基于動態剪切試驗的瀝青高溫動態流變參數研究

徐鴻飛 (棗莊學院城市與建筑工程學院,山東棗莊 277160)

基于動態剪切試驗的瀝青高溫動態流變參數研究

徐鴻飛 (棗莊學院城市與建筑工程學院,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。為了對高溫下普通瀝青與改性瀝青不同的粘彈性質進行更深入的研究,借助美國SHRP的動態剪切流變儀(DSR)對旋轉薄膜烘箱短期老化前后的6種瀝青進行動態剪切試驗,對試驗得到的不同高溫下的動態流變參數彈性模量G′、粘性模量G″、復數剪切模量G*、瀝青的相位角δ、車轍因子G*/sinδ進行分析比較,研究這些流變參數與溫度、老化的關系。對于經驗公式δ=c ln T+d,選擇了有代表性的3種瀝青通過回歸計算得到了c值及相關性大小,建議以|c|代替c來表征δ對溫度T變化的敏感程度。

動態剪切試驗;瀝青;高溫;彈性模量;粘性模量;復數剪切模量;相位角;車轍因子

20世紀80年代以來,我國的公路事業飛速發展,開創了以建設高速公路、一級公路為主的時代,且絕大多數為瀝青路面。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,如裂縫、車轍、擁包、水損害等。由于全球氣候影響,我國大部分地區夏季氣溫越來越高且持續時間久,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]。因此各國學者專門針對瀝青的高溫流變性能展開了大量的研究,取得了很多創新性的研究成果。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態流變性能,且不同改性瀝青也有著不同的流變性能,而我國常規研究瀝青高溫性能的試驗方法大多為靜載模式或單溫度條件模式,如軟化點試驗、粘度試驗等,已不能用來較好的評價改性瀝青的高溫流變性能[2]。美國SHRP提出的動態剪切試驗較好的彌補了這一遺憾,它用動態剪切流變儀(DSR)對瀝青進行標準動態剪切試驗,用流變學指標衡量瀝青的粘彈性本質[3]。為此,筆者借助美國SHRP的動態剪切流變儀(DSR)對短期老化前后的6種瀝青進行標準動態剪切試驗,根據試驗得到的流變特性參數分析改性瀝青的動態流變性能,并對判定參數性質的系數進行修正。

1 試驗材料

試驗采用的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號瀝青、齊魯70號瀝青、MAC改性瀝青、橡膠粉改性瀝青、穩定型橡膠改性瀝青以及應力吸收SBS改性瀝青。

2 試驗方法

動態剪切流變儀在設定好的標準角速度及不同的溫度水平下,對瀝青試樣進行旋轉剪切,利用試驗得到的動態流變參數G′、G″、G*、δ和G*/sinδ評價瀝青的高溫流變性能。其中G*是瀝青的復數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″分別代表可恢復部分和不可恢復部分;δ是瀝青的相位角,代表應力與應變之間的時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]。

試驗采用動態剪切試驗,試驗方法按照美國AASHTO TP-93要求進行;瀝青為原樣及旋轉薄膜烘箱短期老化(RTFOT)后試樣;?25mm平行板,板間距1mm;加載模式:應變控制,原樣、RTFOT后試樣的控制應變值分別為12%、10%;加載頻率:10rad/s;試驗溫度:每6℃一個等級(58、64、70、76、82、88℃)。

3 試驗結果與分析

通過試驗得到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′都隨試驗溫度的升高而降低,與溫度之間呈現非線性關系。58～70℃溫度區域內G′的降低幅度比后面較高溫區域的降幅要大,溫度較高時G′數值較低,變化不明顯。這說明隨著溫度的升高,瀝青所能表現的彈性性能逐漸減少,到達一定的高溫水平時彈性成分占據較少的比例。

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溫度58℃時G′值就很低,僅為0.3～0.4KPa,當溫度達到64℃時G′值已接近于0。改性瀝青在58℃時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G′仍然大于0。其中應力吸收SBS改性瀝青與穩定型橡膠改性瀝青88℃的G′值甚至能達到0.5～0.6KPa,這已經高于普通瀝青58℃時的數值。通過以上分析說明改性瀝青在高溫下能表現出大大優于普通瀝青的彈性性能,即使是到達一定的高溫水平時,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有力的解釋。從圖1、2對比可以看出,RTFOT后各種瀝青G′值都有所增加,但整體呈現的規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繁殖過程中發生的一種次生代謝產物。1960年蘇格蘭因食用發霉花生粉引起10萬只火雞中毒死亡，并通過實驗室檢測確定是由黃曲霉毒素引起火雞中毒死亡。以后，德國、美國、非洲的科學家證明黃曲霉毒素能引起家禽、豬、魚和牛、羊等物發生中毒。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,都隨溫度升高而降低,且與溫度間呈非線性關系。說明隨著溫度升高,瀝青粘性模量的值也在減小,但是通過對比相同溫度點的數值大小可以發現,在試驗的同高溫水平下,粘性模量G″的數值要遠大于彈性模量G′,也就是說,瀝青在高溫下,多偏向于粘性流動狀態,溫度越高狀態越明顯。

從圖3和圖4還可以看出,普通瀝青的G″各溫度點之間的降低水平基本一致,且到76℃時仍能有相對較小的粘性分量,這完全不同于G′在64℃就接近于0的狀態。這說明普通瀝青在一定的高溫狀態下,已基本表現為粘性流動狀態,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前,當彈性成分仍存在時,普通瀝青的溫感性主要由彈性成分決定,而在某溫度點后當彈性成分已趨于0時,普通瀝青的粘彈性質已不再發生變化。

圖3 原樣G″-T曲線

圖4 RTFOT后G″-T曲線

3.3 復數剪切模量G*

復數剪切模量G*包含G′和G″,且在高溫下瀝青偏向于粘性流變性質,因此圖5、圖6表現出與圖3、圖4較一致的狀態。

3.4 瀝青的相位角δ

從圖7和圖8可以看出,原樣瀝青δ的變化趨勢不同,其中SBS和MAC瀝青的δ隨溫度升高減小,其流變性質區別于其他瀝青;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δ已近90°,故δ隨溫度增加發生的變化并不明顯。普通瀝青的δ遠大于改性瀝青,說明普通瀝青在較低溫度時即接近于粘性材料且高溫性能遠低于改性瀝青。

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 經驗公式回歸系數c的修正

已知相位角δ與溫度T的經驗公式:

式中,T為溫度;c、d為回歸系數;相位角δ隨溫度變化的敏感程度可由系數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關系圖,并選擇了有代表性的3種瀝青通過回歸計算得到了c值及相關性大小。由圖11可以看出,短期老化后,6種瀝青相關性很好,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、應力SBS改性瀝青,這與圖7表現的規律一致。

由圖12可以看出,短期老化前,瀝青相關性較差,齊魯70、橡膠粉改性、應力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,應力SBS改性的最小且為負值,應遠遠小于齊魯70號瀝青。而從圖8可以看出,實際上應力SBS改性與齊魯70號瀝青δ的敏感程度接近,因此在這里回歸系數c已不能用來判定δ的敏感程度。但通過觀察發現如果c取絕對值|c|,結果正好符合圖示規律。因此,在用回歸系數c判定δ的溫感性時,要考慮到某些特殊改性瀝青的c值可能會出現負值的情況,此時建議用|c|代替c來評價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 結論

對6種瀝青試樣進行動態剪切試驗,從分析瀝青高溫流變性能的角度出發,對試驗得到的各流變參數充分分析,得到以下結論:

1)G′、G″、G*、δ和G*/sinδ都與溫度、老化密切相關。高溫條件下,普通瀝青的溫感性多由G′主導,高于某溫度水平后呈粘性流動趨勢。改性瀝青具有大大優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在評價RTFOT前后瀝青的高溫優良性上能得到較為統一的結果,但可靠性有待驗證。

2)利用δ-ln T經驗公式的回歸系數c評價δ的溫感性是不可靠的,筆者建議以|c|代替c評價其溫感性,則可以獲得較為符合試驗結果的結論。

3)筆者選用的6種瀝青雖然較為常用,但試驗結論是否適用于其它種類的瀝青則需進一步研究確定。

[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,時占君.改性瀝青高溫性能評價指標的探討[J].廣東公路交通,2002,73(2):14-17.

[3]吳耀東.采用動態剪切流變試驗評價瀝青高溫性能[J].北方交通,2007(1):45-47.

[4]魏建明,侯巖峰,王國清.基于動態剪切流變試驗的瀝青高溫性能研究[J].公路與汽運,2007(5):117-120.

[5]薛小剛,李寧利,陳華鑫,等.改性瀝青高溫指標可靠性評價[J].內蒙古公路與運輸,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,現主要從事瀝青與瀝青混合料方面的研究工作。