高模量改性瀝青流變性能

駱建平，魏建國，楊科偉，王 彬，熊保林，徐 倩

近年來，中國的高速公路迅速發展，同時，隨著高速公路不斷向山區推進，受山區氣候和地形復雜等自然條件制約，不可避免地出現較多的長陡坡路段；加上燃油價格上漲等因素影響，公路運輸成本大幅度提高，從而出現大量超載車輛；另外，近幾年夏季高溫情況特別突出。由于受陡坡、超載及高溫等外在因素的影響，而加快了陡坡路段瀝青混凝土路面車轍損壞等早期病害的出現［1－2］。國內、外研究［3－5］表明，模量高的瀝青（高模量瀝青）勁度模量和粘度較大，可以顯著提高混合料的勁度模量。一定溫度和加載速率下，抗剪切變形能力越強，瀝青混合料抗車轍性能越好，路面車轍深度明顯降低，且疲勞性能比普通瀝青混合料有大幅提高。

很多學者已經對高模量瀝青進行了研究，盧輝［3］等人比較了高模量瀝青及瀝青膠漿與SBS改性瀝青及改性瀝青膠漿的抗車轍因子等參數，發現無論是瀝青還是瀝青膠漿，高模量瀝青抗車轍能力與之相比都提高了2倍左右；金芳［6］對比了高模量瀝青與3.5%SBS改性瀝青的抗高溫性能，發現高模量瀝青老化前、后的高溫指標都比SBS改性瀝青高得多。大多數學者的研究都集中于高模量瀝青與基質瀝青及SBS改性瀝青的高溫性能的對比，而對高溫性能影響因素的研究較少。針對路面出現的高溫、長陡坡及超載現象，作者擬運用DSR來測定不同溫度、荷載頻率及應變下高模量瀝青的抗車轍因子和中、低溫時的疲勞開裂因子，對比基質瀝青，分析這些因素對高模量瀝青抗車轍能力的影響及兩種瀝青的抗疲勞性能，以期驗證高模量瀝青在高溫、低頻及重載等不利條件下具有良好的抗車轍能力，且其抗疲勞性能要優于基質瀝青的，可用于溫度較高、長陡坡較多及行車荷載較大地區。

1 原材料

試驗采用的兩種瀝青：“殼牌”高模量瀝青和“殼牌”70＃基質瀝青。該兩種瀝青的技術指標試驗結果見表1。

2 溫度的影響

瀝青作為一種典型的粘彈性材料，隨著溫度的變化其粘彈性勢必會產生很大的變化。為了分析不同材料組成、不同溫度及不同狀態等因素對瀝青流變性能的影響，運用動態剪切流變儀來測量70＃基質瀝青及高模量改性瀝青的復數剪切模量G＊、相位角δ及抗車轍因子G＊／sinδ，對比分析溫度對其高溫抗車轍能力的影響。兩種瀝青的G＊、δ及G＊／sinδ 與溫度的關系分別如圖1，2所示。

表1 兩種瀝青技術指標試驗結果Table 1 The results of two asphalt technical index

圖1 不同瀝青的G＊和δ與溫度的半對數關系Fig.1 The semilog of the different asphalt G＊andδwith temperature

從圖1中可以看出：

1）無論是基質瀝青還是高模量改性瀝青，隨著溫度的升高，復數剪切模量G＊呈下降趨勢。這是由于溫度的升高，加劇了分子鏈段的運動、分子間的交聯作用和分子力減弱，削弱了對分子運動的約束，表現為瀝青材料的勁度不斷下降，即復數剪切模量G＊隨溫度升高而減小。該值越大，表明材 料 的 彈 性 性 能 越 好［7－8］。 采 用 經 驗 公 式lnG＊＝AT＋B的斜率A來反映G＊隨溫度變化的敏感程度，斜率A的絕對值越大，說明G＊隨溫度變化衰減得越快，溫度敏感性越強［9］。添加高模量改性劑后，斜率A明顯變小，瀝青的溫度敏感性顯著降低，大大提高了瀝青的抗高溫剪切能力。

2）隨著溫度的升高，高模量瀝青的相位角δ要比基質瀝青的小得多。這說明在相同溫度條件下，高模量瀝青能夠提供的抗剪切變形的彈性成分比例要比基質瀝青的大得多，瀝青在施加荷載后的變形更容易恢復。基質瀝青的相位角隨著溫度的升高而增大，溫度在76℃時，相位角達到了89.2°，接近90°。這說明基質瀝青在較高溫度時已經接近粘性狀態，在外力作用下的變形是不可能恢復的。高模量瀝青的相位角隨著溫度的升高而降低。在71℃時，相位角達到極值。溫度高于71℃時，相位角呈上升趨勢，但是，仍未達到60°。這說明在較高溫度時，高模量瀝青中的彈性部分仍能發揮主導作用。

圖2 不同瀝青的G＊／sinδ與溫度的半對數關系Fig.2 The semilog of the different asphalt G＊／sinδwith temperature

從圖2中可以看出：

1）兩種瀝青的抗車轍因子G＊／sinδ隨著溫度的升高都呈下降趨勢，高模量瀝青的抗車轍因子整體要比基質瀝青的大得多。從圖2中可以看出，瀝青抗車轍因子G＊／sinδ與溫度呈良好的線性關系。比較它們的斜率可以發現，高模量瀝青的G＊／sinδ隨溫度升高的衰減程度要比基質瀝青的慢，該變化趨勢與G＊的變化趨勢一致。這說明高模量瀝青的溫度敏感性要弱于基質瀝青的，在高溫下，它不易產生剪切變形，其混合料的抗永久變形能力更強。

2）隨著溫度的升高，基質瀝青的G＊／sinδ從5.82kPa減小到0.17kPa，高模量瀝青的G＊／sinδ從15.52kPa減小到1.53kPa。《瀝青與瀝青混合料試驗規程》［10］中，將瀝青混合料在60℃時的抗車轍能力作為評價混合料高溫性能的指標。在60℃時，基質瀝青的G＊／sinδ僅為2.5kPa，而高模量瀝青的G＊／sinδ則達到了13.0kPa，是基質瀝青的5倍。基質瀝青在67℃時，G＊／sinδ已接近0kPa，失去抗車轍能力。而高模量瀝青的G＊／sinδ為8kPa，仍具有很好的抗車轍能力。隨著溫度的升高，高模量瀝青在71℃時的G＊／sinδ與基質瀝青在53℃時的G＊／sinδ相差不大。這說明在同樣的抗車轍能力條件下，高模量瀝青的溫度可達到71℃。若基質瀝青在53℃時不發生車轍，則高模量瀝青在71℃高溫下也不會出現車轍。高模量瀝青在83℃時的G＊／sinδ與基質瀝青在60℃時的G＊／sinδ相差不大，說明基質瀝青在60℃時滿足規范要求。高模量瀝青在83℃的極端高溫下仍能滿足規范要求，說明高模量瀝青具有非常顯著地高溫抗車轍能力。

3 頻率的影響

加載頻率的大小對應的是路面行車速度的快慢。高頻代表路面行車的高速，低頻代表路面行車的慢速。通過動態頻率掃描試驗，可以建立起瀝青的模量－速度關系，能夠涵蓋描述瀝青路面不僅會在行車路面承受10－2s量級的瞬時車輪荷載影響，也會在道路的斜坡處可能承受數十年之久的自重蠕變荷載影響［11］。在Superpave規范中，動態剪切流變儀DSR所涉及到的角頻率ω均為10rad／s，而不同的荷載作用頻率下，瀝青也會呈現出不同的粘彈性質。結合路面實際情況，選取30，50和70℃3個溫度為試驗溫度，對70＃基質瀝青和高模量改性瀝青在1～100rad／s范圍內進行頻率掃描試驗，分析在不同頻率下，其G＊，δ及G＊／sinδ變化關系。試驗結果分別如圖3～5所示。

圖3 不同溫度兩種瀝青的G＊隨頻率的變化Fig.3 The change of G＊of two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由圖3可知，不同溫度下兩種瀝青的復數剪切模量G＊隨頻率的增大而增大，兩者呈良好的線性關系。在此溫度范圍內，瀝青處于粘彈性狀態，變形包括可恢復的彈性變形和不可恢復的粘性變形。隨著荷載作用頻率的增大，作用時間的減少，相應的變形減小，導致G＊增大。由高頻到低頻過程中，在30℃條件下，基質瀝青的G＊由1 196kPa降至43.08kPa，高模量瀝青的G＊由1 338kPa降至74.55kPa；在50℃條件下，基質瀝青的G＊由33.64kPa降至1kPa，高模量瀝青的G＊由102 345Pa降至6 264Pa。在70℃條件下，基質瀝青的G＊由6 483Pa降至71.35Pa，高模量瀝青的G＊由19 460Pa降至1 167Pa。由此可知，從高頻到低頻過程，高模量瀝青能顯著提高瀝青的模量，且隨著溫度的升高，這種增幅體現得越明顯。對比同溫度下兩種瀝青的G＊隨頻率變化的幅度發現，從高頻到低頻過程，基質瀝青衰減的幅度要大于高模量瀝青的，這說明高模量瀝青不僅能有效提高瀝青在低頻段的抗剪切變形能力，還能更好地承受行車荷載頻率變化對路面的剪切破壞。

圖4 不同溫度兩種瀝青的δ隨頻率的變化Fig.4 The change ofδof two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由圖4可知，基質瀝青的相位角δ隨著頻率的增大而減小，高模量瀝青的相位角δ隨著頻率的增大呈增大趨勢。對于基質瀝青，溫度越低，δ隨著頻率增大降低的幅度越大。其原因是荷載頻率越大，作用時間越短，彈性變形所需時間越短，恢復得越快，使得相位角減小。隨著溫度的升高，基質瀝青溫度敏感性較強，彈性成分比例減少，減小的幅度變緩。對于高模量瀝青，在低頻段1～10rad／s時，δ隨頻率的增大而增大；在高頻段10～100rad／s時，δ的變化規律受溫度的影響，溫度在30℃時，δ隨著頻率的增大而減少，溫度大于50℃時，δ隨著頻率的增大而增大。其原因是頻率越大，荷載作用時間越短，而高模量瀝青產生變形所需時間較長，變形來不及恢復，變形就越來越大，導致相位角增大。高模量瀝青在小于71℃的情況下，隨著溫度的升高，δ呈下降趨勢。由高頻到低頻過程中，在50℃時，基質瀝青δ由81°增至88°，高模量瀝青δ由65°降至50°；在70℃時，基質瀝青δ由86.5°增至88.5°，高模量瀝青δ由60°降至46°。由此可知，在高溫、低頻情況下，高模量瀝青能夠提高的彈性成分比例要比基質瀝青的高得多，瀝青由于荷載產生的變形更容易恢復。

圖5 不同溫度兩種瀝青的G＊／sinδ隨頻率的變化Fig.5 The change of G＊／sinδof two kinds of asphalts with frequency at different temperatures

由圖5可知，不同溫度下，兩種瀝青抗車轍因子G＊／sinδ隨著頻率的降低而降低，兩者呈良好的線性關系，這就是在停車場、急剎車處或陡坡段更容易產生車轍的原因。由高頻到低頻過程中，在30℃時，基質瀝青G＊／sinδ由1 267kPa降至43kPa，高模量瀝青G＊／sinδ由1 475kPa降至84kPa；在50℃時，基質瀝青G＊／sinδ由34kPa降至1kPa，高模量瀝青G＊／sinδ由110kPa降至8kPa；在70℃時，基質瀝青G＊／sinδ由6.5kPa降至0.07kPa，高模量瀝青G＊／sinδ由22.4kPa降至1.6kPa。可見，不同溫度從高頻到低頻的過程，高模量瀝青能顯著提高瀝青的抗車轍能力，溫度越高，其增幅越大。頻率為1rad／s、溫度分別為30，50和70℃時，高模量瀝青的G＊／sinδ分別為基質瀝青的2倍、8倍和23倍；頻率為100rad／s、溫度分別為30，50和70℃時，高模量瀝青的G＊／sinδ分別為基質瀝青的1.2倍、3.2倍和3.4倍。同溫度下，頻率越高，G＊／sinδ的增幅越小。從高頻到低頻，基質瀝青衰減的幅度要大于高模量瀝青的。頻率在3rad／s時，高模量瀝青70℃時的G＊／sinδ與基質瀝青50℃的G＊／sinδ相差不大。這說明頻率低于3rad／s時，基質瀝青和高模量瀝青擁有相同的抗車轍能力，高模量瀝青的溫度能達到70℃甚至更高。高模量瀝青在高溫、低頻可顯著提高瀝青的抗車轍能力。

4 應變的影響

應變與路面實際的結構有著密切的關系。控制好應變，才能真實地反映路面的實際結構。為了分析應變對抗車轍因子G＊／sinδ的影響，測試了兩種瀝青在不同應變條件下G＊／sinδ的變化，試驗結果分別如圖6，7所示。

圖6 50℃應變與G＊／sinδ的關系Fig.6 The relation ship between strain and G＊／sinδat 50℃

圖7 70℃應變與G＊／sinδ的關系Fig.7 The relation ship between strain and G＊／sinδat 70℃

由圖6可知，在50℃時，應變對高模量瀝青的G＊／sinδ影響很

小，僅降低了0.6kPa，基質瀝青的G＊／sinδ隨著應變的增大由10.2kPa降至7.4kPa。這說明隨著應變的增加，所需的振動應力增大，使得基質瀝青的變形增大，導致G＊／sinδ變小。高模量瀝青的G＊／sinδ隨著應變的增加變化很小，不受影響。這說明在50℃條件下，高模量瀝青能很好地承受較大的應力而不發生變形，且路面抗車轍能力受行車荷載影響很小，可用于氣溫較高且行車荷載較大的地區。

由圖7可知，在70℃時，基質瀝青的G＊／sinδ隨應變的增大而不發生變化。其原因是：溫度在70℃時，基質瀝青相位角已經接近90°，瀝青已接近粘性狀態。高模量瀝青的G＊／sinδ隨著應變的增大由5.6kPa降至3.7kPa，其原因是：在70℃高溫下，瀝青粘性成分較多，瀝青變形更容易。隨著應變的增大，所需振動應力增大，導致變形增大，相位角增大，G＊／sinδ變小。比較兩種瀝青G＊／sinδ降低的幅度，基質瀝青在50℃降低了2.8kPa，高模量瀝青在70℃降低了1.9kPa。這說明高模量瀝青即使在70℃的高溫，受應變的影響也要低于基質瀝青的，高模量瀝青能顯著提高瀝青高溫承受荷載的能力。

5 抗疲勞開裂性能

瀝青路面在使用期間經受車輪荷載的反復作用，導致路面結構強度逐漸降低。當重復作用超過一定次數后，路面內部產生的應力就會超過結構抗力，路面出現裂縫，隨著時間的推移而產生疲勞開裂破壞。Superpave規范指出，在路面投入使用一段時間后，在低溫到中溫時會發生疲勞，采用疲勞開裂因子G＊sinδ≤5 000kPa作為瀝青疲勞開裂的控制標準。為研究高模量瀝青抗疲勞開裂性能，采用SHRP試驗方法，對兩種瀝青進行RTPO／PAV老化，分析其在中、低溫條件下的流變性能，兩種瀝青的G＊、δ及G＊sinδ與溫度的關系分別如圖8，9所示。

圖8 兩種瀝青老化后，G＊和δ隨溫度的變化Fig.8 The change of G＊andδwith temperature after being aged for two kinds of asphalts

由圖8，9可知，隨著溫度的降低，兩種瀝青RTPO／PAV老化后的G＊逐漸增大，δ逐漸變小，G＊sinδ逐漸增大。這說明瀝青的抗疲勞性能隨著溫度的降低而削弱。Superpave規范中提到理想的膠結料抗疲勞品質應具有像軟彈性材料的功能，能從許多次加載后恢復。為了使瀝青結合料具有良好的抗疲勞性能，期望瀝青具有較小的G＊sinδ，使路面在行車荷載作用下的變形能迅速恢復，減少路面因產生應力累積而導致疲勞破壞。從41℃降到26℃，基質瀝青的G＊、δ及G＊sinδ都高于高模量瀝青的，且隨著溫度的降低，兩種瀝青的δ相差越來越小，G＊相差越來越大，G＊sinδ相差越來越大。從41℃到26℃，基質瀝青的G＊sinδ由227.2kPa升到2 276kPa，高模量瀝青的G＊sinδ由249.2kPa升到1 614kPa。對比兩種瀝青在41℃和26℃的G＊sinδ發現，溫度越低，G＊sinδ相差越大，基質瀝青的G＊sinδ達到5 000kPa的速率更快、溫度更高。可見，在相同溫度下，高模量瀝青具有更好的抗疲勞能力；當達到相同抗疲勞性能時，高模量瀝青的溫度更低。高模量瀝青可提高瀝青的抗疲勞性能。

圖9 兩種瀝青老化后，G＊sinδ隨溫度的變化Fig.9 The change of G＊sinδwith temperature after being aged for two kinds of asphalts

6 結論

1）隨著溫度的升高，兩種瀝青的G＊逐漸降低，基質瀝青的δ逐漸升高，高模量瀝青的δ呈先下降后上升趨勢，G＊／sinδ逐漸降低。對比基質瀝青，高模量瀝青的G＊和G＊／sinδ要高得多，且溫度敏感性較低，其G＊和G＊／sinδ衰減得較慢，具有相同抗車轍能力時達到的溫度更高，能顯著提高瀝青的高溫抗車轍能力。

2）兩種瀝青的G＊和G＊／sinδ都隨著頻率的降低而降低，基質瀝青降低的幅度大于高模量瀝青的。在高溫段，基質瀝青的δ隨著頻率的降低而增大，高模量瀝青的δ隨著頻率的降低而降低。與基質瀝青相比，溫度越高，頻率越低，高模量瀝青的G＊／sinδ提高的幅度越大。高模量瀝青能顯著提高瀝青在高溫、低頻時的抗車轍能力。

3）50℃時，基質瀝青的G＊／sinδ隨應變的增大而降低，高模量瀝青的G＊／sinδ沒有變化；70℃時，基質瀝青已接近粘性狀態，高模量瀝青的G＊／sinδ隨著應變的增大而降低。隨著應變的增大，高模量瀝青在70℃時降低的幅度要小于基質瀝青在50℃降低的幅度。高模量瀝青能顯著提高瀝青在高溫、重載時的抗車轍能力。

4）在中、低溫段，隨著溫度的降低，兩種瀝青的G＊逐漸增大，δ逐漸變小，G＊sinδ逐漸增大，基質瀝青的G＊、δ及G＊sinδ都高于高模量瀝青的，且隨著溫度的降低，G＊sinδ相差越來越大。達到相同抗疲勞性能時，高模量瀝青的溫度更低，高模量瀝青具有更好的抗疲勞性能。

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