫度的變化過程中,彈性成分的變化最為敏感。也就是說在某溫度點(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

圖4 RTFOT后G″-T曲線

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

圖6 RTFOT后G*-T曲線

圖7 原樣δ-T曲線

圖8 RTFOT后δ-T曲線

3.5 車轍因子G*/sinδ

圖9 原樣G*/sinδ-T曲線

圖10 RTFOT后G*/sinδ-T曲線

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已不能用來判定δ的敏感程度。但通過觀察發(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。